Zonne-energie Off-Grid, kan dat?

type: note | domain: technology | topic: backgrounders | lang: nl | pub: 2024-05-21

Ja, je kan altijd "off-grid" gaan en dus niet meer afhankelijk zijn van leveranciers van elektriciteit. Echter, het vergt aangepast gebruik en veel voorzieningen. Dus voor een land als Nederland is het (nog) niet echt een goede optie. Als we kijken naar een Zuid-Europees land met veel zon, dan wordt het een ander verhaal.

Wat is de energiebehoefte?

• 1 kWh is 1 KiloWattUur is 1000 Watt een uur lang. Als je een waterkoker van 1000 Watt een uur gebruikt, dan is de gebruikte energie 1kWh.
• 1 m³ gas is een kubieke meter gas. Zo'n kubieke meter bevat ongeveer 10 kWh energie.
• COP, Coefficient Of Performance, het rendement van warmtepompen, moderne airconditioners. Bij een COP van 2 stop je 1kWh in de warmtepomp en krijg je 2kWh aan verwarmde of gekoelde lucht.

Een typisch Nederlands gezinnetje...

Maart 2024: Nibud.nl weet ons te vertellen dat een vrijstaande woning in Nederland gemiddeld 1960 m3 gas verbruikt en 4 personen 3790 kWh stroom verbruiken. Een grove benadering:

• 3790 kWh aan elektriciteit wordt gebruikt voor tal van apparaten.
• 1960 m3 gas voor verwarming laat zich vertalen naar verwarmen en vooral koelen met een COP van 2: 1960 * 10 / 2 = 9800 kWh.
• Per jaar is de energiebehoefte 14000 kWh.
• Per dag is dat 40 kWh voor in Nederland.

Appels en peren, ze smaken allebei naar fruit.

Dat is allemaal leuk en aardig maar als er vier airco's van 3kW 8 uur aanstaan op de hete dagen in het zuidelijke land, hoe zit het dan? Dan ben je zo'n 100 kWh verder. Als een zonnepaneel 2.5 kWh per dag levert, dan heb je er alleen daar al 40 voor nodig.

Heel grof gezegd, wat je in Nederland kwijt bent aan verwarmen in de winter ben je in een zuidelijk land kwijt aan koelen in de zomer. Ja, dat is wel een beetje appels en peren vergelijken maar je moet ergens beginnen.

Waar je je echt bewust van moet zijn

Er ontstaat een dilemma voor wie volledig off-grid wil gaan:

• Qua levering is het elektriciteitsnetwerk vrijwel oneindig.
• Jouw zonnepanelen zitten altijd aan een maximum vast.

Dit is een beperking waar je je echt bewust van moet zijn, je zal op enig moment genoegen moeten nemen met bijvoorbeeld twee airco's aan - of je zet er nog een aantal panelen bij. In die laatste situatie moet je je er wel van bewust zijn dat het totale rendement omlaag gaat, je investering gaat immers omhoog terwijl je met wat zuinigheid ook goed kan leven.

Wel goed nieuws

• Situatie in Nederland: Energiebehoefte is in de koude winter groot, er is weinig zon en dus ben je afhankelijk van het stroomnet of een eigen generator.
• Situatie in zuidelijk land: Energiebehoefte is in de warme zomer groot, er is dan veel zon en dus ben je niet of minder afhankelijk van het stroomnet of een eigen generator.

Om dit kopje te besluiten, 50 moderne panelen zijn zo'n 100m2 oppervlakte, zo'n 10 bij 10 meter. Het lijkt mij, met een flinke slag om de arm, een behoorlijk uitgangspunt met een piekvermogen van ruim 25 kW, meer en minder is mogelijk.

Twee benen op de grond

Het voorgaande laat zien dat een serieus systeem al meteen vrij groot is qua omvang en toch op tijden zijn beperkingen kent. De vraag is of je hier vol op in zou willen zetten want er komt nog heel wat bij, zoals bekabeling, controllers, accu's en het installeren met alle benodigdheden.

Daarnaast moet je heel goed weten wat je aan het doen bent en met verstand van zaken aan de slag. Een van de belangrijkste dingen is het besef dat je met zowel hoge spanningen en stroomsterkten werkt. Het is letterlijk levensgevaarlijk. Denk dan aan brand- en elektrocutiegevaar. Professionele hulp is vrijwel altijd een vereiste.

Dan is er zoiets als motivatie. Doe je het om geld te besparen? Of wil je idealistisch bezig zijn? Hoe ver wil je gaan?

Die vraag kan vertaald worden naar naar gewoon beginnen, laat het groeien en stop als je er genoeg van hebt of als je doel bereikt is. Als iets duidelijk is dan is het dat zo'n project omvangrijk en ingrijpend is plus dat het kostbaar is. Echter, klein beginnen levert direct een beloning op: Je energierekening daalt flink.

En er is meer goed nieuws, de prijzen van panelen en accu's zijn enorm gezakt de laatste jaren waarbij de kwaliteit steeds beter is geworden.

Modulaire opbouw

Dit is een schema en wat duidelijk mag zijn is dat de opbouw modulair is. De hoeveelheid panelen die aan een controller gehangen kunnen worden is afhankelijk van het maximum Voltage (Voc) en of piekvermogen (Wp) van een paneel maal het aantal panelen. Dus je hebt in feite paneelmodules (A,B,C,...) en accu-modules (P,Q,R,...).

Het spreekt voor zich dat je zo door kan bouwen naar behoefte. En als er een module een storing heeft dan blijft het systeem draaien.

Case

Ik ken meerdere mensen in het zuiden van Europa die serieus geïnteresseerd zijn om dit in te vullen, dus laten we er een case van maken.

Wat hebben we nodig?

• Zonnepanelen
• Accu's
• Hybride controllers
• Installatiemateriaal
• Constructiemateriaal

Zonnepanelen

• De markt beweegt volop, prijzen zijn uiterst scherp en er zijn tal van fraaie technieken. Wie op het net zoekt vindt veel.
• Je kan panelen op de grond zetten, afdakjes maken, op het dak plaatsen en meer.
• Zorg voor een minimale helling van 1:10 of 6 graden.
• Natuurlijk is het een goed idee om de positie te optimaliseren, de juiste horizontale en verticale hoek te kiezen maar dat uitgangspunt is niet meer zo heilig als we de huidige prijzen in aanmerking nemen.
• Zorg er wel voor dat de panelen van één groep dezelfde hoek hebben.
• Schaduwplekken binnen de groep zijn uit den boze.
• Hete panelen: Rendement is lager en levensduur is korter. Zorg voor zoveel mogelijk ventilatie onder de panelen, dus zoveel mogelijk vrije lucht onder de panelen.
• Zorg voor spatiëring tussen groepen panelen zodat bij brand onder de panelen geblust kan worden. Dat is met name bij panelen op daken van belang.

Accu's

De prijzen van kant-en-klare accu's zijn nog steeds zeer hoog. Wie de bouw in eigen hand neemt kan echt fors besparen. Een voorbeeld:

Een unit voor 48 V bestaat 16 cellen van 340 Ah. Zo'n unit kan 16 kWh opslaan. Voor Labora is als uitgangspunt genomen dat het voldoende moet zijn om twee dagen te overbruggen. Echter als je alleen de nacht moet overbruggen met de nodige reserve voor overdag, dan zou je met vier van deze units (~64 kWh) al een heel eind kunnen komen.

Wat betreft accu's zijn er een aantal belangrijke opmerkingen te maken:

• Plaatsing
  • Altijd buiten, nooit binnen, blussen is een probleem.
  • Zo dicht mogelijk bij de controller i.v.m. kabelverliezen
  • Geen direct zonlicht, koel met voldoende ruimte tussen packs. Bijvoorbeeld in stenen behuizing in de schaduw van de panelen, al dan niet onder maaiveld. "thermal runaway" is de term voor de exotherme reactie als het fout gaat, voorkom dat.
• BMS
  • Zorg voor een goed BMS (Battery Management System). Feitelijk is dit een verzekering, een soort van hoofdschakelaar, die het volgende afhandelt:
    • Te grote stromen naar en van de accu.
    • Bescherming tegen te hoge en te lage spanning - de accu leeft er een stuk langer door.
  • Bedenk dat het ook een functie van de controller is om accu-spanningen binnen grenzen te houden en dat een goed ontwerp, de relatie tussen aantal controllers en accu's, te grote stromen voorkomt.
  • Vul dit aan met thermische akoestische beveiliging. Ik gebruik 75 graden als maximale grenswaarde.
  • Zorg voor voldoende capaciteit van balanceerstromen, bijvoorbeeld met "flying capacitors". Een stroomsterkte van 1 A om te balanceren is echt het minimum. Persoonlijk heb ik een kleine voorkeur om dit met aparte elektronica te regelen, niet geïntegreerd in de BMS.
• Aansluiting
  • Bespaar niet op koper, bereken de doorsnede van de kabel met een flinke veiligheidsmarge.
  • Verbindingsplaten om de cellen te verbinden bij voorkeur links laten liggen. Gebruik liever platte litze, hier zie je hoe je die kan maken.
  • Extreem belangrijk: Draai moeren altijd aan met het juiste moment.
• Kwaliteit
  • Er is veel zwendel op de markt, zowel met losse cellen als met complete accu's.
  • Er zijn gerenommeerde verkopers op de markt, koop altijd via hen. Het kost niet eens veel meer.
• Stromen van en naar de accu:
  • Houdt de kabels zo kort mogelijk. Fijn voor de portemonnee. Verplaats accu's naar de controller of, mogelijk slimmer, verplaats de controllers zo dicht mogelijk naar de accu's.
  • Zorg ervoor dat de accukabels van de controllers samenkomen op één gemeenschappelijke plaats waar alle plus- en minus-kabels worden verbonden, je ziet dat punt terug in de afbeelding hiervoor. Gebruik daar voor iedere pool een serieuze bus-bar voor, een dikke plaat koper waar de ogen van de kabels met RVS-bouten (M8) op geklemd worden met een juist koppel.
  • Iedere accu dient zo dichtbij als mogelijk een smeltzekering te bevatten, bijvoorbeeld MEGA-fuse met een waarde die hoger ligt dan die van het BMS.
  • De maximale laadstroom is meestal 0.5*C en ontlaadstroom 1*C. Dus 160 A en 320 A voor een accu met 320 Ah-cellen. Echter, bedenk dat drie controllers die ieder 80 A laden funest voor de accu zijn in dit geval. Alles dient dus in balans te zijn.

Hybride controllers

Er zijn diverse betaalbare controllers op de markt. Kies een controller die gekoppeld kan worden aan, die kan communiceren met, andere controllers.

Een voorbeeld (Easun Power 6.2KP), een controller kan 6500 W en 500 V aan panelen hebben. Een paneel: Pmax is 580 W en Voc is 48 V. Dat betekent dat er maximaal 10 panelen in serie aan deze controller gekoppeld kunnen worden. De controller kan maximaal 6200 W leveren onder optimale omstandigheden (die er in de praktijk nooit zijn). Met 80 A stroom van 48 V uit de accu's kan zo'n 3400 W netto geleverd worden als het donker is. Zo'n complete unit levert op een goede dag zo'n 25 kWh.

Installatiemateriaal

Opmerkingen hierover:

• MC4-verbindingen: iedere verbinding heeft twee krimpverbindingen en de stekker zelf. Dat zijn drie contactweerstanden. 10 panelen: 30 contactweerstanden. Doe jezelf een plezier en krimp de verbindingen, maar geef ze een dotje soldeertin met als flux uitsluitend rosin (i.e. colofonium of pijnhars) om zo 20 contactweerstanden weg te nemen.
• Gebruik voldoende dikke kabel om kabelverliezen te beperken. Bezuinig hier niet op.

Constructiemateriaal

• Behuizing accu's en controllers: steen, droog, in de schaduw, zo koel mogelijk, met veel ventilatie. Verder goed toegankelijk, voldoende hoog om controllers goed af te kunnen lezen. Rondom vrij van brandbare materialen, struiken enzovoorts.
• Het is verstandig en mogelijk verplicht het metalen frame te aarden. Bliksem kan zo aanzienlijk minder of geen schade aanrichten en werken aan de installatie is een stuk veiliger.
• Het frame van aluminium maken voorkomt galvanische corrosie van de panelen.
• Framevoorbeeld, doorsnede op basis van aluminium koker 40*40*2 met betonbielzen:
  
• Gebruik voldoende ballast voor de panelen. Je kan natuurlijk ook grondankers gebruiken. Als ballast vast ligt, dus niet kan schuiven, dan is aanzienlijk minder ballast nodig. 50 a 100 kg per m² paneel is de orde van grootte waaraan gedacht moet worden. Er zijn de nodige tabellen voorhanden.

Featured Image Courtesy...