Zonne-energieopbrengst versus batterijcapaciteit

Leestijd 4 minuten

Hoeveel zonne-energie heeft u nodig met welke batterijcapaciteit om aan uw behoeften te voldoen? Deze vraag rijst voor sommige mensen die ofwel simpelweg zelfvoorziening willen bereiken in hun stacaravan, ofwel een eilandsysteem willen opzetten om onafhankelijk te zijn van het, mogelijk niet bestaande, openbare elektriciteitsnet in afgelegen gebieden.

Nu kun je natuurlijk op veel batterijcapaciteit rekenen, maar de ruimte is schaars, vooral in scenario's voor mobiel gebruik, en het mogelijke PV-modulevermogen is beperkt tot ongeveer 1.200 .. 1.725 Wp, uitgaande van 2 .. 3 modules met 575 Wp. En het gewicht qua aantal accu's is - helaas - niet te verwaarlozen, tenzij je een voertuig hebt met een toegestaan totaalgewicht van ruim 7,5 ton en het benodigde rijbewijs.

Hierbij is het belangrijk om het verbruik te minimaliseren als je echt zelfstandig wilt kunnen opereren. Maar hoe lang schijnt de zon op de verschillende tijdstippen van de dag en de maand op de verschillende geografische locaties, en welke opbrengsten resulteren uit de statistisch gemiddelde duur van de zonneschijn? Kun je de batterijen op elk moment opladen?

Hoogspanning versus laagspanningstechnologie

12 V-batterijen zijn algemeen bekend. In vrachtwagens is 24 V geïnstalleerd. 48V is te vinden in campers, boten en jachten. Dit zijn allemaal laagspanningstechnologieën.

Hoogspanningssystemen werken met spanningen boven de 60 V DC, maar meestal tussen de 100 en 200 V DC(!).

Waarom deze verschillen? Dit wordt snel verklaard als je kijkt naar de stromen: bij gebruik van de omvormer en een nominaal AC-vermogen van 5.000 VA zouden 12 V-batterijen maar liefst 400 A produceren, wat 62 mm is.² dikke, dus zware kabel nodig, bij gebruik van 48 V accu's en 104 A slechts 4 mm², bij 200 V is het resultaat 25 A bij een kabeldoorsnede van slechts 0,25 mm².

De relatief dunne kabels mogen echter niet leiden tot onzorgvuldigheid bij de omgang met hoge gelijkspanningen: alle systemen die gelijkspanningen van meer dan 60 V kunnen voeren, mogen - ALLEEN - door geschoold vakpersoneel worden geïnstalleerd en onderhouden!

De aan de ingangszijde te gebruiken gegevens van de omvormer bepalen de accuconfiguratie. Hoe hoger de ingangsspanning, bijvoorbeeld 48 V in plaats van 12 V, hoe lager de prijs.

Een 24 V DC-omvormer met 5 kVA kost 1.500 euro, de 48 V-versie kost ongeveer 700 euro.

In een hoogspanningsversie kost een driefasige 5 kW-omvormer met 150 V DC-ingang ongeveer 1.200 euro, en een 8 kW met 180 V DC ongeveer 1.400 euro.

Voor stationair gebruik is de hoogspanningsversie beslist zuiniger.

Oplaadrelativiteit bij mobiel gebruik

Nu kan een camper niet alleen staan, maar ook rijden. Dit betekent dat de accu's via de laadbooster worden opgeladen met elektriciteit uit de dynamo. Uiteraard is dit lastig te integreren in een berekening, omdat reistijden lastig statistisch vast te stellen zijn en dus meegenomen kunnen worden in de berekening. Maar goed om te weten dat...

Zo nu en dan heeft u ook de mogelijkheid om gebruik te maken van een walstroomaansluiting en de accu’s op te laden.

Berekenbare constantheid in het stationaire veld

Berekenbaar voor zover er inmiddels wereldwijd voldoende statistische gegevens zijn verzameld die, rekening houdend met alle relevante factoren, informatie geven over de verwachte zonneopbrengsten.

De ervaring leert dat theorie en praktijk ondanks alle statistieken verschillen, maar het is wel handig om een idee te krijgen waar je staat in je planning als je ruimte x en batterijcapaciteit y hebt op locatie z.

De internationale online tool helpt hierbij PVGIS ( PhotoVoltaïsch Geografisch Iinformatie Ssysteem) dat wordt gebruikt door de Europese Commissie, Gemeenschappelijk Centrum voor Onderzoek, Eenheid Energie-efficiëntie en Hernieuwbare Energie, via E. Fermi 2749, TP 450, I-21027 Ispra (VA).

De documentatie De online tool, die bovendien intuïtief te gebruiken is, is zeer uitgebreid en omvat alle vragen, ook op het niveau van begrip en nomenclatuur.

Aannames van de fabrikant

Fabrikanten van batterijen of batterijsystemen willen hun systemen op een voordelige manier presenteren en geïnteresseerden daarom benaderende vergelijkende gegevens verstrekken die hen een idee geven van de opslagcapaciteit. Bijvoorbeeld de bijbehorende stelling: Onze 10 kW opslagmodule is geschikt voor een vierpersoonshuishouden, inclusief de bediening van een warmtepomp en een elektrisch voertuig.

De stelling op zich gaat zelfs diep, aangezien het jaarverbruik van zo'n huishouden door de elektriciteitsleverancier gemiddeld zo'n 5..7 kW per jaar wordt gegeven.

Het enige dat deze positieve veronderstelling kan ondermijnen is het feit dat de opgeslagen en dus beschikbare energie moet worden aangevuld: de zon schijnt in de winter uiteraard maar een fractie van de zomertijd, dus de opbrengst is verre van in lijn met het verbruik.

Experimenteren met verschillende parameters in de bovengenoemde PVGIS-tool geeft iets meer duidelijkheid, hieronder wordt een voorbeeld weergegeven van de invloed van het wijzigen van verschillende parameters voor een veronderstelde locatie.

Voorbeeldconfiguraties en hun resultaten

Voor alle volgende voorbeelden wordt aangenomen dat Düsseldorf-Volmerswerth met de coördinaten (WGS84) 51.188 (N), 6.749 (E) de geolocatie is.

Mobiel gebruik

Vanwege de beperkte beschikbare ruimte voor PV-modules wordt uitgegaan van het gebruik van twee modules van 575 Wp. De accucapaciteit fungeert als een variabele, waardoor langere periodes van minder zonlicht mogelijk zijn naarmate de grootte groter wordt, maar aan de andere kant ook langere perioden van zonneschijn nodig zijn om een volledige oplaadcyclus te voltooien.

Het – blijvende – minimaal mogelijke verbruik wordt als een constant en noodzakelijk gegeven beschouwd. Achtergrond: iedere verbruiker die altijd betrouwbaar van voldoende stroom MOET worden voorzien (bijvoorbeeld ook medische apparaten zoals perfusoren, ventilatie etc.), maar ook verlichting, routers en andere verbruikers worden bij elkaar opgeteld, met als resultaat de minimale omvang die betrouwbaar is te allen tijde en onder alle gestelde voorwaarden beschikbaar.

Stationair gebruik

Hier worden zowel het moduleoppervlak als de batterijcapaciteit als variabelen beschouwd, alleen het verbruik wordt als statisch beschouwd.

Het min-max dagverbruik, bepaald aan de hand van de dagelijkse meterstanden tijdens de wintermaanden, kan als grove richtlijn dienen. In het minimumscenario moet de werking van apparaten die zowel permanent als vaker overdag worden gebruikt, worden gegarandeerd; vooral apparaten die veel energie verbruiken, moeten met zorg in gebruik worden genomen. Dit bespaart financiële middelen bij het geheugenontwerp.

In het maximale scenario kunnen alle apparaten in de gebruikelijke mate functioneren, zonder enige beperking. Dit zou als optionele doelstelling denkbaar zijn, zij het met gebruikmaking van groter kapitaal.

Wat als…?

Simulatie – mobiel gebruik

Uitgaande van een vlakke montage van de PV-modules (kantelhoek 0°) ontstaan de volgende gegevens:

500 Wh gegarandeerde opbrengst in de wintermaanden bij 1.150 Wp en een accucapaciteit van 1.120 Ah, wat overeenkomt met 14.336 Wh, met een maximale ontlading van 85 %.

Verbruik je meer dan 500 Wh per dag, dan loop je het risico dat de accu’s volledig leeg raken omdat het dagelijkse zonlicht niet meer voldoende is om voldoende op te laden.

Een verhoging naar 850 Wh vermogen is alleen mogelijk met een vier keer (!) hogere accucapaciteit en resulteert in een ontlading tot 71 procent.

Simulatie – stationair gebruik

Bij stilstand wordt de hellingshoek geoptimaliseerd in zuidelijke richting: het resultaat is een opbrengstverhoging tot wel 50 %. Een kantelhoek van 35° wordt als standaard beschouwd. Omdat de zon in de winter lager staat, zorgt een steilere hoek van 39° voor hogere opbrengsten in de wintermaanden. Steilere hoeken resulteren daarentegen in een vermindering van de opbrengst.

750 Wh dagelijkse extractie is mogelijk bij een hellingshoek van 39°, met verder identieke gegevens.

Ter vergelijking Österby - provincie Gotland, Zweden (51.188, 6.749) - hier resulteert slechts een hellingshoek van 69° in een mogelijke dagelijkse extractie van 500 Wh met een ontlading van 85 procent.
Het verkleinen van de hellingshoek tot 39° resulteert echter in een verminderde opbrengst van slechts 10 %.
In gebieden met veel sneeuw is een steilere positie zinvol, simpelweg omdat dit de ophoping van sneeuw op de modules vermindert.