LOW←TECH MAGAZINE Nederlands

Directe zonnestroom: off-grid zonder batterijen

Fri, 25 Aug 2023 00:00:00 +0000

Afbeelding: Een laptop op directe zonnestroom. Foto: Marie Verdeil.

Conventionele zonnestroominstallaties stellen onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen en de energieverslindende levensstijl die daaruit voortvloeit niet ter discussie. Zowel zonnepanelen op daken als grootschalige zonneparken voorzien ons van alle stroom die we maar willen, ook als de zon niet schijnt. Dat komt omdat deze systemen het centrale elektriciteitsnet, dat grotendeels op fossiele brandstoffen werkt, als een soort batterij gebruiken om stroomtekorten op te vangen.

Hoewel aan het elektriciteitsnet gekoppelde zonnepanelen het fossiele brandstofverbruik van thermische energiecentrales kunnen verlagen, wordt deze besparing op zijn minst gedeeltelijk tenietgedaan door de extra fossiele brandstoffen die nodig zijn voor de bouw en het onderhoud van wat in wezen een dubbele energie-infrastructuur is. Het combineren van zonne- en windenergie kan het aandeel hernieuwbare energie in het elektriciteitsnet verder vergroten, maar daarvoor moet de infrastructuur nog verder worden uitgebouwd. Behalve energie vraagt dat ook veel geld en tijd.

Centrales op fossiele brandstoffen vervangen door energieopslag, zodat het overschot aan elektriciteit dat wordt opgewekt op zonnige dagen kan worden bewaard voor wanneer er geen of onvoldoende zon is, stuit op hetzelfde probleem. Energieopslag, of die nu geïntegreerd is in een elektriciteitsnet of zich bij individuele huishoudens (off-grid systemen) bevindt, is zeer duur en koolstofintensief om te bouwen en te onderhouden.

Autonome zonne-installatie

De productie van zonnepanelen kost uiteraard geld en energie. De financiële en energetische kosten van de bijhorende back-up infrastructuur zijn echter vele malen groter. Voor netgekoppelde zonnestroominstallaties zijn deze kosten zeer moeilijk precies te berekenen, maar voor autonome zonne-installaties (zonder netkoppeling en met eigen energieopslag) is dat een stuk makkelijker. Als voorbeeld neem ik daarom de kleine autonome zonne-installatie die mijn woonkamer in Barcelona van stroom voorziet.

Dit systeem bestaat uit twee 50W zonnepanelen op het balkon, een 100 Ah loodaccu en een 10A laadregelaar. De opgewekte energie wordt onder meer gebruikt voor de verlichting, de muziekinstallatie, en het opladen van laptops en andere elektronische apparatuur. De aanvankelijke financële investering bedroeg 340 euro: 120 euro voor de zonnepanelen, 170 euro voor de accu en 50 euro voor de laadregelaar.

Maar terwijl de zonnepanelen dertig jaar zouden moeten meegaan en de laadregelaar ongeveer tien jaar, moet ik de loodaccu gemiddeld elke drie tot vijf jaar vervangen. ¹ Over een levensduur van 30 jaar bedragen de kosten dan 120 euro voor de zonnepanelen, 150 euro voor de laadregelaars en – in het beste geval – 1.020 euro voor de accu’s. De accu’s (en de bijbehorende laadregelaars) maken dus ongeveer 90% van de totale levensduurkosten uit.

Energieopslag domineert ook de “ingebedde” energie (en de daaruit voortvloeiende koolstofuitstoot) van de installatie. De productie van mijn loodzuuraccu heeft 1.200 megajoule (MJ) energie gekost. ² Over een levensduur van 30 jaar (zes accu’s in het beste geval) komt dat neer op 7.200 MJ. De drie laadregelaars voegen nog eens 360 MJ toe over een levensduur van 30 jaar, wat het totale energieverbruik voor het accusysteem op 7.560 MJ brengt. ³

Daarentegen kost de productie van de zonnepanelen slechts 2.275 MJ op een totaal van 9.835 MJ. ⁴ Conclusie: meer dan 75% van het totale fossiele energieverbruik is het gevolg van energieopslag.

Afbeelding: Rechts op het balkon staan de twee 50W zonnepanelen die de woonkamer van mijn appartement van stroom voorzien. Daarnaast staat het 30W zonnepaneel dat [deze website doet werken](https://qelnixcor.cloud/nl/2018/09/how-to-build-a-low-tech-website/). Foto: Marie Verdeil.

Afbeelding: De structuur voor de zonnepanelen, opgebouwd uit afvalhout. Foto: Kris De Decker.

Afbeelding: De loodzuuraccu van 100 Ah die de woonkamer na zonsondergang van elektriciteit voorziet. Foto: Kris De Decker.

Andere soorten accu’s zouden deze conclusie niet significant veranderen. Voor een vergelijkbaar off-grid systeem met lithium-ion accu’s zou de energieopslag verantwoordelijk zijn voor ongeveer 95% van de totale levensduurkosten (die bijna het dubbele bedragen van een systeem met loodzuurbatterijen). Uitgaande van een optimistische levensduur (10 jaar) en inclusief de laadregelaars is lithium energieopslag goed voor zowat 70% van het geïnvesteerde energieverbruik in een zonnestroominstallatie. ⁵ ⁶ Voor nikkel-ijzer accu’s zou de energieopslag verantwoordelijk zijn voor 85% van de totale levensduurkosten (er zijn geen data voor de energiekost). ⁷

De schaalgrootte en locatie van de zonne-installatie maken ook geen verschil uit. Een groter systeem heeft meer zonnepanelen nodig, maar ook grotere accu’s en duurdere en krachtigere laadregelaars. De verhoudingen blijven dezelfde. ⁸ De enige factor die de zonnepanelen een iets groter aandeel in het totale kostenplaatje kan geven, zijn de structuren waarop ze zijn gemonteerd. Ik hou daar geen rekening mee omdat ik ze zelf heb gebouwd uit afvalhout. Staan de zonnepanelen echter op een dak gemonteerd, dan ligt een doe-het-zelf oplossing minder voor de hand. Maar ook in dat geval blijft de kost van de energieopslag veruit het zwaarst doorwegen.

Directe zonne-energie: veel goedkoper en duurzamer

In tegenstelling tot fossiele brandstoffen zijn de zon en de wind niet op afroep beschikbaar. Het probleem met onze benadering van hernieuwbare energie is dat we vasthouden aan de eis dat stroom altijd oneindig beschikbaar moet zijn, ongeacht het weer, de seizoenen of het tijdstip van de dag. Het aanpassen van de vraag naar energie aan het aanbod – zoals dat vroeger gebeurde – zou leiden tot spectaculaire verlagingen van de kosten en het gebruik van fossiele brandstoffen.

Als ik bijvoorbeeld de batterijopslag van mijn zonnestroominstallatie zou weglaten, dan zou mijn systeem ongeveer tien keer goedkoper worden: 120 euro in plaats van 1.290 euro over een levensduur van 30 jaar (omgerekend 4 euro in plaats van 43 euro per jaar). Als alternatief zou ik 1.290 euro kunnen uitgeven aan zonnepanelen alleen, wat me een zonne-installatie van 1.075 watt zou opleveren. Dat is tien keer de capaciteit van de opstelling met batterijen, meer dan wat er op het balkon zou passen.

Zonder batterij en laadregelaar daalt ook de energiekost van de installatie van 9.835 MJ naar 2.275 MJ. Met andere woorden: ik zou minstens vier keer zoveel zonne-energie kunnen opwekken met eenzelfde investering in fossiele brandstoffen.

Hoe kan directe zonne-energie praktisch zijn?

Allemaal goed en wel, maar de zon schijnt niet na zonsondergang en de hoeveelheid zonne-energie varieert gedurende de dag en het jaar. Dus hoe kan het gebruik van zonnepanelen zonder batterijen (of andere back-up infrastructuur in het geval van netgekoppelde installaties) dan praktisch zijn?

Om die vraag te beantwoorden kijken we naar een pionier van “directe zonnestroom”: de Living Energy Farm. Deze milieu-educatieve gemeenschap in de Amerikaanse staat Virginia is volledig “off-the-grid” dankzij zonne-energie, maar slechts 10% van de opgewekte zonnestroom gaat door een (nikkel-ijzer) batterij. Nochtans leveren de zonnepanelen stroom voor meerdere woningen, een gemeenschappelijke keuken, een metaalwerkplaats, en een landbouwbedrijf. ⁹ ¹⁰

Afbeelding: Directe zonnestroom op de Living Energy Farm.

De zonne-installatie is in gebruik sinds 2011 en bestaat uit afzonderlijke systemen met een totaal piekvermogen van 1.400 watt. ¹¹ Ter vergelijking: het gemiddelde piekvermogen van een residentiële zonnestroominstallatie in Nederland – voor één huishouden – bedraagt 4.660 watt. Net zoals in mijn appartement wordt er bij de Living Energy Farm erg zuinig omgesprongen met energie, maar dat er nauwelijks batterijen worden gebruikt, heeft nog andere redenen.

Sommige apparaten worden alleen overdag gebruikt

Een eerste reden ligt voor de hand: sommige elektrische apparaten en machines worden alleen overdag gebruikt. Dat is bijvoorbeeld zo voor alle machines in de metaalwerkplaats, inclusief een lintzaag, compressor, slijpmachine, cirkelzaag, draaibank, freesmachine en boormachine. Het geldt ook voor landbouwmachines zoals een graanmolen en een dieptebronpomp. Direct gekoppeld aan zonnepanelen bieden deze machines alle mogelijkheden van moderne technologie op netstroom, met de uitzondering dat ze alleen overdag kunnen worden gebruikt. ¹⁰

Op veel kleinere schaal heb ik thuis een soldeerbout, lijmpistool en irrigatiepomp (voor het balkon) op directe zonne-energie aangedreven. Andere voorbeelden van apparaten en machines die alleen overdag zouden kunnen worden gebruikt, zijn stofzuigers, naaimachines, wasmachines, spelconsoles, lasersnijders en 3D-printers. Het is niet zo moeilijk om je een moderne samenleving voor te stellen waarin activiteiten zoals stofzuigen en doe-het-zelf klusjes alleen overdag plaats vinden. Het is zeker geen terugkeer naar de middeleeuwen.

Afbeelding: verschillende gereedschappen in de werkplaats van de Living Energy Farm. Foto: Alexis Zeigler.

Afbeelding: metaaldraaibank in de werkplaats van de Living Energy Farm. Foto: Alexis Zeigler.

Afbeelding: Solderen met directe zonnestroom. Foto: Marie Verdeil. [Bekijk de video](https://www.youtube.com/watch?v=qozZCJU4IOc).

Bovendien vereisen niet alle elektrische apparaten constante aandacht. Wasmachines of vaatwassers die automatisch in werking treden als de zon schijnt, zijn vaak geciteerde voorbeeldtoepassingen van een “slim” energienetwerk. Maar die aanpak steunt op een omvangrijke infrastructuur van elektriciteitstransmissie, communicatienetwerken, en met elektronica volgestouwde apparaten.

Bij een gedecentraliseerde aanpak met directe zonne-energie wordt de intelligentie daarentegen geleverd door de zon en de omwenteling van de planeet. Een wasmachine of vaatwasser op directe zonne-energie kan ‘s avonds worden volgeladen en aangezet. De machine start dan ‘s ochtends “automatisch” op. Je kan zelfs (elektronische of mechanische) tijdschakelaars gebruiken om verschillende apparaten na elkaar te laten werken.

Of wolken een extra limiet vormen voor een directe zonne-installatie, en in welke mate, hangt af van de grootte van de zonnepanelen. Een verdubbeling van het oppervlak van de zonnepanelen garandeert voldoende zonnestroom bij matige bewolking, terwijl de installatie veel goedkoper en duurzamer blijft dan een systeem met batterijen of andere backup-infrastructuur.

Een nog grotere oppervlakte aan zonnepanelen zou zelfs tijdens zware bewolking voldoende energie kunnen leveren, maar de omvang van het systeem vertienvoudigen brengt de kosten opnieuw op het niveau van een autonome installatie met batterijen. Een verviervoudiging van de oppervlakte maakt het systeem weer even afhankelijk van fossiele brandstoffen.

Veel apparaten hebben al batterijen

Directe zonnestroom sluit evenmin het gebruik van elektrische apparaten na zonsondergang uit. Zoals vermeldt beschikt de Living Energy Farm over een bescheiden batterijsysteem, dat stroom levert voor onder meer verlichting, ventilatoren, en elektronische apparaten na zonsondergang. ¹⁰ Daarbij beschikken heel veel moderne apparaten al over een ingebouwde energieopslag. Dat is het geval voor allerlei types elektrische voertuigen, voor de meeste elektronische gadgets, en voor oudere elektrische apparatuur met AA-batterijen.

Dit soort apparaten kan dus overdag worden opgeladen met directe zonne-energie en vervolgens gedurende een aantal uren na zonsondergang worden gebruikt dankzij de ingebouwde batterij. In combinatie met een lithium-ion powerbank kan een direct zonnepaneel het ook mogelijk maken om USB-apparaten op te laden na zonsondergang. Deze strategie kan zelfs werken voor verlichting, omdat er veel lampen op batterijen bestaan die je kan gebruiken als moderne toortsen, opgehangen in verschillende delen van kamers en gebouwen.

Afbeelding: Een mobiele telefoon op directe zonnestroom. Foto: Marie Verdeil.

De chemische energieopslag uitbesteden aan het apparaat is uiteraard niet de duurzaamste optie. Voor de productie van lithium-ion batterijen zijn fossiele brandstoffen nodig, en bovendien worden ze (in tegenstelling tot loodzuuraccu’s) niet gerecycleerd. De beste oplossing is uiteraard het gebruik van elektrische apparaten reduceren. Maar ze opladen met directe zonne-energie is wel een stuk duurzamer en efficiënter dan via andere batterijen of een fossiel elektriciteitsnetwerk. Als we hightech apparaten gebruiken, dan liefst op een zo slim mogelijke manier.

Niet-elektrische energieopslag

Een derde reden waarom directe zonnestroom praktischer is dan het aanvankelijk lijkt, is dat sommige elektrische apparaten na zonsondergang kunnen worden gebruikt dankzij thermische energieopslag. Dat is veel goedkoper en duurzamer dan de opslag van elektrische energie. Thermische energieopslag is al redelijk ingeburgerd voor ruimte- en waterverwarmingssystemen, die door de zon verwarmd water opslaan in een geïsoleerde boiler of (alleen voor ruimteverwarming) in de gebouwschil. Het is geen verassing dat de Living Energy Farm zulke systemen heeft, en thermische zonne-energie zorgt ook voor warm water in mijn appartement.

Dezelfde aanpak werkt echter ook voor twee belangrijke huishoudelijke apparaten die na zonsondergang moeten werken en die bovendien erg veel elektriciteit verbruiken: de koelkast en het kookfornuis. In plaats van elektriciteit van een zonnepaneel op te slaan in een batterij om vervolgens na zonsondergang een koelkast of kookfornuis aan te drijven, maken deze apparaten op de Living Energy Farm gebruik van thermische isolatie. Die houdt de warmte binnen (in het geval van het kookfornuis) of buiten (in het geval van de koelkast) als er geen stroomtoevoer is. De thermische isolatie zorgt bovendien voor een zeer hoge energie-efficiëntie, waardoor elk van deze apparaten al kan werken op een zonnepaneel van slechts 100-200 watt.

Een koelkast op direct zonne-energie

Het is perfect mogelijk om een conventionele koelkast of vrieskast direct aan een zonnepaneel te koppelen, maar zo’n toestel zou ‘s nachts heel snel opwarmen. Zelfs koelkasten met de meest energie-efficiënte labels hebben een relatief beperkte isolatiedikte (meestal 2,5 cm). Als die isolatiedikte echter wordt verhoogd tot ongeveer 12,5 cm, dan daalt het energieverbruik van een koelkast met een factor vier. ¹² ¹³ De passieve koelcapaciteit van een koelkast kan verder worden verhoogd door toevoeging van thermische massa in de vorm van een waterreservoir binnenin het toestel. Overdag koelt het zonnepaneel het water of zet het om in ijs. ‘s Nachts vertraagt dit koude water of ijs de opwarming van de koelkast. ¹⁴

Een op directe zonnestroom werkende koelkast opent bovendien aan de bovenkant, niet aan de voorkant. Koude lucht is zwaar, en dus gaat er op die manier veel minder energie verloren als iemand de deur opent. Al deze ontwerpkeuze’s zorgen samen voor een spectaculaire energie-efficiëntie. Een studie van directe zonnekoelkasten in zeer zonnige regio’s (Texas en New Mexico, VS) liet zien dat ze hun koelcapaciteit behouden gedurende 6 of 7 dagen zonder stroomtoevoer. De apparaten functioneerden het hele jaar door met zonnepanelen van slechts 80W tot 120W. ¹⁵ De Living Energy Farm drijft haar zonnekoelkast aan met een paneel van 200W. ¹⁰

Afbeelding: De Sundanzer DDR165. Een koelkast speciaal ontworpen voor directe zonnestroom. Foto: Sundanzer.

In tegenstelling tot zonneverwarming is zonnekoeling optimaal afgestemd op seizoensgebonden variaties in zonnestraling. Koeling vraagt meer energie in de zomer, wanneer er meer zonne-energie is. De eerder vermelde koelkast in New Mexico registreerde een elektriciteitsverbruik van 406 watt-uur per dag in de zomer en slechts 230 watt-uur in de winter. ¹⁶ Bovendien kan de technologie worden ingezet in de hele koudeketen, waarvan de huishoudelijke koelkast slechts een klein (maar essentiëel) onderdeel van uitmaakt. Een andere toepassing is luchtkoeling, al is dit minder goed onderzocht en vormt het een grotere uitdaging. ¹⁷

Een kookfornuis op directe zonne-energie

Ook een conventioneel kookfornuis kan in principe rechtstreeks aan een zonnepaneel worden verbonden, maar net zoals bij een conventionele koelkast is dat niet zo praktisch. Je kan alleen overdag koken, en je moet erg veel zonnepanelen plaatsen. Eén enkele kookplaat heeft al gauw 1.000 watt elektrisch vermogen nodig. Een elektrische zonnekoker lost deze problemen op door de kookplaat in te pakken met thermische isolatie. De technologie is in feite een combinatie van een elektrische kookplaat en een hooikist.

Afbeelding: Test van een elektrische zonnekoker. Foto: California Polytechnic State University (Cal Poly).

Dankzij de thermische isolatie accumuleert een elektrische zonnekoker gedurende de dag langzaam warmte die dan na zonsondergang kan worden gebruikt om te koken. Op die manier kan een veel lagere stroomtoevoer voldoende zijn om hoge temperaturen te bereiken. Zie het als het “opladen” van je fornuis, niet met elektriciteit maar met warmte.

Onderzoekers van de Amerikaanse California Polytechnic State University (Cal Poly) bouwden het eerste elektrische zonnekooktoestel in 2015. Hun 12 volt apparaat, dat sindsdien verder is ontwikkeld, heeft slechts een zonnepaneel van 100W nodig om te werken. Het kookt een liter water in een uur. Met een volle dag zonlicht kunnen er bijna 5 kg bonen, rijst, stoofpot of aardappelen worden gekookt. ¹⁸

Koken na zonsondergang is mogelijk door het gebruik van een kookpot met een veel dikkere bodem (5-10 kg). Het onderzoeksteam van Cal Poly slaagde erin om de temperatuur van die solide warmteopslag op vijf uur tijd naar 250°C te brengen met een zonnepaneel van 100W. Vervolgens konden ze na zonsondergang een liter water koken in drie seconden. In een andere test roerbakten ze 1 kg groenten in twee minuten. De ideale configuratie bestaat uit twee kookpotten: één met en één zonder warmteopslag. Zo kan een elektrische zonnekoker zowel traag als snel koken, afhankelijk van het tijdstip en het gerecht. ¹⁹

Afbeelding: Het principe van een elektrische zonnekoker met solide warmteopslag. Tekening: California Polytechnic State University (Cal Poly).

Thermisch of elektrisch?

Net als water- en ruimteverwarmingssystemen op zonne-energie, kunnen koken en koelen zowel met als zonder elektriciteit werken – enerzijds met PV-panelen en anderzijds met thermische zonnecollectoren. Maar terwijl ruimte- en waterverwarming op zonne-energie kosten- en energie-efficiënter zijn zonder elektriciteit, is dat voor koelen en koken op zonne-energie net andersom.

Voor ruimte- en waterverwarming zijn relatief kleine temperatuurverschillen nodig, die kunnen worden geleverd door goedkope thermische zonnecollectoren van glasplaten en waterbuizen. Voor koeling en koken zijn daarentegen grotere temperatuurverschillen nodig, waarvoor meer geavanceerde (vacuümbuis- of parabolische) zonnecollectoren nodig zijn - en deze zijn duurder dan PV-panelen. ²⁰ ²¹

De enige uitzondering is een eenvoudige zonnekoker – een geïsoleerde doos met een glasplaat bovenaan – maar die kan niet zo’n hoge temperaturen behalen. Bovendien heeft een elektrische zonnekoker een aantal extra voordelen. Met een niet-elektrisch toestel moet je buiten koken, wat minder praktisch maar ook minder efficiënt is, zeker in de winter: een thermische zonnekoker verliest dan meer warmte aan de omgeving. Een elektrische zonnekoker is ook energie-efficiënter omdat hij aan alle kanten is geïsoleerd. Hij werkt bovendien beter bij bewolkt weer en kan na zonsondergang worden gebruikt. Op de Living Energy Farm wordt de parabolische zonnekoker alleen in optimale omstandigheden gebruikt – bij volle zon en hoge buitentemperaturen.

Wat zijn de technische uitdagingen?

Hoewel de Living Energy Farm al deze toepassingen van directe zonne-energie in de praktijk brengt, zijn er wel een aantal technische uitdagingen voor wie het voorbeeld wil volgen. Bijna al onze moderne technologie is ontworpen om met een stabiele en ononderbroken stroomtoevoer te werken. Dat hoeft niet zo te zijn, maar voorlopig vraagt directe zonnestroom meestal enig knutselwerk. Een directe zonne-installatie is veel makkelijker te bouwen dan een autonoom systeem met batterijen, maar er zijn vaak aanpassingen nodig aan de kant van de toestellen.

Sommige apparaten kunnen rechtstreeks op een zonnepaneel worden aangesloten: het volstaat om de positieve en negatieve contacten van het zonnepaneel en het apparaat met elkaar te verbinden. Bijvoorbeeld machines met een gelijkstroommotor verdragen grote schommelingen in de stroomtoevoer. De metaalwerkplaats en de landbouwmachines op de Living Energy Farm werken op deze manier. Als wolken de zon blokkeren, kan de gecombineerde elektrische belasting groter worden dan de stroomtoevoer van de zonnepanelen, maar dat stopt de machines niet. Alle motoren zullen vertragen omdat ze de beschikbare energie delen, maar ze blijven allemaal nuttig werk doen. ¹⁰ ²²

Hetzelfde geldt voor alle apparaten die werken op basis van resistieve verwarmingselementen, zoals waterkokers, kookplaten of elektrische verwarmingssystemen. Ze werken ongeacht het vermogen of de spanning, alleen langzamer of sneller. Een koelkast op directe zonne-energie werkt bij voorkeur op een variabele DC-compressor, die de snelheid kan aanpassen aan de wisselende zonnestroomproductie. ¹⁰ ²³

Veel andere apparaten hebben een specifieke en stabiele spanningsingang nodig, die meestal niet overeenkomt met wat het zonnepaneel produceert. Dit kan worden opgelost door een DC-DC converter (een “buck” of “boost” converter) tussen het zonnepaneel en het apparaat te plaatsen. Dit is een kleine elektronische module die de fluctuerende spanning van een zonnepaneel omzet in een constante uitgangsspanning voor een laagspanningsapparaat (5V, 12V of hoger). ²⁴

Afbeelding: Experimenten met directe zonnestroom. Foto: Marie Verdeil.

Gebruik je daarbij nog een omvormer, dan kunnen ook netstroomapparaten rechtstreeks op een zonnepaneel werken. ²⁵ DC-DC converters zijn essentieel voor alle toestellen die elektronische componenten bevatten. Dat is tegenwoordig voor heel veel apparaten het geval, inclusief toestellen, zoals wasmachines of koffiezetmachines, die tot voor kort zonder elektronica werkten. Dat geeft je vaak twee opties om dergelijke apparaten op directe zonnestroom te doen werken. Je kan ofwel een DC-DC converter plaatsen, ofwel het toestel aanpassen door de elektronica te omzeilen.

Doe-het-zelf handleidingen & commerciële apparaten

De meeste toepassingen van directe zonnestroom werken op laagspanning, zodat je er op een veilige manier zelf mee aan de slag kan. Binnenkort publiceert Lowtech Magazine hierover een handleiding. De Living Energy Farm maakt voor een aantal toepassingen echter gebruik van gelijkstroom met hogere voltages. Voorbeelden zijn de werktuigmachines in de metaalwerkplaats (90V) en een aantal krachtige elektrische zonnekokers (48V, 180V). Het is geen goed idee om deze systemen zelf te bouwen, omdat deze voltages tot dodelijke ongevallen kunnen leiden.

Wie zelf een (laagspanning) elektrische zonnekoker wil bouwen, vindt uitgebreide handleidingen bij zowel de Living Energy Farm als Cal Poly. ²⁶ De toestellen kunnen met eenvoudige materialen worden gemaakt. Het isolatiemateriaal moet brandbestendig zijn. Voorbeeldmaterialen zijn steenwol, glasvezel, natuurwol of klei.

Voor de verwarmingselementen kunnen verschillende technologieën woren gebruikt, maar het inbedden van nichroomdraden in cement is de eenvoudigste optie. Deze draden kunnen uit allerlei toestellen worden gehaald zoals broodroosters, ovens en kookplaten. In principe kunnen de verwarmingsdraden rechstreeks aan de kookpot worden bevestigd, maar het is praktischer om een verwarmd “nest” te maken waarin een pot kan worden geplaatst.

Afbeelding: Geïnspireerd door het werk van Cal Poly ontwikkelde de Living Energy Farm ook een aantal elektrische zonnekokers, waarvan ze er eentje [via hun website te koop aanbieden](https://livingenergylights.com/product/roxy-solar-electric-oven/). De Roxy Oven kan als kookplaat of als oven worden gebruikt, bijvoorbeeld voor het bakken van brood. De deur blijft ook gesloten als het toestel als kookplaat wordt gebruikt. Deze zonnekoker beschikt niet over energieopslag.

Afbeelding: De Roxy Oven zonder deur en met de glaswol isolatie zichtbaar. Het apparaat – gemaakt in de metaalwerkplaats met directe zonnestroom – werkt op 48V en vereist een zonnepaneel van 200 tot 500 watt. De Living Energy Farm biedt ook aan zonnekoelkast van Sunstar [online te koop aan](https://livingenergylights.com/product/sunstar-direct-drive-8-cuft-chest-style-refrigerator-freezer/).

Verkwist een direct zonepaneel energie?

De duurzaamheid van een zonnestroominstallatie hangt niet alleen af van de energie die nodig is om de infrastructuur te produceren en te onderhouden, maar ook van de energie die de zonnepanelen gedurende hun levensduur produceren. Sommige mensen zullen opwerpen dat het directe gebruik van zonne-energie op dat vlak minder goed scoort dan conventionele zonnestroominstallaties met netkoppeling of batterijen.

Immers, de stofzuiger, de wasmachine en de boormachine worden niet elke dag gebruikt, en als er geen elektrisch apparaat is aangesloten dan produceert een zonnepaneel ook geen stroom. Bijgevolg zal de hoeveelheid elektriciteit die het paneel produceert over de gehele levensduur dalen, terwijl de energie die nodig was om het paneel te fabriceren dezelfde blijft. Dat maakt de stroom van een direct zonnepaneel koolstofintensiever.

Omdat energieopslag in batterijen (of het netgekoppelde alternatief) zo’n groot deel uitmaakt van de totale geïnvesteerde energie, kan een op zichzelf staand zonnepaneel wel heel wat energie verspillen voordat het minder duurzaam wordt dan de tegenhanger met batterijopslag of netkoppeling.

Bovendien vermijdt het directe gebruik van zonne-energie de laad- en ontlaadverliezen die worden veroorzaakt door de batterijen, of de energieverliezen in de transmissie-infrastructuur voor netgekoppelde systemen. Beide moeten worden gecompenseerd door extra zonnepanelen. Daarbij verspillen zonnepanelen die zijn aangesloten op accu’s of het elektriciteitsnet ook stroom – een gevolg van het grote verschil in energieproductie tussen zomer en winter.

Directe zonnestroom maximaliseren met collectieve diensten

Niettemin is het belangrijk om de energieproductie van een direct zonnepaneel te maximaliseren. In die context is het nuttig even terug te keren naar het oorspronkelijke voorbeeldsysteem dat op mijn balkon staat. Directe zonnestroom zou een mooie aanvulling op dit systeem kunnen zijn, met name voor de koelkast en het kookfornuis. Het was omwille van deze apparaten dat ik in 2016 concludeerde dat het onmogelijk was om mijn appartement volledig van het elektriciteitsnet af te koppelen.

De Living Energy Farm laat evenwel zien dat het wel degelijk zou kunnen: er is plaats voor nog eens 200 watt aan zonnepanelen (4 x 50W) op het balkon, voldoende om zowel een thermisch geïsoleerde koelkast en kookplaat aan te drijven. Extra batterijcapaciteit zou niet nodig zijn.

Voor het gebruik van andere apparaten is directe zonnestroom in mijn geval echter weinig nuttig. Het zou niet erg efficiënt zijn om een extra zonnepaneel te plaatsen voor de wasmachine of de boormachine, omdat die maar af en toe worden gebruikt. Dit lijkt in de kaart te spelen van een “slim” elektriciteitsnet, omdat op die manier vele huishoudens van dezelfde zonnestroom gebruik kunnen maken – er is altijd wel iemand die kleren moet wassen of een gaatje moet boren.

Maar zo’n slim elektriciteitsnetwerk vereist wel heel wat infrastructuur, zelfs als er op die schaal gebruik zou worden gemaakt van directe zonnestroom. Er zijn dan wel geen batterijen of fossiele brandstoffen als backup nodig, maar wel een transmissie- en communicatieinfrastructuur.

Afbeelding: Een platenspeler op directe zonnestroom en een DC-DC converter. Foto: Marie Verdeil. [Bekijk de video](https://www.youtube.com/watch?v=_LjSigJv0-0).

De Living Energy Farm demonstreert een alternatieve oplossing: het gemeenschappelijk organiseren van huishoudelijke taken en werkzaamheden. In plaats van een collectief elektriciteitsnet dat energie verdeelt over vele indidviduele huishoudens, kunnen we ook collectieve diensten opzetten met een gedecentraliseerde energieproductie.

In de gemeenschappelijke werkplaats van de Living Energy Farm kan directe zonnestroom veel efficiënter worden ingezet dan in een individuele werkplaats die maar af en toe wordt gebruikt. Een collectief wassalon in elke straat zou ook veel efficiënter gebruik maken van directe zonnestroom. Bovendien besparen we zo heel veel energie op het bouwen van apparaten, en winnen we veel plaats.

Directe windstroom?

Deze strategie wordt nog belangrijker als we niet voor directe zonnestroom maar voor directe windstroom kiezen – of voor een combinatie van beide. De Living Energy Farm bevindt zich in een regio die veel zonniger is dan België of Nederland, maar in de Lage Landen is er wel meer wind.

Er is echter een belangrijk verschil tussen zonnestroom en windstroom. De efficiëntie van een zonnepaneel is niet afhankelijk van de grootte, wat zonnestroom ideaal maakt voor decentrale energieproductie. Daarentegen neemt de efficiëntie van een windturbine meer dan evenredig toe naarmate de rotordiameter groter wordt. Veel beter dan een windturbine per huishouden is dus een wat grotere windturbine voor een gemeenschap van huishoudens, bijvoorbeeld voor het aandrijven van een collectieve wasplaats of werkplaats.

De levensduur van loodzuuraccu’s hangt af van vele factoren. Als ze te diep worden ontladen of niet geregeld volledig worden opgeladen, kan de levensduur korter zijn dan drie jaar. Langs de andere kant kan een loodzuurbatterij die nauwelijks of niet wordt ontladen veel langer meegaan dan vijf jaar. De academische literatuur houdt het echter op 3 tot 5 jaar en dat is ook mijn ervaring met de batterijen die ik sinds 2016 heb gebruikt. Zie bijvoorbeeld: “Optimal Sizing and Life Cycle Assessment of Residential Photovoltaic Energy Systems With Battery Storage”, A. Celik, in “Progress in Photovoltaics: Research and Applications”, 2008. & “Energy pay-back time of photovoltaic energy systems: present status and prospects”, E.A. Alsema, in “Proceedings of the 2nd World Conference and Exhibition on photovoltaics solar energy conversion”, July 1998. ↩︎
De productie van een loodzuurbatterij (op basis van grotendeels gerecycleerde materialen) kost ongeveer 1 MJ energie per watt-uur opslagcapaciteit. Mijn 100 ampère-uur batterij komt overeen met een opslagcapaciteit van 1.200 watt-uur, en dus is de ingebedde energie gelijk aan 1.200 MJ. Over een levensduur van 30 jaar heb ik in het beste geval zes van deze batterijen nodig, dus 7.200 MJ in totaal. Bron: “Energy Analysis of Batteries in Photovoltaic systems. Part one (Performance and energy requirements)” and “Part two (Energy Return Factors and Overall Battery Efficiencies)” (PDF). Energy Conversion and Management 46, 2005. ↩︎
Er is niet veel onderzoek gebeurd naar de ingebedde energie van laadregelaars. De meest relevante data die ik vond is een waarde van 1 MJ per watt maximaal vermogen: Kim, Bunthern, et al. “Life cycle assessment for a solar energy system based on reuse components for developing countries.” Journal of cleaner production 208 (2019): 1459-1468. Voor een capaciteit van 120W (mijn laadregelaar heeft een maximaal vermogen van 10A x 12V = 120W) komt dat neer op 120 MJ. Voor de geschatte levensduur vond ik waarden van 7 en 12,5 jaar: dezelfde referentie als hierboven, alsook: Kim, Bunthern, et al. “Second life of power supply unit as charge controller in PV system and environmental benefit assessment.” IECON 2016-42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2016. Ik maakte daarom de berekening op een geschatte levensduur van 10 jaar. ↩︎
Nawaz, I., and G. N. Tiwari. “Embodied energy analysis of photovoltaic (PV) system based on macro-and micro-level.” Energy Policy 34.17 (2006): 3144-3152. Volgens deze veel geciteerde bron kost het 3,500 MJ om 1 m2 zonnepaneel te produceren. Mijn twee zonnepanelen samen meten 0,65 m2, wat neerkomt op een totale energiekost van 2.275 MJ. Een recentere literatuurstudie legt de energiekost voor de productie van verschillende types zonnepanelen op 1.034 tot 5.150 MJ/m2. De meest recente studies van silicon zonnepanelen in dit overzicht leggen de energiekost op ongeveer 1.000 MJ/m2, veel lager dan het cijfer dat ik gebruik. Zie: Ludin, Norasikin Ahmad, et al. “Prospects of life cycle assessment of renewable energy from solar photovoltaic technologies: A review.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 96 (2018): 11-28. ↩︎
Lithium-ion batterijen zijn een stuk duurder dan loodzuuraccu’s, maar in tegenstelling tot loodzuuraccu’s kunnen ze dieper worden ontladen (tot 15% van hun totale capaciteit) en hebben ze een langere levensduur (7 tot 10 jaar). Er zijn dus minder en kleinere batterijen nodig. Brengen we deze factoren in rekening, dan bedragen de levensduurkosten voor de batterij 750 euro, tegenover 1.020 euro voor de loodzuurbatterijen. Langs de andere kant vereisen lithium-ion batterijen een meer gesofistikeerde en duurdere laadregelaar: een 10A laadregelaar kost tussen de 200 en 600 euro, afhankelijk van de kwaliteit. Gaan we uit van een prijs van 400 euro voor de laadregelaar en een levensduur van 10 jaar voor zowel de batterij als de laadregelaar, dan is de batterijopslag goed voor 95% van de totale levensduurkosten (in totaal 2.070 euro, veel meer dan de totale kost voor het systeem met loodzuurbatterijen). Bronnen: https://www.lithiumion-batteries.com/products/product/12v-50ah-lithium-ion-battery & https://www.lithiumion-batteries.com/products/12v-lithium-ion-battery-chargers/ ↩︎
Hoewel de productie van een lithium-ion batterij meer energie kost dan de productie van een loodzuuraccu (1.4-1.9 MJ/Wh tegenover 1 MJ/Wh), wordt dit gecompenseerd door een langere levensduur en een grotere ontlaadcapaciteit. De energiekost van de lithium-ion batterijen over een levensduur van 30 jaar bedragen dan ongeveer 3.000 MJ, aanzienlijk minder dan een vergelijkbaar loodzuuraccu-systeem. Daartegenover staat een laadregelaar die een complexere elektronica bevat. Helaas is er geen data beschikbaar voor de energiekost van zo’n laadregelaar. Er zit dus niet anders op dan de energiekost te schatten op basis van de financiële kost, die vier tot twaalf keer duurder is dan een laadregelaar voor een loodzuurbatterij. Gaan we uit van een vier keer hogere kostprijs, dan stijgt de ingebedde energie van de laadregelaar naar 480 MJ, of 1.440 MJ over een periode van 30 jaar. De totale energiekost voor het systeem bedraagt dan 6.685 MJ, minder dan een vergelijkbaar systeem met loodzuurbatterijen. Daarvan is bijna 70% toe te wijzen aan de batterijopslag. ↩︎
Nikkel-ijzer batterijen zijn nog groter en zwaarder dan loodzuuraccu’s en ze hebben geregeld onderhoud nodig. Maar ze kunnen volledig worden ontladen en hebben een zeer lange levensduur (20 jaar). Bovendien kunnen ze worden gebruikt met dezelfde laadregelaars als loodzuuraccu’s. De levensduurkosten over 30 jaar voor de batterij zijn 750 euro, goedkoper dus dan de zes loodzuurbatterijen met een vergelijkbare capaciteit. De totale levensduurkosten voor een nikkel-ijzer batterijsysteem met 100W zonnepanelen bedragen 1.020 euro, waarvan 85% gaat naar energieopslag. Helaas zijn nikkel-ijzer batterijen moeilijk te vinden, zeker de kleinere modellen. Bronnen: https://beyondoilsolar.com/product/nickel-iron-battery-industrial-series/ & https://beyondoilsolar.com/product-category/batteries/nickel-iron/ ↩︎
Om precies te zijn zou de prijs van de zonnepanelen in een wat grotere zonnestroominstallatie in verhouding nog kleiner worden. Dat komt omdat zonnepanelen met kleine afmetingen (zoals 50W) in verhouding duurder zijn per watt piekcapaciteit dan zonnepanelen met meer conventionele afmetingen (vanaf 250W). Min of meer hetzelfde geldt voor de energiekost. ↩︎
https://livingenergyfarm.org ↩︎
Alexis Zeigler, de oprichter van de Living Energy Farm, schreef een boek over het project, dat integraal online staat: Empowering Communities. A Practical Guide to Energy Self Sufficiency and Stopping Climate Change. Het is ook op papier te bestellen. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Omdat er in het geval van directe zonnestroom niet voor elk apart systeem een laadregelaar nodig is, brengt het opsplitsen van een zonnestroominstallatie geen extra kosten of energieverbruik met zich mee. ↩︎
Onderzoek laat zien dat het verdubbelen van de isolatiedikte van 2,5 cm (standaardisolatie) naar 5 cm het jaarlijke elektriciteitsverbruik van een koelkast (50 liter inhoud) verlaagt van 250 naar 125 kilowattuur. ¹³ Met een isolatiedikte van 10 tot 12,5 cm halveert het elektriciteitsverbruik opnieuw tot ongeveer 60 kilowattuur per jaar. Nog dikkere isolatie brengt een kleinere reductie in het elektriciteitsverbruik en is niet langer aantrekkelijk omdat dikkere isolatie ook de kosten en de omvang van de koelkast doet toenemen. De studie betreft een door zonne-energie aangedreven AC koelkast die werkt dankzij een omvormer en een batterij, wat minder energie-efficiënt is dan een koelkast op directe zonnestroom. ↩︎
Gupta, B. L., Mayank Bhatnagar, and Jyotirmay Mathur. “Optimum sizing of PV panel, battery capacity and insulation thickness for a photovoltaic operated domestic refrigerator.” Sustainable Energy Technologies and Assessments 7 (2014): 55-67. ↩︎ ↩︎
Deze thermische massa kan letterlijk een container zijn met water die in het interieur van de koelkast wordt geplaatst. Of gewoon een aantal flessen drinkwater. Maar het water kan ook worden opgeslagen in reservoirs langs de zijkant van het apparaat, achter een binnenbekleding die ze op hun plaats houdt en aan het zicht onttrekt. Water heeft een hogere warmteopslagdichtheid dan lucht, waardoor de temperatuur langer stabiel blijft. ↩︎
Ewert, M., et al. “Photovoltaic direct drive, battery-free solar refrigerator field test results.” Proceedings of the solar conference. American solar energy society; American institute of architects, 2002. ↩︎ ↩︎
Dit voordeel geldt alleen als de koelkast in een onverwarmde ruimte staat opgesteld. De moderne gewoonte om een koelkast in een verwarmde keuken te plaatsen terwijl de buitentemperatuur ‘s winters gelijk of lager is dan die in de koelkast, is uiteraard absurd verspillend. Maar dit voordeel is evenmin geldig in tropische landen, waar de temperatuur het hele jaar door hoog is. ↩︎
Het gebruik van directe zonnestroom voor ruimtekoeling is niet zo grondig geanalyseerd als voor huishoudelijke koelkasten. Zie: Luerssen, Christoph, et al. “Life cycle cost analysis (LCCA) of PV-powered cooling systems with thermal energy and battery storage for off-grid applications.” Applied energy 273 (2020): 115145. Bovendien is het onwaarschijnlijk dat er even grote energiebesparingen mee kunnen worden bereikt. Een koelkast is altijd geïsoleerd, maar in het geval van een luchtgekoelde ruimte of gebouw is dat niet noodzakelijk het geval. Bovendien staat een koelkast opgesteld in een ruimte waar een stabiele temperatuur heerst. Een gebouw is onderhevig aan grotere temperatuurschommelingen en kan ook worden opgewarmd door directe zonnestraling. Luchtkoeling op directe zonnestroming is dus een stuk ingewikkelder. Zie: Qi, Ronghui, Lin Lu, and Yu Huang. “Parameter analysis and optimization of the energy and economic performance of solar-assisted liquid desiccant cooling system under different climate conditions.” Energy conversion and management 106 (2015): 1387-1395. ↩︎
Solar Electric Cooking, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Zie ook deze PowerPoint van dezelfde auteur. ↩︎
Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. Zie ook deze video. ↩︎
Zie: Ferreira, Carlos Infante, and Dong-Seon Kim. “Techno-economic review of solar cooling technologies based on location-specific data.” International Journal of Refrigeration 39 (2014): 23-37. ///// Riffat, James, et al. “Development and testing of a PCM enhanced domestic refrigerator with use of miniature DC compressor for weak/off grid locations.” International Journal of Green Energy 19.10 (2022): 1118-1131. ///// Du, Wenping, et al. “Dynamic energy efficiency characteristics analysis of a distributed solar photovoltaic direct-drive solar cold storage.” Building and Environment 206 (2021): 108324. ///// Alsagri, Ali Sulaiman. “Photovoltaic and photovoltaic thermal technologies for refrigeration purposes: an overview.” Arabian journal for science and engineering 47.7 (2022): 7911-7944. ↩︎
Of dat ook geldt voor het ingebedde energieverbruik, is niet duidelijk. Er is weinig onderzoek verricht naar de ingebedde energie van gesofistikeerde zonnecollectoren. ↩︎
In beide gevallen is het wel nodig om de schakelaar van het apparaat te omzeilen, omdat DC elektriciteit schakelaars meer verhit dan AC elektriciteit. In de plaats daarvan kan een geschikte externe schakelaar uitkomst bieden, maar daarmee omzeil je wel het veiligheidsmechanisme van het apparaat, wat uiteraard een risico inhoudt. ¹⁰ Opnieuw, dit hoeft niet zo te zijn: het is technisch perfect mogelijk om apparaten te maken die geschikt zijn voor directe zonnestroom. ↩︎
Een compresser met een constante snelheidsaandrijving kan slechts 50% van de geproduceerde zonnestroom nuttig gebruiken, terwijl een compressor met een variabele snelheidsaandrijving ongeveer 75% nuttig gebruikt. ¹⁵ Een condensator is nodig om de compressor van een energieboost te voorzien tijdens de startfase. ↩︎
In plaats van een DC-DC converter kan je ook een kleine “bufferbatterij” en laadregelaar plaatsen. Net zoals een DC-DC converter zal de laadregelaar een stabiel uitgangsvoltage garanderen. Bovendien kan de kleine batterij een beperkte energieopslag bieden die nuttig kan zijn om korte pieken in het energieverbruik op te vangen. Sommige apparaten hebben bijvoorbeeld een stroompiek bij het opladen. Het nadeel van een bufferbatterij is dat de kosten en de ingebedde energie toenemen, en dat er extra componenten stuk kunnen gaan. Een condensator is een alternatieve technologie om stroompieken op te vangen. ↩︎
Het gebruik van laagspanning gelijkstroom apparaten is echter een stuk energie-efficiënter omdat ook zonnepanelen laagspanning gelijkstroom produceren: https://www.lowtechmagazine.be/2016/02/zonne-energie-installatie-op-dc-gelijkstroom.html ↩︎
Insulated Solar Cooker Construction Manual, Living Energy Farm. Insulated solar electric cooker manual, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Roxy Oven Manual, Living Energy Farm. Videopresentatie handleiding zonnekokers, Alexis Zeigler, Living Energy Farm. Video handleiding voor het maken van verwarmingsdraden. Energieopslag: Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. Also see this video. ↩︎

Kan het licht even uit? Naar een nieuwe definitie van energiezekerheid

Sun, 09 Dec 2018 00:00:00 +0000

Het is onmogelijk om een constante voorraad aan te houden van iets dat eindig is. Foto: [Camilla MP](https://www.flickr.com/photos/dieknochenblume/8454004839/in/photolist-nJrNa3-z9St6d-vicpX8-bjNYMa-CNWajb-PKUbFu-8TqWZX-qzaoch-r3Gb3J-28jYUV3-p3gMD1-snwVj-2chyArN-4ehCVH-cWuLz-dT3Z78-pnFKK9-5qGDSP-hxU2d7-24uoKVs-f7CoCe-93ZqZQ-jPMVaK-T4yoN-4HiX59-97Kq68-23hFdSw-jE59uD-9aFpr7-68DbEo-NvymKZ-335BtT-8RtT65-a6Jut4-nt2zNy-qrkSGP-HPM9ee-bcdyA2-5Fy731-FGSpvq-eqKSpH-8jGFmq-qcFSw4-6USSog-dJEYby-jk3JQ2-7BMzWV-jetX2F-hLnHJy-5SHzAW).

Naarmate een samenleving voor haar dagelijks functioneren meer afhankelijk is van energiebronnen, wordt zij kwetsbaarder als de energievoorziening wordt onderbroken. Dit voor de hand liggende feit wordt genegeerd in de huidige strategieën om energiezekerheid te bereiken, waardoor ze contraproductief zijn.

Wat is energiezekerheid?

Wat betekent het voor een samenleving om “energiezekerheid” te hebben? Hoewel er meer dan veertig verschillende definities van het begrip bestaan, hebben die allemaal het fundamentele criterium gemeen dat het energieaanbod altijd aan de energievraag moet voldoen. Dit houdt ook in dat de energievoorziening constant moet zijn - er mogen geen onderbrekingen zijn in de dienstverlening. ¹²³⁴

Zo definieert het Internationaal Energieagentschap (IEA) energiezekerheid als “de ononderbroken beschikbaarheid van energiebronnen tegen een betaalbare prijs”. Het Amerikaanse Ministerie van Energie en Klimaatverandering (DECC) definieert het begrip als “de risico’s van onderbreking van de energievoorziening zijn gering”. De EU heeft het over “een stabiele en overvloedige energievoorziening”. ⁵⁶⁷

Historisch gezien werd energiezekerheid bereikt door de toegang tot bossen of veengebieden veilig te stellen voor thermische energie, en tot menselijke, dierlijke, wind- of waterkrachtbronnen voor mechanische energie. Met de komst van de industriële revolutie werd de energiezekerheid afhankelijk van de aanvoer van fossiele brandstoffen.

Als theoretisch concept houdt energiezekerheid het nauwst verband met de oliecrisissen van de jaren 1970, toen door embargo’s en prijsmanipulaties de olietoevoer naar de westerse landen werd beperkt. Als gevolg daarvan leggen de meeste geïndustrialiseerde samenlevingen nog steeds olievoorraden aan die overeenkomen met enkele maanden verbruik.

Hoewel olie voor industriële economieën nog steeds even essentieel is als in de jaren zeventig, vooral voor vervoer en landbouw, wordt nu erkend dat energiezekerheid in moderne samenlevingen ook afhangt van andere infrastructuren, zoals die voor de levering van gas, elektriciteit en recenter ook data.

Bovendien zijn deze infrastructuren in toenemende mate onderling verbonden en afhankelijk van elkaar. Gas is bijvoorbeeld een belangrijke brandstof voor de elektriciteitsproductie, terwijl het elektriciteitsnet nodig is om gaspijpleidingen te laten werken. Stroomnetwerken zijn nodig om datanetwerken te laten functioneren, en datanetwerken zijn nu nodig om stroomnetwerken te laten functioneren.

Stroomnetten zijn nodig om datanetwerken te laten werken, en datanetwerken zijn nodig om stroomnetten te laten werken.

Dit artikel onderzoekt het concept van energiezekerheid door te focussen op het elektriciteitsnet, dat even essentieel is geworden voor industriële samenlevingen als olie. Bovendien wordt elektrificatie gezien als een manier om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen - denk aan elektrische voertuigen, warmtepompen en windturbines.

De “veiligheid” of “betrouwbaarheid” van een elektriciteitsnet kan nauwkeurig worden gemeten aan de hand van continuïteitsindicatoren zoals de “Loss-of-Load Probability” (LOLP), en de “System Average Interruption Duration Index” (SAIDI). Uit deze indicatoren kan alleen maar worden geconcludeerd dat de elektriciteitsnetten in industriële samenlevingen zeer betrouwbaar zijn.

In Duitsland bijvoorbeeld is stroom gedurende 99,996% van de tijd beschikbaar, wat overeenkomt met een onderbreking van minder dan een half uur per klant per jaar. ⁸ Zelfs de slechtst presterende landen in Europa (Letland, Polen, Litouwen) hebben een voorzieningstekort van slechts acht uur per klant per jaar, wat overeenkomt met een betrouwbaarheid van 99,90%. ⁸ Het Amerikaanse elektriciteitsnet zit tussen deze waarden in, met onderbrekingen in de bevoorrading van minder dan vier uur per klant per jaar (99,96% betrouwbaarheid). ⁹

Hoe betrouwbaar is een netwerk voor hernieuwbare energie?

Bij de huidige werking van infrastructuren is het paradigma dat consumenten toegang kunnen en moeten hebben tot zoveel elektriciteit, gas, olie, data of water als ze willen, wanneer ze het willen, zolang ze het willen. De enige vereiste is dat zij de rekening betalen. Wat de energiesector betreft, is deze visie op energiezekerheid om verschillende redenen problematisch.

Ten eerste zijn de meeste energiebronnen waaruit elektriciteit wordt gemaakt eindig - en het is onmogelijk om een constante aanvoer te handhaven van iets dat eindig is. Op de lange termijn is de strategie om de energievoorziening veilig te stellen gedoemd te mislukken. Op kortere termijn kan zij het klimaat verstoren en gewapende conflicten uitlokken.

Het Internationaal Energieagentschap (IEA), dat werd opgericht na de eerste oliecrisis in het begin van de jaren zeventig, moedigt het gebruik van hernieuwbare energiebronnen aan om de energievoorziening te diversifiëren en de energiezekerheid op lange termijn te verbeteren. Een systeem van hernieuwbare energie is niet afhankelijk van de invoer van buitenlandse energie en is evenmin kwetsbaar voor manipulaties van de brandstofprijzen - de grootste zorgen in een energie-infrastructuur die grotendeels op fossiele brandstoffen is gebaseerd.

Natuurlijk hebben zonnepanelen en windturbines een beperkte levensduur en moeten ze worden geproduceerd, waarvoor ook grondstoffen nodig zijn die uit het buitenland kunnen komen of die uitgeput kunnen raken. Maar zodra ze geïnstalleerd zijn, zijn systemen voor hernieuwbare energie “betrouwbaar” op een manier en voor een periode die fossiele brandstoffen (en atoomenergie) niet zijn.

Hernieuwbare energiebronnen vormen fundamentele uitdagingen voor het huidige begrip van energiezekerheid

Voorts bieden zonne- en windenergie meer zekerheid wat fysieke defecten of sabotage betreft, des te meer wanneer de productie van hernieuwbare energie gedecentraliseerd is. Hernieuwbare energiecentrales hebben ook een lagere CO2-uitstoot, en de extreme weersomstandigheden ten gevolge van de klimaatverandering vormen eveneens een risico voor de energiezekerheid.

Ondanks al deze voordelen vormen hernieuwbare energiebronnen echter fundamentele uitdagingen voor het huidige begrip van energiezekerheid. Het belangrijkste is dat de hernieuwbare energiebronnen met het grootste potentieel - zon en wind - afhankelijk zijn van het weer en de seizoenen. Dit betekent dat zonne- en windenergie niet voldoen aan het criterium dat in alle definities van energiezekerheid als essentieel wordt beschouwd: de behoefte aan een ononderbroken, onbeperkte toevoer van stroom.

Foto: [Eduard Bezembinder](https://www.flickr.com/photos/bezembinder/3560945758/in/photolist-6qEM7w-7urQui-iSeKZ-8VjqeD-dUgKQ-e4ybCy-eke2Zk-ekeCdc-eke4NV-qBE1z-6Dfw5n-68EJKh-ekk6Rs-qBE2V-NqkS-oWp8Du-psYQc1-pCDop-5JSFFH-9fr321-oguPbE-6pZ6MT-dZ9YLx-vhpHJb-3oeLdu-69J2h1-7hatWp-d26CpQ-27dVzAC-5BEpZz-sUBfz-7B8zeq-HkygG-bHhG5R-2UoYjD-bRCZnx-o1e2oL-4LcBmy-69vhwD-ekz9ec-bLqreV-5jtvAp-2GUCLK-GpCny7-s36gn-dy6aBU-8moRHP-8rrRxd-5BJJyC-8KdmGR).

De betrouwbaarheid van een elektriciteitsnet met een hoog aandeel zonne- en windenergie zou aanzienlijk lager zijn dan de huidige normen voor continuïteit van de dienstverlening. ¹⁰¹¹¹²¹³¹⁴ In een dergelijk hernieuwbaar elektriciteitsnet kan een 24/7 elektriciteitsvoorziening alleen tegen zeer hoge kosten worden gehandhaafd, omdat daarvoor een uitgebreide infrastructuur voor energieopslag, elektriciteitstransmissie en overtollige opwekkingscapaciteit nodig is.

Deze extra infrastructuur dreigt een hernieuwbaar elektriciteitsnet contraproductief te maken, omdat boven een bepaalde drempel de fossiele energie die nodig is voor het bouwen, installeren en onderhouden van deze infrastructuur hoger wordt dan de fossiele energie die wordt bespaard door de zonnepanelen en de windturbines.

Hernieuwbare energiebronnen zoals wind en zon hebben ook voordelen die in de huidige definities van energiezekerheid niet aan bod komen

Een wisselend energieaanbod is niet het enige nadeel van hernieuwbare energiebronnen. Hoewel veel media en milieuorganisaties een beeld hebben geschetst van zonne- en windenergie als overvloedige energiebronnen (“De zon levert in een uur meer energie aan de aarde dan de wereld in een jaar verbruikt”), is de werkelijkheid complexer.

Het aanbod van zonne- (en windenergie) is inderdaad enorm. Maar om deze energie in een bruikbare vorm om te zetten, vereisen zonnepanelen en windturbines door hun zeer lage vermogensdichtheid veel meer ruimte en materialen in vergelijking met thermische energiecentrales - zelfs als de winning en distributie van fossiele brandstoffen wordt meegerekend. ¹⁵ Daarom kan een netwerk voor hernieuwbare energie niet garanderen dat de consumenten toegang hebben tot zoveel elektriciteit als zij willen, zelfs als de weersomstandigheden optimaal zijn.

Hoe betrouwbaar is een autonoom stroomsysteem?

Het huidige energiebeleid met betrekking tot elektriciteit probeert drie doelstellingen met elkaar te verzoenen: een ononderbroken en onbeperkte stroomvoorziening, betaalbaarheid van de elektriciteitsprijzen, en milieuduurzaamheid.

Een elektriciteitsnet dat hoofdzakelijk gebaseerd is op fossiele brandstoffen en atoomenergie kan de doelstelling van milieuduurzaamheid niet verwezenlijken, en het kan de andere doelstellingen alleen verwezenlijken zolang buitenlandse leveranciers de leveringen niet stopzetten of de energieprijzen niet verhogen (of zolang de nationale of internationale reserves niet uitgeput raken).

Een netwerk voor hernieuwbare energie kan deze drie doelstellingen echter evenmin met elkaar verzoenen. Om een onbeperkte 24/7 stroomvoorziening te bereiken, moet de infrastructuur overgedimensioneerd zijn, wat contraproductief werkt. Zonder die infrastructuur zou een netwerk voor hernieuwbare energie betaalbaar en duurzaam kunnen zijn, maar het zou nooit een onbeperkte 24/7-levering van energie kunnen bieden.

Als we dus een betaalbare en duurzame energie-infrastructuur willen, moeten we het concept energiezekerheid herdefiniëren - en het criterium van een onbeperkte en ononderbroken energievoorziening in vraag stellen.

Als we verder kijken dan de typische grootschalige centrale infrastructuren in industriële samenlevingen, wordt het duidelijk dat niet alle voorzieningssystemen een onbeperkte toevoer van hulpbronnen bieden. Microgeneratie - de lokale productie en opslag van elektriciteit met behulp van batterijen en fotovoltaïsche panelen - is hiervan een voorbeeld.

In principe kunnen off-the-grid-systemen zo worden gedimensioneerd dat zij het aanbod altijd kan voldoen aan de vraag. Dit kan gebeuren door de “slechtste-maand-methode” te volgen, waarbij de opwekkings- en opslagcapaciteit zo wordt overgedimensioneerd dat het aanbod zelfs tijdens de kortste en donkerste dagen van het jaar aan de vraag kan voldoen.

Het op elk moment afstemmen van het aanbod op de vraag maakt een autonoom systeem zeer duur, vooral in een klimaat met een hoog seizoensgebonden karakter

Maar net als in een denkbeeldig grootschalig hernieuwbaar elektriciteitsnet maakt het afstemmen van het aanbod op de vraag op elk moment een off-the-grid systeem zeer duur, vooral in een klimaat met een hoog seizoensgebonden karakter. ¹⁶¹⁷¹⁸ Daarom worden de meeste off-the-grid systemen gedimensioneerd volgens een methode die streeft naar een compromis tussen betrouwbaarheid, economische kosten en duurzaamheid. De “loss-of-load probability sizing method” specificeert een aantal dagen per jaar dat het aanbod niet overeenkomt met de vraag. ¹⁹²⁰²¹ Met andere woorden, de dimensionering van het systeem is niet alleen gebaseerd op de verwachte energiebehoefte, maar ook op het beschikbare budget en/of de beschikbare ruimte.

Beeld: [Stephen Yang / The Solutions Project](https://www.flickr.com/photos/149368236@N06/33068752693/in/photolist-Sob15v-bBnpyx-keyKG-cuaVX3-nuP1zk-U2eVh7-cuaWEf-pskKMf-cuaswE-p27cJW-cu9SQu-cuaMky-mCLFCt-ajiCfB-4AFrsp-943usV-TyoqrN-pu9HK-erKVcJ-aYHgDT-7zrUXc-tQv77b-6xot6g-baF4gg-Xjymka-qHgAkg-ii2jys-9eD7tj-9fJDFi-Ge2Mn-guUowg-amvdKB-cvDZ15-79wfLn-c6XjSS-ddFjjF-9KYuQV-8Zp8z6-guV3wK-9P1nHp-q5c2cz-9RCRVu-cD8w4d-9YDNzC-7ehy1e-4obYkG-8tkNMS-cvDZru-4obYtN-23Aqhr).

Het op deze manier dimensioneren van een autonoom energiesysteem levert aanzienlijke kostenbesparingen op, zelfs als de “betrouwbaarheid” maar een klein beetje afneemt. Een berekening voor een off-the-grid huis in Spanje laat bijvoorbeeld zien dat het verlagen van de betrouwbaarheid van 99,75% naar 99,00% een kostenreductie van 60% oplevert, met vergelijkbare voordelen voor duurzaamheid. De levering zou 87,6 uur per jaar worden onderbroken, vergeleken met 22 uur in het systeem met de hogere betrouwbaarheid. ¹⁶

Volgens het huidige begrip van energiezekerheid zijn off-the-grid energiesystemen die op deze manier zijn gedimensioneerd een mislukking: het energieaanbod voldoet niet altijd aan de energievraag. De gebruikers van die systemen lijken echter niet te klagen over een gebrek aan energiezekerheid, integendeel. Daar is een eenvoudige reden voor: ze passen hun energievraag aan een beperkt en wisselend stroomaanbod aan.

In het boek Off-the-Grid: Re-Assembling Domestic Life (2015) documenteren Phillip Vannini en Jonathan Taggart hun reis door Canada waarbij ze de leden van ongeveer 100 off-the-grid huishoudens interviewen. ²² Hun belangrijkste observaties zijn dat deze mensen over het algemeen minder elektriciteit gebruiken, en dat ze routinematig hun energievraag aanpassen aan het weer en de seizoenen.

De gebruikers van autonome energiesystemen gebruiken over het algemeen minder elektriciteit en passen hun energiebehoefte aan het weer en de seizoenen aan.

Wasmachines, stofzuigers, elektrisch gereedschap, broodroosters of videogameconsoles worden bijvoorbeeld helemaal niet gebruikt, of ze worden alleen gebruikt tijdens perioden van overvloedige energie, wanneer de batterijen vol zijn. Als het bewolkt is, passen off-gridders hun gedrag aan om minder stroom te verbruiken en wat meer over te houden voor de volgende dag.

Vannini en Taggart merken ook op dat vrijwillige off-gridders tevreden lijken te zijn met niveaus van verlichting of verwarming die afwijken van de normen die velen in de westerse wereld nu evident vinden. Vaak uit zich dat in het concentreren van activiteiten rond meer lokale warmte- en lichtbronnen. ²²

Vergelijkbare waarnemingen kunnen worden gedaan op plaatsen waar mensen - onvrijwillig - afhankelijk zijn van infrastructuren die niet altijd werken. Als er in minder geïndustrialiseerde landen gecentraliseerde water-, elektriciteits- en datanetwerken aanwezig zijn, worden deze vaak gekenmerkt door regelmatige en onregelmatige onderbrekingen in de toevoer. ²³²⁴²⁵ Ondanks de zeer geringe betrouwbaarheid van deze infrastructuren - volgens de gangbare indicatoren van continuïteit - gaat het leven echter gewoon door.

De dagelijkse gang van zaken in het huishouden wordt bepaald door onderbrekingen van de voorziening, die worden geaccepteerd als onderdeel van het leven. Als elektriciteit, water of internet bijvoorbeeld alleen op bepaalde tijdstippen van de dag beschikbaar zijn, worden de huishoudelijke taken of andere activiteiten dienovereenkomstig gepland. Mensen gebruiken ook minder energie in het algemeen: de infrastructuur laat eenvoudigweg geen levensstijl toe die veel energie verbruikt. ²³

Meer betrouwbaarheid, minder zekerheid?

De zeer hoge “betrouwbaarheid” van de elektriciteitsnetten in industriële samenlevingen wordt gerechtvaardigd door de berekening van de “Value of Lost Load” (VOLL), waarbij het financiële verlies als gevolg van stroomtekorten wordt afgezet tegen de extra investeringskosten om deze tekorten te vermijden. ¹¹⁰²⁶²⁷²⁸²⁹ Deze waarde is echter sterk afhankelijk van de wijze waarop de samenleving is georganiseerd. Hoe meer zij afhankelijk is van elektriciteit, hoe hoger de financiële verliezen als gevolg van stroomtekorten zullen zijn.

In de huidige definities van energiezekerheid worden vraag en aanbod los van elkaar gezien, en ligt de nadruk bijna volledig op het veiligstellen van de energievoorziening (het aanbod). Alternatieve vormen van energie-infrastructuur zoals hierboven beschreven laten echter zien dat mensen zich aanpassen en hun verwachtingen afstemmen op een stroomvoorziening die beperkt is en niet altijd werkt. Met andere woorden, de energiezekerheid kan niet alleen worden verbeterd door de betrouwbaarheid van het aanbod te vergroten, maar ook door de afhankelijkheid van energie te verminderen.

Beeld: Opslagterminal voor aardgas. [Jason Woodhead](https://www.flickr.com/photos/woodhead/7150825737/in/photolist-bTTRmV-85JomL-jysSQn-fw7gTZ-5Jkm2T-eDueWy-ohYc4x-fFxZCm-eD8VG8-eDfhqy-8pCnxZ-qPTdqx-22WNtVf-fFybmb-fFxRVG-fFyhCf-mGNU1p-24mDPG2-8efS2s-fFguSX-nN4pMi-fFgpjT-6br69i-hVGdgU-9DSQQ5-cDwVt-EqVP-dp7vJX-fwmwQh-oHAfHH-fFy6QS-fFgvS8-aaCofJ-fFxW5L-agEkAL-eDfonE-fFgrrn-eD9m9a-PLLffy-fFggcX-fFgka6-nRdzs-fFgwFH-88JrU8-nN4epz-2atchc9-nN523B-24mDNL4-2atciAb-GFzRM).

Vraag en aanbod zijn ook in 24/7-elektriciteitssystemen met elkaar verbonden en beïnvloeden elkaar wederzijds - maar met het tegenovergestelde effect. Net zoals “onbetrouwbare” elektriciteitsinfrastructuren een levensstijl in de hand werken die minder afhankelijk is van elektriciteit, bevorderen “betrouwbare” infrastructuren een levensstijl die steeds afhankelijker wordt van elektriciteit.

Industriële samenlevingen met “betrouwbare” elektriciteitsnetten zijn in feite het zwakst en het meest kwetsbaar bij onderbrekingen in de toevoer.

In hun boek uit 2018, Infrastructures and Practices: the Dynamics of Demand in Networked Societies, betogen Olivier Coutard en Elizabeth Shove dat een onbeperkte en ononderbroken stroomvoorziening mensen in industriële samenlevingen in staat heeft gesteld een veelheid aan stroomafhankelijke technologieën te gebruiken - zoals wasmachines, airconditioners, koelkasten, automatische deuren of 24/7 mobiele internettoegang - die “normaal” zijn geworden en centraal staan in het dagelijks leven.

Tegelijkertijd zijn alternatieve manieren om dingen te doen - zoals kleren wassen met de hand, voedsel bewaren zonder elektriciteit, koel blijven zonder airconditioning, of navigeren en communiceren zonder mobiele telefoons - vergeten, of bezig te verdwijnen. ³⁰

Het gevolg is dat de energiezekerheid in feite groter is in off-the-grid energiesystemen en “onbetrouwbare” centrale energie-infrastructuren, terwijl de industriële samenlevingen het zwakst en het kwetsbaarst zijn bij onderbrekingen van de voorziening. Wat algemeen wordt aangenomen als een bewijs van energiezekerheid - een onbeperkte en ononderbroken stroomvoorziening - maakt industriële samenlevingen juist kwetsbaarder voor onderbrekingen in de voorziening. Het ontbreekt de mensen steeds meer aan de vaardigheden en de technologie om te kunnen functioneren zonder een continue stroomvoorziening.

Een nieuwe definitie van energiezekerheid

Om tot een nauwkeuriger definitie van energiezekerheid te komen, moet het concept anders worden gedefinieerd. Niet in termen van kilowattuur elektriciteit, maar in termen van energiediensten, sociale praktijken, of basisbehoeften. ¹ Mensen hebben op zichzelf geen elektriciteit nodig. Wat zij nodig hebben, is manieren om voedsel te bewaren, kleding te wassen, deuren te openen en sluiten, met elkaar te communiceren, zich van de ene plaats naar de andere te begeven, te zien in het donker, enzovoort. Al deze dingen kunnen worden bereikt met of zonder elektriciteit, en in het eerste geval met meer of minder elektriciteit.

Op deze manier gedefinieerd gaat energiezekerheid niet alleen over het veiligstellen van de elektriciteitsvoorziening, maar ook over het verbeteren van de veerkracht van de samenleving, zodat die minder afhankelijk wordt van een continue stroomtoevoer.

Dit omvat de veerkracht van mensen (hebben zij de vaardigheden om dingen te doen zonder elektriciteit?), de veerkracht van apparaten en technologische systemen (kunnen zij omgaan met een wisselende stroomvoorziening?), en de veerkracht van instellingen (is het legaal om een elektriciteitsnet te exploiteren dat niet altijd werkt?). Afhankelijk van de veerkracht van de samenleving kan een onderbreking van de stroomvoorziening al dan niet leiden tot een onderbreking van energiediensten of sociale praktijken.

Hoewel ons voedseldistributiesysteem bijvoorbeeld afhankelijk is van een koudeketen die een continue stroomtoevoer vereist, zijn er tal van alternatieven. We zouden koelkasten kunnen aanpassen aan een onregelmatige stroomvoorziening door ze veel beter te isoleren, we zouden koelkelders (die voedsel vers houden zonder elektriciteit) opnieuw kunnen introduceren, of we zouden oudere methoden van voedselopslag, zoals fermentatie, kunnen stimuleren.

We zouden ook de vaardigheden van mensen op het gebied van vers koken kunnen verbeteren, we zouden kunnen overschakelen op diëten die gebaseerd zijn op ingrediënten die niet gekoeld hoeven te worden bewaard, en we zouden mensen kunnen aanmoedigen om dagelijkse boodschappen te doen in de buurt in plaats van een wekelijkse rit naar de grote supermarkt.

Om de energiezekerheid te verbeteren, moeten we de infrastructuur minder betrouwbaar maken.

Als we de energiezekerheid op een meer holistische manier bekijken, waarbij we rekening houden met zowel vraag als aanbod, wordt het snel duidelijk dat de energiezekerheid in industriële samenlevingen blijft verslechteren. We blijven steeds meer taken delegeren aan machines, computers en grootschalige infrastructuren, waardoor onze afhankelijkheid van elektriciteit alleen maar toeneemt.

Bovendien wordt het internet net zo essentieel als het elektriciteitsnet, en trends zoals cloud computing, het Internet of Things en genetwerkte auto’s zijn allemaal gebaseerd op verschillende onderling verbonden lagen van continu werkende infrastructuren.

Een in onbruik geraakte hoogspanningslijn. [Miura Paulison](https://www.flickr.com/photos/paulisson_miura/10318768955/in/photolist-gHQovz-kCLi9r-82pqq6-f4539G-6i3Aih-5m5G9b-6RkZvr-6V6k85-2b9wdNP-4DvxJx-WfvmJT-5CGLgF-5C1ojh-eANWrM-kjDG4Z-9QKWz-DnnTH9-ntvKWL-82sxbf-UssMS3-deJRBD-d6qh1S-5C1ooU-tkcYLj-MpbqCB-84zF9u-5CM5d7-5CM51J-82ppX6-a1H2sr-Rd9o59-a1LEed-6W3He9-VCD56X-bg3vgT-5BW5CT-82sxDb-2b1hTxi-6hpZ1g-8d19tj-qm9Cy-cgpx3-gszM15-eANtbt-MpbCWK-98h2dj-7HyrGe-5md8aD-d9fLdq-2cyGoSv).

Omdat vraag en aanbod elkaar beïnvloeden, komen we tot een contra-intuïtieve conclusie: om de energiezekerheid te verbeteren, moeten we het elektriciteitsnet minder betrouwbaar maken. Dit zou veerkracht en substitutie aanmoedigen, en zo industriële samenlevingen minder kwetsbaar maken voor onderbrekingen in de voorziening.

Coutard en Shove stellen dat “het zinvol zou zijn meer aandacht te besteden aan innovatiekansen die ontstaan wanneer grote netwerksystemen worden verzwakt en verlaten, of wanneer ze minder betrouwbaar worden”. Zij voegen daaraan toe dat de ervaringen van vrijwillige off-gridders “enig inzicht verschaffen in de soorten configuraties waar het om gaat”. ³⁰

Pleiten voor een minder betrouwbare stroomvoorziening zal zeker controversieel zijn. “Het licht laten branden” is een uitdrukking die vaak wordt gebruikt om energiehervormingen te rechtvaardigen, zoals het bouwen van meer atoomcentrales, of het in bedrijf houden van deze centrales na hun geplande levensduur.

Om echte energiezekerheid te bereiken zou “het licht laten branden” vervangen moeten worden door uitdrukkingen als “een aantal lichten laten branden”, “welke lichten kunnen we nu uitdoen?”, of “wat is er mis met een beetje meer donker?”. ³¹

Uiteraard zou een minder betrouwbare energievoorziening fundamentele veranderingen in routines en technologieën.

Dit artikel is oorspronkelijk geschreven voor het UK Demand Centre.

Winzer, Christian. “Conceptualizing energy security.” Energy policy 46 (2012): 36-48. https://www.repository.cam.ac.uk/bitstream/handle/1810/242060/cwpe1151.pdf?sequence=1&isAllowed=y ↩︎ ↩︎ ↩︎
Sovacool, Benjamin K., and Ishani Mukherjee. “Conceptualizing and measuring energy security: A synthesized approach.” Energy 36.8 (2011): 5343-5355. https://relooney.com/NS4053-Energy/00-Energy-Security_1.pdf ↩︎
Kruyt, Bert, et al. “Indicators for energy security.” Energy policy37.6 (2009): 2166-2181. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421509000883 ↩︎
Cherp, Aleh, and Jessica Jewell. “The concept of energy security: Beyond the four As.” Energy Policy 75 (2014): 415-421. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301421514004960 ↩︎
Energy security, International Energy Agency. https://www.iea.org/topics/energysecurity/ ↩︎
Lucas, Javier Noel Valdés, Gonzalo Escribano Francés, and Enrique San Martín González. “Energy security and renewable energy deployment in the EU: Liaisons Dangereuses or Virtuous Circle?.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 62 (2016): 1032-1046. https://www.researchgate.net/profile/Javier_Valdes4/publication/303361228_Energy_security_and_renewable_energy_deployment_in_the_EU_Liaisons_Dangereuses_or_Virtuous_Circle/links/5a536f45458515e7b72eab26/Energy-security-and-renewable-energy-deployment-in-the-EU-Liaisons-Dangereuses-or-Virtuous-Circle.pdf ↩︎
Strambo, Claudia, Måns Nilsson, and André Månsson. “Coherent or inconsistent? Assessing energy security and climate policy interaction within the European Union.” Energy Research & Social Science 8 (2015): 1-12. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221462961500047X ↩︎
CEER Benchmarking Report 6.1 on the Continuity of Electricity and Gas Supply. Data update 2015/2016. Ref: C18-EQS-86-03. 26-July-2018. Council of European Energy Regulators. https://www.ceer.eu/documents/104400/-/-/963153e6-2f42-78eb-22a4-06f1552dd34c ↩︎ ↩︎
Average frequency and duration of electric distribution outages vary by states. U.S. Energy Information Administration (EIA). April 5, 2018. https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=35652 ↩︎
Röpke, Luise. “The development of renewable energies and supply security: a trade-off analysis.” Energy policy 61 (2013): 1011-1021. https://www.econstor.eu/bitstream/10419/73854/1/IfoWorkingPaper-151.pdf ↩︎ ↩︎
“Evolutions in energy conservation policies in the time of renewables”, Nicola Lablanca, Isabella Maschio, Paolo Bertoldi, ECEEE 2015 Summer Study – First Fuel Now. https://www.eceee.org/library/conference_proceedings/eceee_Summer_Studies/2015/9-dynamics-of-consumption/evolutions-in-energy-conservation-policies-in-the-time-of-renewables/ ↩︎
“How not to run a modern society on solar and wind power alone”, Kris De Decker, Low-tech Magazine, September 2017. here. ↩︎
Nedic, Dusko, et al. Security assessment of future UK electricity scenarios. Tyndall Centre for Climate Change Research, 2005. http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.461.4834&rep=rep1&type=pdf ↩︎
Zhou, P., R. Y. Jin, and L. W. Fan. “Reliability and economic evaluation of power system with renewables: A review.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 58 (2016): 537-547. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S136403211501727X ↩︎
Smil, Vaclav. Power density: a key to understanding energy sources and uses. MIT Press, 2015. https://mitpress.mit.edu/books/power-density ↩︎
Landeira, Cristina Cabo, Ángeles López-Agüera, and Fernando Núñez Sánchez. “Loss of Load Probability method applicability limits as function of consumption types and climate conditions in stand-alone PV systems.” (2018). https://www.researchgate.net/profile/Cristina_Cabo2/publication/324080184_Loss_of_Load_Probability_method_applicability_limits_as_function_of_consumption_types_and_climate_conditions_in_stand-alone_PV_systems/links/5abca9fa45851584fa6e1efd/Loss-of-Load-Probability-method-applicability-limits-as-function-of-consumption-types-and-climate-conditions-in-stand-alone-PV-systems.pdf ↩︎ ↩︎
Singh, S. Sanajaoba, and Eugene Fernandez. “Method for evaluating battery size based on loss of load probability concept for a remote PV system.” Power India International Conference (PIICON), 2014 6th IEEE. IEEE, 2014. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/7117729 ↩︎
How sustainanle is stored sunlight? Kris De Decker, Low-tech Magazine. here. ↩︎
Chapman, R. N. “Sizing Handbook for Stand-Alone Photovoltaic.” Storage Systems, Sandia Report, SAND87-1087, Albuquerque (1987). https://prod.sandia.gov/techlib-noauth/access-control.cgi/1987/871087.pdf ↩︎
Posadillo, R., and R. López Luque. “A sizing method for stand-alone PV installations with variable demand.” Renewable Energy33.5 (2008): 1049-1055. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096014810700184X ↩︎
Khatib, Tamer, Ibrahim A. Ibrahim, and Azah Mohamed. “A review on sizing methodologies of photovoltaic array and storage battery in a standalone photovoltaic system.” Energy Conversion and Management 120 (2016): 430-448. https://staff.najah.edu/media/published_research/2017/01/19/A_review_on_sizing_methodologies_of_photovoltaic_array_and_storage_battery_in_a_standalone_photovoltaic_system.pdf ↩︎
Vannini, Phillip, and Jonathan Taggart. Off the grid: re-assembling domestic life. Routledge, 2014. http://lifeoffgrid.ca/off-grid-living-the-book/ ↩︎ ↩︎
“Materialising energy and water resources in everyday practices: insights for securing supply systems”, Yolande Strengers, Cecily Maller, in “Global Environmental Change 22 (2012), pp. 754-763. http://researchbank.rmit.edu.au/view/rmit%3A17990/n2006038376.pdf ↩︎ ↩︎
Pillai, N. “Loss of Load Probability of a Power System.” (2008). https://mpra.ub.uni-muenchen.de/6953/1/MPRA_paper_6953.pdf ↩︎
Al-Rubaye, Mohannad Jabbar Mnati, and Alex Van den Bossche. “Decades without a real grid: a living experience in Iraq.” International Conference on Sustainable Energy and Environment Sensing (SEES 2018). 2018. https://biblio.ugent.be/publication/8566224 ↩︎
Telson, Michael L. “The economics of alternative levels of reliability for electric power generation systems.” The Bell Journal of Economics (1975): 679-694. https://www.jstor.org/stable/3003250?seq=1#page_scan_tab_contents ↩︎
Schröder, Thomas, and Wilhelm Kuckshinrichs. “Value of lost load: an efficient economic indicator for power supply security? A literature review.” Frontiers in energy research 3 (2015): 55. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2015.00055/full ↩︎
Ratha, Anubhav, Emil Iggland, and Goran Andersson. “Value of Lost Load: How much is supply security worth?.” Power and Energy Society General Meeting (PES), 2013 IEEE. IEEE, 2013. https://www.ethz.ch/content/dam/ethz/special-interest/itet/institute-eeh/power-systems-dam/documents/SAMA/2012/Ratha-SA-2012.pdf ↩︎
De Nooij, Michiel, Carl Koopmans, and Carlijn Bijvoet. “The value of supply security: The costs of power interruptions: Economic input for damage reduction and investment in networks.” Energy Economics 29.2 (2007): 277-295. https://s3.amazonaws.com/academia.edu.documents/40102922/The_Value_of_Supply_Security_The_Costs_o20151117-24458-1eo081r.pdf?AWSAccessKeyId=AKIAIWOWYYGZ2Y53UL3A&Expires=1544213977&Signature=d01qoyIcopj1rE5HpSWkCGcQzRk%3D&response-content-disposition=inline%3B%20filename%3DThe_value_of_supply_security.pdf ↩︎
Coutard, Olivier, and Elizabeth Shove. “Infrastructures, practices and the dynamics of demand.” Infrastructures in Practice. Routledge, 2018. 10-22. https://www.routledge.com/Infrastructures-in-Practice-The-Dynamics-of-Demand-in-Networked-Societies/Shove-Trentmann/p/book/9781138476165 ↩︎ ↩︎
Demand Dictionary of Phrase and Fable, seventeenth edition. Jenny Rinkinen, Elizabeth Shove, Greg Marsden, The Demand Centre, 2018. http://www.demand.ac.uk/wp-content/uploads/2018/07/Demand-Dictionary.pdf ↩︎

Lowtech energieopslag: de persluchtbatterij

Wed, 16 May 2018 00:00:00 +0000

Het opslaan van zonne-energie in chemische batterijen is duur en niet duurzaam, omdat de productie van batterijen veel fossiele brandstoffen kost. Dankzij een veel langere levensduur en een relatief eenvoudige productiemethode doet de persluchtbatterij het veel beter. Volgens een aantal onderzoekers biedt een kleinschalige toepassing van perslucht een praktisch alternatief voor autonome energieproductie.
Energieopslag is van groot belang in een toekomstig elektriciteitsnetwerk op basis van wind- en zonne-energie. Er wordt veel hoop gesteld in grootschalige opslag van perslucht (vooral bekend onder de benaming ‘CAES’ of ‘Compressed Air Energy Storage’). Deze systemen gebruiken overtollige (of goedkope) elektriciteit om lucht samen te drukken, die vervolgens in ondergrondse geologische formaties wordt opgeslagen. Als de energie opnieuw nodig is, kan de samengeperste lucht weer in elektriciteit worden omgezet door middel van een turbine en een generator.

Ondergrondse energieopslag door middel van perslucht wordt voornamelijk als alternatief gezien voor pompcentrales, die energie opslaan door water omhoog te pompen. In tegenstelling tot pompcentrales is perslucht niet afhankelijk van hoogteverschillen en worden er geen grote gebieden onder water gezet. Maar hoewel de technologie al sinds 1971 is gecommercialiseerd, werden er wereldwijd slechts twee grote persluchtbatterijen gebouwd: eentje in Duitsland en eentje in de Verenigde Staten.

Grootschalige persluchtopslag is afhankelijk van aardgas om te kunnen functioneren.

Een eerste reden voor dat beperkte succes is de lage efficiëntie. Lucht warmt op als ze wordt samengedrukt, zodat bij het opladen van een persluchtbatterij tot 30 procent van de energie verloren gaat als warmte. Omgekeerd koelt lucht zo sterk af tijdens de expansie dat ze kan bevriezen. Om de installatie niet te beschadigen, en om de vermogensopbrengst op te drijven, wordt er in de twee grote persluchtbatterijen aardgas verbrand om de luchttemperatuur te verhogen.

Het gebruik van aardgas maakt de technologie afhankelijk van fossiele brandstoffen en doet de elektrische efficiëntie van de energieopslag dalen tot minder dan 50 procent. Dat is zeer laag in vergelijking met chemische batterijen (70-90%) of pompcentrales (70-85%). Een opslagrendement van 50% betekent dat er twee keer zoveel zonnepanelen of windturbines moeten worden geplaatst.

Een tweede obstakel voor grootschalige systemen is de afhankelijkheid van geschikte ondergrondse reservoirs. Hoewel er meer potentiële sites zijn voor ondergrondse persluchtbatterijen dan voor nieuwe pompcentrales, is het aanbod van geschikte locaties evengoed beperkt.

Kleinschalige persluchtbatterijen

Een aantal onderzoekers is recent een nieuwe weg ingeslagen met de ontwikkeling van decentrale persluchtopslag in bovengrondse containers. Het belangrijkste voordeel is dat deze technologie overal gebruikt kan worden, en dus ook een alternatief kan zijn voor chemische batterijen in autonome zonne-installaties.

Compressed air energy storage tanks. [Bron](http://www.screwtypeaircompressors.com/sale-8108163-vertical-compressed-air-tank-natural-gas-tank-2000l-air-receiver-tank.html).

Op het eerste gezicht lijkt dit een doodlopende weg. Niet alleen heeft een persluchtbatterij een lagere efficiëntie dan een loodzuurbatterij, ze heeft ook veel meer plaats nodig, wat extra nadelig is voor autonome energiesystemen.

Bovendien zijn efficiëntie en opslagvolume als communicerende vaten. Door de luchtdruk te verhogen, kunnen de persluchtcontainers net zo compact worden gemaakt als batterijen. Maar daardoor gaat de efficiëntie verder omlaag: er wordt meer warmte geproduceerd tijdens de compressie, en meer koude tijdens de expansie.

Efficiëntie en opslagvolume zijn als communicerende vaten: hoe compacter het opslagvolume, hoe lager de efficiëntie.

Een aantal voorbeelden maakt het probleem duidelijk. Een simulatie voor een ‘off-grid’ zonne-installatie met persluchtbatterij, bedoeld voor landelijke gebieden in armere landen, haalt met een relatief lage luchtdruk van acht bar een efficiëntie van zestig procent – vergelijkbaar met het rendement van loodzuurbatterijen. Maar voor een opslagcapaciteit van slechts 360 watt-uur heeft de opslagtank een volume van achttien m3 – vergelijkbaar met een kamer van drie op drie op twee meter.

Bij een hoger elektriciteitsverbruik wordt de opslagtank uiteraard nog groter. In een andere studie werd berekend dat er een persluchtreservoir van 65 m3 nodig is om drie kilowatt-uur elektriciteit op te slaan. Dat komt overeen met een dertien meter lange tank met een diameter van 2,5 meter.

Langs de andere kant zijn kleinschalige systemen met een hoge luchtdruk even problematisch. Hoewel de opslagtank zeer compact kan zijn, is de efficiëntie bijzonder laag. Een onderzoek naar een persluchtbatterij voor een huishouden met een elektriciteitsverbruik van 6.400 kWh per jaar bekomt een opslagvolume van slechts 0,55 m3 bij een luchtdruk van 200 bar. Dat is vergelijkbaar met het volume van chemische batterijen, maar de efficiëntie van het systeem bedraagt slechts 11 tot 17%, afhankelijk van de oppervlakte aan zonnepanelen.

Kleinschalig met hoge luchtdruk

Deze resultaten lijken erop te wijzen dat perslucht geen realistische oplossing is voor het kleinschalig opslaan van energie, zelfs niet als de vraag naar energie betekenisvol zou dalen. Bovendien kunnen decentrale systemen geen gebruik maken van meerdere compressie- en expansietrappen om de efficiëntie te verhogen, zoals in grote persluchtbatterijen gebeurt. Dat vraagt immers extra componenten die de complexiteit en de kosten opdrijven.

Voor grootschalige persluchtbatterijen wordt veel onderzoek gedaan naar systemen die zonder aardgas kunnen werken. Dat zou bijvoorbeeld kunnen door de restwarmte van de compressie te gebruiken voor het opwarmen van de lucht bij expansie. Maar dit soort systemen (AA-CAES) is bijzonder complex – er is nog geen enkele installatie gebouwd – en ze zijn niet geschikt voor kleinschalige installaties.

Experimentele opstelling van een kleinschalige persluchtbatterij. Bron: Alami, Abdul Hai, et al. \"Low pressure, modular compressed air energy storage (CAES) system for wind energy storage applications.\" Renewable Energy 106 (2017): 201-211.

Niettemin zijn er – niet één, maar twee – manieren om persluchtbatterijen praktisch te maken voor ‘off-grid’ energieopslag. Een eerste oplossing zijn systemen met een hoge luchtdruk, die de warmte en koude van compressie en expansie nuttig aanwenden in een huishouden. Door de hoge luchtdruk kan de opslagtank erg compact zijn, wat essentiëel is voor kleinschalige toepassingen, zeker in de stad.

Systemen met hoge luchtdruk kunnen elektrische boilers en koelkasten overbodig maken.

De elektrische efficiëntie van deze ’trigeneratie’-systemen – ze produceren elektriciteit, warmte en koude – is bijzonder laag. Maar de warmte van compressie en de koude van expansie zijn erg welkom in een huishouden, bijvoorbeeld voor de verwarming van ruimtes, de productie van warm water, en de koeling van voedsel. Bovendien maakt deze aanpak twee belangrijke grootverbruikers van elektriciteit overbodig: koelkasten en elektrische boilers. Deze apparaten kunnen namelijk rechtstreeks op perslucht werken. Koeling door middel van perslucht behoeft bovendien geen schadelijke koelvloeistof.

Experimenteel prototype voor kleinschalige persluchtopslag. Bron: [Sun, Hao, Xing Luo, and Jihong Wang. \"Feasibility study of a hybrid wind turbine system–Integration with compressed air energy storage.\" Applied Energy 137 (2015): 617 -628.](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914006680)

Verschillende onderzoeksgroepen hebben “trigeneratie”-systemen gebouwd en getest. De hierboven vermelde installatie met een opslagtank van 0,55 m3 is er een voorbeeld van. Zoals vermeld is de elektrische efficiëntie van het systeem slechts elf tot zeventien procent, maar er wordt ook 270 liter warm water per dag geproduceerd. Wordt die warmte mee in rekening gebracht, dan stijgt de efficiëntie van het volledige systeem tot 70%. Andere studies en experimenten halen gelijkaardige resultaten met een luchtdruk van vijtig tot tweehonderd bar.

Kleinschalig met lage luchtdruk

De tweede strategie om een hogere efficiëntie en een kleiner opslagvolume te bekomen volgt precies de omgekeerde weg. Dit soort systemen is gebaseerd op een lage luchtdruk (< 10 bar), waarbij de compressie en decompressie van lucht veel minder grote temperatuurverschillen oplevert. De efficiëntie kan daardoor in het beste geval 100% benaderen (een ‘isotherm’ proces). Er ontstaat dan nauwelijks restwarmte en dus is er evenmin nood om de lucht weer op te warmen.

Het bereiken van een isotherm proces is echter niet eenvoudig. Om te beginnen werkt het alleen met kleine en trage compressoren en expansieturbines. De typische industriële compressor is niet gebouwd voor maximale efficiëntie maar voor een maximum vermogen, en is bijgevolg totaal ongeschikt voor een isotherm proces. Hetzelfde geldt voor de meeste industriële expansieturbines.

Een typische industriële luchtcompressor. [Bron](https://www.thomasnet.com/articles/machinery-tools-supplies/Air-Compressors).

Het gebruik van standaard industriële apparaten verklaart in grote mate waarom de eerder vermelde persluchtbatterijen met lage luchtdruk zo groot zijn. In die onderzoeken wordt immers gebruikt gemaakt van standaard compressoren en expansieturbines die geoptimaliseerd zijn voor een maximaal vermogen.

Zelfs kleine verschillen in de efficiëntie van deze onderdelen kunnen een grote impact hebben op de totale efficiëntie van het systeem. Als de efficiëntie van zowel compressor als expansieturbine daalt van tachtig tot zestig procent, dan daalt de efficiëntie van het gehele systeem van 64% naar 36%.

Met de juiste componenten kan een opslagsysteem met lage druk een efficiëntie van 100% benaderen.

Een aantal onderzoekers heeft daarom zelf deze onderdelen gebouwd, met het oog op een maximale efficiëntie. Zo ontwikkelde een onderzoeksteam een heel eenvoudige en zuinige compressor op basis van waterdruk. De machine is zeer traag (tien tot zestig toeren per minuut) en beperkt de temperatuurverschillen tot twee graden celsius.

Het eenvoudige en goedkope apparaat, dat een minimum aan bewegende onderdelen heeft, haalt een efficiëntie van zestig tot zeventig procent bij een luchtdruk van drie tot zeven bar. Een ander team behaalde 83% efficiëntie met een gelijkaardig systeem door de compressor met een veel efficiëntere motor aan te drijven.

Een scroll compressor. Bron: [Sun, Hao, Xing Luo, and Jihong Wang. \"Feasibility study of a hybrid wind turbine system–Integration with compressed air energy storage.\" Applied Energy 137 (2015): 617 -628.](https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261914006680)

Nog een nieuwigheid is de zogenaamde ‘scroll-compressor’, een type dat vooral in koelkasten, warmtepompen en airco-systemen wordt gebruikt. Beide types kunnen ook als expansieturbine worden gebruikt. Ze zijn niet alleen efficiënter maar ook stiller dan traditionele alternatieven.

Dalende luchtdruk

De keuze van compressor en expansieturbine is doorslaggevend voor de efficiëntie van een persluchtbatterij, maar er zijn nog andere factoren die een rol spelen. In een persluchtbatterij treedt ook efficiëntieverlies op omdat de luchtdruk daalt naarmate het opslagreservoir leeg raakt. De expansieturbine is ontworpen voor maximale efficiëntie bij een welbepaalde luchtdruk, en dus zal de efficiëntie dalen naarmate de batterij ontlaadt.

Daar kan een mouw aan worden gepast door lucht op te slaan met een druk die hoger is dan wat de expansieturbine vereist. Het overschot aan luchtdruk – dat steeds kleiner wordt naarmate de batterij verder ontlaadt – kan ontsnappen via een ventiel. Maar ook deze aanpak – die in grootschalige persluchtbatterijen wordt toegepast – verlaagt de efficiëntie.

Om dit probleem op te lossen, ontwikkelde een onderzoeksteam een systeem dat een gelijke luchtdruk behoudt door lucht samen te drukken met behulp van water onder druk. Hoewel de installatie een waterpomp nodig heeft die 15% van de opgewekte energie verbruikt, slaagden de onderzoekers erin om de efficiëntie van het volledige systeem te verhogen.

In een persluchtbatterij daalt de luchtdruk naarmate het reservoir leeg loopt.

Een andere onderzoeker ziet de oplossing in modulaire systemen. Dit systeem is niet alleen gebaseerd op een speciaal ontwikkelde compressor en expansieturbine, maar maakt ook gebruik van verschillende kleine persluchttanks in plaats van één groot reservoir. Deze kleinere tanks zijn allemaal met elkaar verbonden en worden gecontroleerd door elektronica. Het systeem is geïnspireerd door historische toepassingen.

Een modulaire persluchtbatterij. Bron: Alami, Abdul Hai, et al. \"Low pressure, modular compressed air energy storage (CAES) system for wind energy storage applications.\" Renewable Energy 106 (2017): 201-211.

De modulaire persluchtbatterij werkt bij een zeer lage luchtdruk van maximum 5 bar. Het prototype bestaat uit drie opslagtanks van elk 7 liter, die in feite afgedankte brandblusapparaten zijn. De containers zijn verbonden met PVC-buizen. Om de luchttoevoer te controleren zijn er drie computergestuurde luchtkleppen geïnstalleerd.

Met een modulair systeem kan zowel een hoge efficiëntie als een compact opslagvolume worden bekomen.

Een modulaire configuratie resulteert in een hogere efficiëntie omwille van twee redenen. Ten eerste is er een effectievere warmteuitwisseling met de omgeving, omdat elke opslagtank als extra warmtewisselaar dienst doet. Ten tweede kan er een veel preciezere controle worden bekomen over de ontlaadsnelheid van het systeem. De tanks kunnen allemaal tegelijk worden ontladen (wat een hoog vermogen oplevert gedurende een korte tijd), of ze kunnen één voor één worden ontladen (wat een langere ontlaadtijd oplevert voor een lager vermogen).

Door de opslagtanks één voor één te ontladen kan de energiedensiteit van het systeem op hetzelfde niveau worden gebracht als de energiedensiteit van loodzuurbatterijen. Op basis van hun prototype berekenden de onderzoekers dat 57 cylinders van elk tien liter twintig uur lang energie kunnen leveren bij een druk van vijf bar. Het opslagsysteem heeft een volume van slechts 0,6 m3 en een opslagcapaciteit van 410 watt-uur.

Computergestuurde luchtkleppen. [Bron](http://www.jaksa.si/compressed-air-solenoid-valves.html).

De opslagcapaciteit is vergelijkbaar met het eerder vermelde systeem voor landelijke gebieden in armere landen, dat 360 watt-uur elektrictieit kan opslaan. Maar dat systeem heeft een opslagtank van 18 m3 nodig – dertig keer meer dan het modulaire systeem. Dit dramatische voorbeeld laat zien hoezeer het ontwerp van een persluchtbatterij invloed heeft heeft op de efficiëntie ervan.

De maximale elektrische efficiëntie van het modulaire opslagsysteem (met 3 cylinders) is ongeveer 77% bij een luchtdruk van 3 bar. Met 57 cylinders daalt de efficiëntie tot ongeveer 70%. Deze waarden zijn vergelijkbaar met die van lithium-ion batterijen, maar ze zijn alleen geldig voor hele kleine systemen met zeer lage luchtdruk. Worden er meer opslagtanks toegevoegd, of wordt er gebruik gemaakt van een hogere luchtdruk, dan nemen de energieverliezen toe.

Duurzame energieopslag

In combinatie met een lager energieverbruik kan perslucht wel degelijk een interessant alternatief vormen voor chemische batterijen. Bijvoorbeeld in mijn eigen thuiskantoor heeft de zonne-installatie een opslagcapaciteit van ongeveer 400 watt-uur. Een persluchtbatterij van 0,55 m3 zou meer plaats innemen dan de loodzuurbatterijen die er nu staan, maar niet in die mate dat het onpraktisch wordt.

Het belangrijkste voordeel van de persluchtbatterij is dat ze veel duurzamer is dan een chemische batterij. Dat komt enerzijds door de veel langere levensduur, en anderzijds door het relatief lage energieverbruik tijdens de productie. Bovendien kunnen persluchtcontainers met beperkte middelen lokaal worden geproduceerd, zijn er geen giftige of zeldzame metalen nodig, en beloven de systemen ondanks een hoge investering goedkoper te zijn op lange termijn.

Persluchtbatterijen kunnen lokaal en duurzaam worden geproduceerd.

De investeringskost voor een persluchtbatterij wordt geschat op ongeveer 10.000 euro voor een residentieel systeem. De opslagtank is goed voor de helft van die prijs. De investeringskost ligt hoger dan in het geval van chemische batterijen, maar de persluchtbatterij kan tientallen jaren worden opgeladen en ontladen, terwijl een chemische batterij om de paar jaar moet worden vervangen.

Conclusie: kleinschalige persluchtopslag is een beloftevol alternatief voor chemische batterijen, zeker in combinatie met een lager energieverbruik. Het onderzoek is echter nog in volle ontwikkeling – de allereerste studie werd pas in 2010 gepubliceerd – en er komen ongetwijfeld nog nieuwe ideeën uit de bus.

Voorlopig zijn er nog geen persluchtbatterijen commerciëel verkrijgbaar. Zelf een persluchtbatterij bouwen is natuurlijk wel een optie, maar zoals de voorbeelden in dit artikel aantonen is het niet zo eenvoudig om dat systeem efficiënt te maken.

Bronnen:

Luo, Xing, et al. “Overview of current development in electrical energy storage technologies and the application potential in power system operation.” Applied Energy 137 (2015): 511-536.

Laijun, C. H. E. N., et al. “Review and prospect of compressed air energy storage system.” Journal of Modern Power Systems and Clean Energy 4.4 (2016): 529-541.

Barnhart, Charles J., and Sally M. Benson. “On the importance of reducing the energetic and material demands of electrical energy storage.” Energy & Environmental Science 6.4 (2013): 1083-1092.

Petrov, Miroslav P., Reza Arghandeh, and Robert Broadwater. “Concept and application of distributed compressed air energy storage systems integrated in utility networks.” ASME 2013 Power Conference. American Society of Mechanical Engineers, 2013.

Tallini, Alessandro, Andrea Vallati, and Luca Cedola. “Applications of micro-CAES systems: energy and economic analysis.” Energy Procedia 82 (2015): 797-804.

Setiawan, A., et al. “Sizing compressed-air energy storage tanks for solar home systems.” Computational Intelligence and Virtual Environments for Measurement Systems and Applications (CIVEMSA), 2015 IEEE International Conference on. IEEE, 2015.

Herriman, Kayne. “Small compressed air energy storage systems.” (2013).

Manfrida, Giampaolo, and Riccardo Secchi. “Performance prediction of a small-size adiabatic compressed air energy storage system.” International Journal of Thermodynamics 18.2 (2015): 111-119.

Kim, Y. M., and Daniel Favrat. “Energy and exergy analysis of a micro-compressed air energy storage and air cycle heating and cooling system.” Energy 35.1 (2010): 213-220.

Kim, Young Min. “Novel concepts of compressed air energy storage and thermo-electric energy storage.” (2012).

Inder, Shane D., and Mehrdad Khamooshi. “Energy Efficiency Analysis of Discharge Modes of an Adiabatic Compressed Air Energy Storage System.” World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering 11.12 (2017): 1101-1109.

Vollaro, Roberto De Lieto, et al. “Energy and thermodynamical study of a small innovative compressed air energy storage system (micro-CAES).” Energy Procedia 82 (2015): 645-651.

Li, Yongliang, et al. “A trigeneration system based on compressed air and thermal energy storage.” Applied Energy 99 (2012): 316-323.

Facci, Andrea L., et al. “Trigenerative micro compressed air energy storage: Concept and thermodynamic assessment.” Applied energy 158 (2015): 243-254.

Mohammadi, Amin, et al. “Exergy analysis of a Combined Cooling, Heating and Power system integrated with wind turbine and compressed air energy storage system.” Energy Conversion and Management 131 (2017): 69-78.

Yao, Erren, et al. “Thermo-economic optimization of a combined cooling, heating and power system based on small-scale compressed air energy storage.” Energy Conversion and Management 118 (2016): 377-386.

Liu, Jin-Long, and Jian-Hua Wang. “Thermodynamic analysis of a novel tri-generation system based on compressed air energy storage and pneumatic motor.” Energy 91 (2015): 420-429.

Lv, Song, et al. “Modelling and analysis of a novel compressed air energy storage system for trigeneration based on electrical energy peak load shifting.” Energy Conversion and Management 135 (2017): 394-401.

Besharat, M. O. H. S. E. N., SANDRA C. Martins, and HELENA M. Ramos. “Evaluation of Energy Recovery in Compressed Air Energy Storage (CAES) Systems.” 3rd IAHR Europe Congress. Book of Proceedings, Portugal. 2014.

Minutillo, M., A. Lubrano Lavadera, and E. Jannelli. “Assessment of design and operating parameters for a small compressed air energy storage system integrated with a stand-alone renewable power plant.” Journal of Energy Storage 4 (2015): 135-144.

Villela, Dominique, et al. “Compressed-air energy storage systems for stand-alone off-grid photovoltaic modules.” Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2010 35th IEEE. IEEE, 2010.

Paloheimo, H., and M. Omidiora. “A feasibility study on Compressed Air Energy Storage system for portable electrical and electronic devices.” Clean Electrical Power, 2009 International Conference on. IEEE, 2009.

Prinsen, Thomas H. Design and analysis of a solar-powered compressed air energy storage system. Naval Postgraduate School Monterey United States, 2016.

Van de Ven, James D., and Perry Y. Li. “Liquid piston gas compression.” Applied Energy 86.10 (2009): 2183-2191.

Alami, Abdul Hai, et al. “Low pressure, modular compressed air energy storage (CAES) system for wind energy storage applications.” Renewable Energy 106 (2017): 201-211.

Alami, Abdul Hai. “Experimental assessment of compressed air energy storage (CAES) system and buoyancy work energy storage (BWES) as cellular wind energy storage options.” Journal of Energy Storage 1 (2015): 38-43.

Sun, Hao, Xing Luo, and Jihong Wang. “Feasibility study of a hybrid wind turbine system–Integration with compressed air energy storage.” Applied Energy 137 (2015): 617 -628.