In het kader van het TeTra-project ’Decongestie van het distributienet door decentrale opslag’, kortweg D³O, worden de mogelijkheden onderzocht van PV-systemen met geïntegreerde opslag om zo het eigenverbruik, ook wel zelfconsumptie genoemd, te verhogen. Voor huidige residentiële installaties met PV-panelen is het zo dat de ogenblikkelijke opbrengst van deze panelen bijna nooit samenvalt met het vermogen dat gevraagd wordt. Energie-overschotten worden geïnjecteerd in het distributienet en tekorten worden afgenomen van dit net. Deze bidirectionele vermogenstroom zorgt voor een zware belasting van het huidige distributienet.

Om tegemoet te komen aan deze problematiek wordt door verschillende fabrikanten (SMA, Victron Energy, Studer,…) ingezet op PV-installaties met integratie van opslag onder de vorm van batterijen. Deze hybride PV-systemen slaan het teveel aan geproduceerde energie op om deze dan terug vrij te geven op een later tijdstip. De zelfconsumptie kan verhoogd worden tot 60% daar waar dit bij klassieke installaties zo’n 30% bedraagt.

Over het dimensioneren van dergelijke PV-systemen is echter nog maar weinig geweten. Deze webpagina biedt de mogelijkheid aan installateurs, klanten,… om een inschatting te maken naar de meest optimale installatie aan de hand van het energieverbruik op jaarbasis en de eventuele PV-opbrengst. De applicatie is gebaseerd op resultaten van het gevoerde onderzoek in het D³O-project. Gezien dit project zich richt op residentiële installaties zijn ook de bevindingen enkel geldig voor deze huishoudelijke toepassingen.

Wanneer PV-opslagsystemen moeten geëvalueerd worden, dan moet nagegaan worden wat het voordeel is van zelf geconsumeerde elektriciteit ten opzichte van elektriciteit uit het net. Voor de eindklant is dit de drijfveer om een dergelijk systeem te plaatsen, naast eventueel nog ideologische en/of persoonlijke redenen. Om het kostenvoordeel in rekening te brengen, worden hier twee gangbare begrippen voorgesteld.

Zelfconsumptie Z_c

De zelfconsumptieverhouding Z_c staat voor het aandeel van de opgewekte zonne-energie dat ogenblikkelijk verbruikt wordt in het eigen huishouden. Ze wordt uitgedrukt door de verhouding van de eigen verbruikte PV-energie E_ev op de totale opgewekte energie E_pv afkomstig van de zonnepanelen.

\[\mathbf{Z_c} = \frac{\mathbf{E_{ev}}}{\mathbf{E_{pv}}} \]

Voor een klassieke PV-installatie is het zo dat de eigen verbruikte energie enkel en alleen bepaald wordt door de PV-energie die ogenblikkelijk de gevraagde last voedt. Veronderstel dat een opslagsysteem onder de vorm van batterijen wordt geïntegreerd in een bestaande installatie. Dan is het zo dat de eigen verbruikte energie de som is van de PV-energie die gebruikt wordt om de last te voeden en de PV-energie om de batterijen te laden. Het mag duidelijk zijn dat de zelf verbruikte PV-energie en hiermee ook de zelfconsumptieverhouding stijgt wanneer opslag wordt geïntegreerd.

Dit effect wordt geïllustreerd in figuur 1. De blauwe lijn stelt het verbruik voor van een woning en de groene lijn de PV-opbrengst. De onderste grafiek stelt het laadniveau van een willekeurige batterij voor. Van zodra de batterij volledig opgeladen is, zal er energie geïnjecteerd worden in het net. Omgekeerd zal er energie onttrokken wanneer het laadniveau nul wordt. De zelfconsumptie wordt geïllustreerd door de verhouding van het groene gearceerde deel op het groen gekleurde deel.

Figuur 1: Zelfconsumptie door middel van opslag

Zelfvoorziening Z_v

De zelfvoorzieningsverhouding Z_v staat voor het aandeel van de gevraagde energie die je ogenblikkelijk zelf kan voorzien. Het is de verhouding van de gevraagde energie die zelf geproduceerd werd, E_ep, op de totaal gevraagde energie E_l.

\[\mathbf{Z_v} = \frac{\mathbf{E_{ep}}}{\mathbf{E_{l}}} \]

Voor de klassieke installatie is het zo dat de eigen geproduceerde energie gelijk is aan de PV-energie die ogenblikkelijk de gevraagde last voedt en dus nog gelijk is aan de eigen verbruikte energie E_ev. Indien opslag wordt geïntegreerd in de PV-installatie, dan kan bovenstaande vergelijking aangepast worden door de energie afkomstig van het ontladen van de batterijen in rekening te brengen. Hierdoor zal naast de zelfconsumptie ook de zelfvoorziening stijgen na het integreren van een opslagsysteem.

De zelfvoorziening kan geïllustreerd worden in Figuur 2 voor dezelfde woning. Deze wordt gegeven door de verhouding van het blauw gearceerde deel op het blauw gekleurde deel.

Figuur 2: Zelfvoorziening door middel van opslag.

Voor de eigenaar van een residentiële PV-installatie in Vlaanderen betekent het injecteren van stroom echter niet meteen een financieel nadeel. Door het systeem van de terugdraaiende teller is de negatieve prijs voor een geïnjecteerde kilowattuur dezelfde als voor een gevraagde. Economisch gezien heeft een hogere zelfconsumptieverhouding in Vlaanderen dus voorlopig geen zin. Wanneer de tarieven voor injectie lager zouden zijn dan voor afname (via het zogenaamde ’feed-in tarief’, zoals in Duitsland of met de komst van de netvergoeding), dan is een hogere zelfconsumptie of -voorziening wel degelijk financieel voordelig.

In geval van een dubbele tarifering kan de zelfconsumptieverhouding gezien worden als de waarde van de gegenereerde zonne-energie en dus het economisch rendement van de PV-installatie. Hoe hoger deze zelfconsumptie, des te groter het economisch rendement van de PV-installatie. Daar waar de zelfconsumptie een maat is voor de waarde van een gegenereerde kilowattuur, staat de zelfvoorziening voor de waarde van een betaalde kilowattuur. Hoe hoger de zelfvoorzieningsgraad, hoe meer er kan bespaard worden in energiekosten.

De vraag stelt zich echter welke opslagcapaciteit moet voorzien worden die enerzijds een voldoende verhoging van deze parameters met zich meebrengt en anderzijds naar kosten toe verantwoord is. Om deze vraag te beantwoorden werd door Universiteit Gent, onderzoeksgroep Lemcko een dimensioneringsmethode ontwikkeld die dit evenwicht tracht te bereiken.

Figuur 3 toont de optimale opslagcapaciteit (in kWh t.o.v. het jaarlijks verbruik) in functie van de jaarlijkse PV-opbrengst en de daarmee bereikte zelfconsumptie en zelfvoorziening. Het meest optimale punt is daar waar de zelfconsumptie- en zelfvoorzieningslijn elkaar snijden. De opslagcapaciteit bedraagt 0,98 kWh/MWh verbruik. Hiervoor wordt het best een PV-installatie voorzien die jaarlijks 11% meer energie opbrengt dan er verbruikt wordt en de bereikte zelfconsumptie en –voorziening bedraagt 55%.

Figuur 3: Optimale opslagcapaciteit en zelfconsumptie, zelfvoorziening in functie van PV-opbrengst.

Het kiezen van de juiste batterijen voor een net-interactieve installatie is meestal niet eenvoudig. Op deze webpagina werd een selectietool ontwikkeld die aan de hand van enkele parameters en de bijhorende gewichtsfactor het meest geschikte type tracht te bepalen.

Uit de brede waaier van batterijtypes op de markt, komen er een aantal in aanmerking voor opslag van PV-energie. Ten eerste zijn er de lood-zuur batterijen. Deze kunnen onderverdeeld worden in de flooded lead acid (FLA) en valve regulated lead acid (VRLA) batterijen. Bij de VRLA batterijen maakt men nog eens een onderscheid tussen gel en AGM (absorbent glass mat). Naast de lood-zuur types zijn er nog de meer recente lithium-ion batterijen. Deze zijn aan een opmars bezig dankzij de ontwikkelingen binnen elektrische voertuigen. Hierbij blijkt vooral lithium-ijzer-fosfaat (LFP) interessant voor PV-opslag. Ook de nikkel-metaalhydride (NiMH) en de aquion batterij wordt opgenomen in de mogelijkheden, al is deze laatste nog niet commercieel beschikbaar. Een laatste type batterij is de nikkel-ijzer (NiFe) batterij, ook wel de Edison-batterij genoemd. Binnen het project werd dit type uitvoerig onderzocht en eerste testen bleken veelbelovend. Op dit moment ontbreekt er echter nog wat informatie om dit type te kunnen opnemen in de selectietool.

De selectie van de batterijen wordt hier op een ruime manier geïnterpreteerd, er wordt rekening gehouden met volgende aspecten:

• Benodigde capaciteit
• Milieu impact
• Benodigd volume
• Benodigd onderhoud
• Levensduur
• Gewicht van de batterijbank
• Kost van de batterij

Hierbij wordt de gebruiker van de tool toegelaten aan de 6 laatst genoemden een gewicht toe te kennen. Zo kan de gebruiker bijvoorbeeld de voorkeur geven aan een milieuvriendelijke batterij en minder belang hechten aan de kost van die batterij. De verrekening hiervan gebeurt door elk type batterij een punt P(u1, u2,…, un) toe te kennen in een n-dimensionale ruimte, waarbij de n dimensies opgespannen worden door de parameters waar de gebruiker een respectievelijk gewicht X(a1, a2,…, an) aan mag geven. In dit geval stelt elk batterijtype een punt voor in een 6 dimensionale ruimte. Een rangschikking volgens grootte van het inproduct (zie onderstaande vergelijking) geeft dan de meest aangewezen batterij weer.

\[\mathbf{X}(a_1,a_2,...,a_n)\cdot\mathbf{P}(u_1,u_2,...,u_n) = \sum_{i=1}^{n} a_i\cdot u_i \]

De gebruikte gegevens van de verschillende batterijtypes worden opgelijst in onderstaande tabel. Alle gegevens worden lineair geschaald naar een waarde in het interval 0 tot en met 1. Hierbij wordt 1 gekozen bij het batterijtype dat het beste scoort voor die eigenschap, 0 wordt gegeven aan het batterijtype dat het slechtste scoort.

De levensduur werd ingeschat voor een goed onderhouden batterij bij een DOD (Depth Of Discharge) van 80%. Dit kan een vertekend beeld geven voor batterijen als lood-zuur AGM waarbij diep ontladen de levensduur drastisch verkort. De gegevens voor milieu impact zijn gebaseerd op het artikel "An assessment of sustainable battery technology", waarbij voor de waarden van Aquion en NiFe een good guess werd genomen. De milieuwaarden zijn berekend van well to wheel waarbij ook het rendement van de batterij met de hedendaagse energiemix van Europa in rekening werd gebracht. Batterijen met een slecht rendement (de nikkel gebaseerden) kunnen met een "groenere" mix een betere score halen. De gebruikte parameters zijn terug te vinden in Tabel 1.

Er is een verschil tussen de berekende optimale opslagcapaciteit en de werkelijke batterijcapaciteit. Om een goede levensduur te verzekeren mogen batterijen slechts tot een bepaalde maximale diepte ontladen, dit is de Depth of Discharge (DOD). Deze varieert met het type van de batterijen en moet dus verrekend worden bij het dimensioneren van een batterijbank. De richtwaarden zijn ook terug te vinden in Tabel 1.

Een laatste parameter om tot de juiste opslaggrootte in Ah te komen is de nominale spanning van de batterijen. Deze bedraagt meestal 12, 24 of 48V en wordt gevormd door batterijen in serie en/of parallel te plaatsen.

Uiteindelijk wordt mits een correcte invoer van de gegevens de benodigde batterijcapaciteit bekomen. Let wel, de resultaten zijn gebaseerd op gemiddelden van 25 reële woningen, de uitkomst zal dus slechts een inschatting zijn.

Open Batterij Calculator