December 02, 2019
Batterijback-upsystemen in combinatie met zonne-energie worden bejubeld als de beste oplossing voor stroomuitval door de openbare veiligheid in Californië – om nog maar te zwijgen van ons archaïsche elektriciteitsnet.
Niet alleen zijn deze systemen ideaal om een huis van stroom te voorzien wanneer de stroom uitvalt, maar ze helpen ook de elektriciteitskosten te verlagen en bieden netondersteuningsdiensten wanneer het lokale nutsbedrijf dat nodig heeft. Uit emissie- en kostenoverwegingen zijn conventionele gas- of dieselgeneratoren geen optie.
Het is dus geen verrassing dat de vraag naar deze systemen groter is dan het aanbod aan apparatuur en gekwalificeerde installateurs.
Beperkingen aan batterijback-up voor het hele huis
Maar er zit een addertje onder het gras. We geloven graag in de mythe van de back-up voor het hele huis of het idee dat onze 21e-eeuwse levensstijl onverminderd zal doorgaan, ondanks vuur en vlam. De realiteit is anders: batterij-backup-systemen werken het best als ze zo zijn ontworpen dat de batterijcapaciteit wordt gerantsoeneerd en het gebruik van grote apparaten wordt geminimaliseerd.
De mythes vinden vaak hun oorsprong in de feiten: Whole-house batterijsystemen werken wel degelijk voor off-grid toepassingen. Er zijn naar schatting 180.000 van dergelijke woningen in de VS
Maar deze woningen zijn ontworpen voor off-grid wonen: ze zijn meestal kleiner en goed geïsoleerd; gebruiken verwarming op basis van verbranding met propaan als back-up; bevatten actieve en passieve thermische zonne-energiesystemen; en hebben geen energievretende airconditioningsystemen, niveau 2 EV-laders of zwembaden.
Er zijn twee fundamentele technische beperkingen die het onpraktisch maken om een heel huis alleen op batterijvoeding te laten werken. Ten eerste is de energiecapaciteit van typische lithium-ionbatterijsystemen onvoldoende om een heel huis tijdens een nachtelijke stroomstoring van energie te voorzien. Ten tweede zijn batterij-back-upomvormers niet krachtig genoeg om veel grote apparaten te starten en te laten werken.
Natuurlijk kunnen meerdere accu’s en omvormers een oplossing bieden voor deze energie- en vermogensbeperkingen. Maar de kosten van meer dan 20 kilowatt aan omvormers en meer dan 40 kilowattuur aan accu’s zijn te hoog voor een doorsnee huiseigenaar.
Een praktischer benadering is om een accubackupsysteem te ontwerpen dat alleen kritieke belastingen van stroom voorziet: geen grote apparaten zoals airconditioning, 240-volt EV-opladers of elektrische fornuizen. In plaats daarvan slechts vier tot acht kleinere circuits in het huis voor koeling, verlichting, entertainment, communicatie en stopcontacten.
Onze huidige woningvoorraad verbruikt veel elektriciteit, en door een overvloed aan ingeplugde apparaten verbruiken nieuwere huizen vaak nog meer.
apparaten met een hoog stroomverbruik vormen de grootste uitdaging voor back-upsystemen voor het hele huis. Het stroomverbruik van een grote centrale airconditioner is 5.000 watt, een EV-oplader is 7.000 watt, een elektrisch fornuis is 10.000 watt en zwembadpompen zijn 2.200 watt.
Batterij-energielimieten
Hoe lang werkt een typisch zonne-energiesysteem en batterijsysteem ’s nachts terwijl het deze grotere apparaten bedient? Antwoord: helemaal niet zo lang.
De wiskunde is eenvoudig. Als de batterij ’s nachts een energiecapaciteit van 2,5 kilowattuur heeft (wat typisch is als de batterij ’s avonds wordt gebruikt om maximaal te besparen op het eigen verbruik), is er slechts genoeg batterij-energie om zwembadpompen 60 minuten te laten draaien, een centrale wisselstroom 30 minuten, een EV-lader 20 minuten of een elektrisch fornuis 15 minuten.
Als een van deze apparaten draait – na slechts een relatief kort interval van automatische back-up voor het hele huis – zal de batterij snel leeg zijn en niet in staat om kritische belastingen van stroom te voorzien. In lyrische termen: Geen lichten. Geen telefoon. Geen elektrische auto. Geen enkele luxe. Net als Robinson Crusoe, zo primitief als maar kan.
Een mogelijke oplossing is het handmatig uitschakelen van grote apparaten tijdens een stroomstoring. Helaas doen veel stroomstoringen zich overdag voor als er niemand thuis is of ’s nachts als de mensen slapen. Klanten die hebben geprobeerd om belastingen handmatig uit te schakelen, zijn meestal teleurgesteld over hun back-upsysteem.
Een andere oplossing (als het budget en de muurruimte van een huiseigenaar het toelaten) is om een tweede opslagbatterij toe te voegen – waardoor de duur van de energieopslag effectief wordt verdubbeld.
De afgelopen maanden hebben we gewerkt met klanten die een scala aan goede en slechte ervaringen met batterijback-ups hebben gehad. Tijdens de eerste stroomstoring in ons gebied, die rond 22.30 uur plaatsvond, had een klant die een CPAP-machine (continuous positive airway pressure) gebruikt, zijn opslagbatterij om ongeveer 2 uur ’s nachts leeg (hij begon te snurken en zijn vrouw zei dat hij maar op de bank moest gaan slapen). Een andere klant gebruikte het back-upsysteem om een van de subpanelen in zijn huis van stroom te voorzien, en hij realiseerde zich niet dat er een stroomstoring was totdat de batterij leeg was.
De oplossing voor beide klanten was om een paar discretionaire circuits van hun back-up subpanelen te verwijderen, zodat de batterij de hele nacht zou meegaan.
Impower limits
Het maximale uitgangsvermogen (in kilowatt) van de batterijomvormer is de tweede reden voor de mythe van de back-up voor het hele huis.
De meeste batterijback-upomvormers zijn ontworpen voor 200 ampère elektrische diensten thuis, wat neerkomt op een maximaal AC-vermogen van 7.600 watt wanneer ze op het elektriciteitsnet zijn aangesloten. Wanneer gevoed vanuit de batterij (die een beperkte piekontlading heeft), kunnen deze omvormers gewoonlijk 5.000 watt stationair vermogen of 6.000 watt piekvermogen (ongeveer 25 ampère) leveren.
De kortstondige opstartpiekstroomvereisten van een wisselstroom- of pompmotor zijn echter vaak twee of drie keer zo hoog als de normale stroomafname – wat betekent dat de omvormer gewoon niet zal overschakelen naar de back-upmodus. Zelfs als de batterij volledig is opgeladen op een zonnige dag, zullen de wisselstroom- en zwembadpomp niet starten, en zal geen van de kritische belastingen stroom krijgen.
Ontwerpen van batterij-backupsystemen op zonne-energie
Ondanks deze energie-, vermogens- en financiële beperkingen kan een goed ontworpen zonne-energiesysteem en back-upsysteem bijna onbeperkt stroom leveren. Drie ontwerpelementen zijn van cruciaal belang.
Ten eerste moet de energiecapaciteit van de batterij (kilowattuur) en het vermogen van de omvormer (kilowatt) worden afgestemd op de behoeften van het huis ’s nachts, wanneer de batterij gedeeltelijk is ontladen. Ten tweede moet het aantal back-upcircuits strikt worden beperkt om te voorkomen dat te veel kleine apparaten of grote apparaten van stroom worden voorzien. Ten derde moet de grootte van het zonnesysteem voldoende zijn om de batterij gedeeltelijk op te laden, zelfs op een bewolkte winterdag.
Aanstaande slimme elektrische thuissysteemtechnologieën zullen deze praktische beperkingen aanpakken door automatisch belastingen af te schakelen tijdens een stroomstoring. Op de 2019 Solar Power International show toonden bedrijven slimme apparaatcontroles en stroomonderbrekers die grote apparaten automatisch kunnen uitschakelen. Er was ook slimme elektrische paneeltechnologie te zien die automatisch alle circuits in een huis zou kunnen beheren.
Tegen het einde van 2019 zullen er meer dan 10.000 huizen en bedrijven in Californië zijn uitgerust met gecombineerde zonne- en batterijback-upsystemen. Naarmate deze systemen goedkoper worden (zowel door kostenverlagingen voor apparatuur als door stimuleringsmaatregelen), zullen ze de meest geschikte en effectieve manier worden voor mensen om zich aan te passen aan het nieuwe normaal van stroomafsluitingen door de overheid.
Niet te vergeten de schoonste, veiligste en voordeligste manier om ons archaïsche elektriciteitsnet opnieuw op te bouwen.
***
Barry Cinnamon is CEO van Californië’s Cinnamon Energy Systems.