Duurzaam rijden, het is onderweg

Transcriptie

1 Departement Industriële Wetenschappen en Technologie Opleiding Bachelor in de elektromechanica Afstudeerrichting elektromechanica Duurzaam rijden, het is onderweg Eindwerk aangeboden tot het behalen van het diploma van Bachelor in de elektromechanica door Nicolas Belpaeme Wim Scheemaeker o.l.v. Sacha Cleeren, KHBO Frans Delepierre, Packo (Pacotex) Academiejaar KHBO Campus Oostende Zeedijk 101 B-8400 Oostende Tel Fax

2 Mededeling Deze eindverhandeling was een examen. De tijdens de verdediging geformuleerde opmerkingen werden niet opgenomen.

3 Woord vooraf Als sluitstuk van onze opleiding professionele bachelor Elektromechanica, aan het KHBO te Oostende, diende er een eindwerk gerealiseerd te worden. Hieraan werd een stage gekoppelde. We kozen dit onderwerp omdat het ons de mogelijkheid gaf onze beperkte kennis rond duurzame energie uit te breiden. Meer en meer wordt gezocht in de industrie naar oplossingen voor de milieuproblematiek en ervaring hierover opdoen vonden wij een groot pluspunt voor onze verdere carrière. Daarom hebben we deze unieke kans gegrepen om deze problematiek wat dichterbij te bestuderen door mee te werken aan een alternatief voor de huidige transportmethode. Graag zouden we een dankwoord willen uiten naar de personen die het mogelijk gemaakt hebben om ons eindwerk te realiseren. Om te beginnen danken wij Dhr. Roland Packo. Dankzij zijn interesse in elektrische voertuigen kregen we de kans ons verder te verdiepen in deze problematiek. Ook gaf hij ons enige kennis door omtrent het economisch aspect. Eveneens willen wij onze buitenpromotor Dhr. Frans Delepierre bedanken die ons de kans gaf gebruik te maken van zijn infrastructuur, tijd en technische kennis. Graag willen we ook onze binnenpromotor Dhr. Sacha Cleeren bedanken voor zijn enthousiasme rondom ons project en nuttige ideeën voor het realiseren van dit eindwerk. Hij bood ons de mogelijkheid om het onderwerp vanuit een ander standpunt te gaan benaderen. Evenzeer bedanken we de personen die ons hielpen dit eindwerk na te lezen en te verbeteren. Verder willen we ook het enthousiaste Packo-Agri team bedanken dat ons gedurende onze stage goed heeft bijgestaan. Ook de mensen van andere bedrijven zoals Electrawinds, Greenbridge, willen we bedanken voor het verschaffen van de nodige informatie. Tot slot bedanken we onze ouders die ons goed hebben ondersteund en de kans gaven om ons te ontplooien en de voorbije drie jaar goed af te sluiten. Veel leesplezier Nicolas Belpaeme Wim Scheemaeker

4 Abstract De stijgende energieprijzen baren veel mensen grote zorgen, ook de opwarming van de aarde laat velen niet ongemoeid. Dhr. Packo is één van deze mensen die openstaat voor nieuwe ideeën. Het was onze opdracht om te bewijzen dat het ook anders kan. Hiervoor hebben we een alternatief uitgewerkt: Er zijn op vandaag al enkele elektrisch aangedreven voertuigen op de markt. Na grondige studie, waarbij de verschillende mogelijkheden onder de loep werden genomen, hebben we ervoor gekozen om een wagen te laten rijden met hernieuwbare energie. De voor het project bruikbare energiebronnen werden in functie van het verbruik op jaarbasis, gedimensioneerd en bestudeerd. Deze energiebron diende voor Dhr. Packo hernieuwbaar te zijn. Naast het maken van deze berekeningen hebben we ons ook toegelegd op het realiseren van dit eindwerk en wat hier allemaal komt bij kijken. Bij het realiseren van dit project kregen we vooral een coördinerende functie toebedeeld. Om de wagen op te laden hebben we bijvoorbeeld een dubbele garage met daaraan een carport voorzien met netgekoppelde zonnepanelen. Bij de PV-installatie diende een juiste keuze gemaakt te worden voor omvormer en bijhorende zonnepanelen. Dit in functie van het vermogen dat nodig was voor de auto. Naast de realisatie van het project hebben we ook een studie gedaan naar de invloed van grootschalig gebruik van elektrische wagens en toepassingen die kunnen worden geïntegreerd, zoals een smart-grid en laadeenheid. We kozen voor dit eindwerk omdat het voor ons een unieke kans was om meer te weten te komen over de probleemstelling van morgen en de daarbij horende mogelijke oplossingen. Tot slot zijn we erin geslaagd een besluit te vormen aan de hand van een economische prijsberekening van het totaal concept.

5 Inhoudsopgave Mededeling.... Woord vooraf.... Abstract.... Inhoudsopgave.... Hoofdstuk 1 Introductie bedrijf Geschiedenis... 1 Hoofdstuk 2 Doel van de opdracht Verbruik... 4 Hoofdstuk 3 Duurzame energiebronnen Waarom kiest men voor hernieuwbare of duurzame energie? Hernieuwbare energie vandaag in België Biomassa Waterenergie en waterkracht... 9 Hoofdstuk 4 Windenergie Wat is windenergie? Windsnelheid Snelheidprofiel Windsnelheidsverdeling De windturbine Horizontale-as-windturbine (HAWT) Stroming rond de bladen (HAWT) Werking HAWT Productie vermogen windturbine Regelingen HAWT Vermogensregeling Kruisysteem Stormbeveiliging Kleine windturbines Verticale-as-wind-turbine (VAWT) Savonius turbine Darrieus turbine Berekeningen windgegevens De verschillende windmolens (vermogenscurve) Berekenen opbrengst...32

6 4.6.4 Overleg met de omwonenden en de gemeente...34 Hoofdstuk 5 Zonne-energie Inleiding: Eigen berekeningen voor bepalen opbrengst zon Meting zonintensiteit door weerstations Manieren van de installateurs voor het berekenen van de zonopbrengst Werking zonnecel Opbouw van een PV-paneel Soorten PV-panelen Opbouw van een netgekoppelde PV-installatie Veiligheden PV-installaties De omvormer Karakteristiek van een zonnepaneel Kenplaatgegevens zonnepaneel Hoe op elkaar afstemmen? Optredende verliezen Terugverdientijd installatie en kostprijs groenestroom...57 Hoofdstuk 6 Transport van elektriciteit naar batterij wagen Autonome systemen Zonder opslagbatterij Met voorraadbatterij Netgekoppelde systemen Het huidige elektriciteitsnet Het smartgrid Vehical to grid en microgrid Conclusie Opladen elektrische wagens Batterijlader Conductief Oplaadmodus 1: Onaangepast stopcontact( non-dedicated outlet) Oplaadmodus 2: Onaangepast stopcontact met beschermingswijze in de kabel Oplaadmodus 3 : speciaal stopcontact ( dedicated outlet ) Oplaadmodus 4: DC-aansluiting voor snelladen Draadloos/Inductief Batterij wisselen...71

7 6.5 Analyse kostprijs grijze stroom...72 Hoofdstuk 7 Energiedragers Fossiele brandstof Groene energiedragers Biobrandstoffen Elektrische energiedragers Waterstof (H 2 ) Wat kost het nu met de verschillende energiedragers? Vergelijking kost brandstofverbruik...77 Hoofdstuk 8 Elektrisch aangedreven wagens Inleiding: Milieuvriendelijke wagens Parallelhybride aandrijving Seriehybride aandrijving Gecombineerde hybride aandrijving Microhybride Mild hybride Plug-in hybride met auto range extender Elektrische wagen (FEV) De elektrische wagen/fev Het bereik Marktaandeel EV Welk elektrisch voertuig? Fiscaliteit elektrische voertuigen Toekomst FEV Werking FEV Onderdelen FEV Batterijpakket Omvormer Motor Reductietandwielkast Waterstoftechnologie Gebruik waterstof in wagens Brandstofcellen...95 Hoofdstuk 9 Milieuaspect Wind en zonne-energie...97

8 9.2 Vermeden emissies met elektrisch rijden Emissies bij productie Nissan LEAF...98 Hoofdstuk 10 Realisatie Bevindingen De carport Hoofdstuk 11 Besluit Hoofdstuk 12 Bibliografie

9 Hoofdstuk 1 Introductie bedrijf In dit hoofdstuk wordt het moederbedrijf van dichtbij bekeken. Eerst zal besproken worden hoe het bedrijf zich ontwikkelde door de jaren heen, vervolgens worden de verschillende vestigingen besproken. Hierna wordt het ontstaan en deactiviteiten van Pacotex uit de doeken gedaan. De informatie uit dit hoofdstuk is afkomstig van de website van Packo. Deze informatie werd dan aangevuld met info die verkregen is van Dhr. Roland Packo en Dhr. Frans Delepierre. 1.1 Geschiedenis Packo Inox NV Net na de Eerste wereldoorlog waren de drie broers (Leon, Gustaaf en Charles) Packo in Zedelgem gestart met een smederij. De handel in kleine landbouw werktuigen was niet ver weg; Charles (vader van Roland, Gerard en François) ontpopte zich tot verkoper met de fiets, motorfiets in 1925, om reeds in 1933 de eerste Ford auto aan te schaffen. Charles vond afzet in de verwante gebieden (Diksmuide en Ieper) en vanzelfsprekend in Houtland en het Brugse noorden. Na de Tweede wereld oorlog werden er zelfs kleine machines voor de landbouw geproduceerd. Door het vroege overlijden van Dhr. Charles (1957) namen zijn zonen de zaak over. In de jaren 60 begon het bedrijf met de ontwikkeling en productie van melkkoelapparatuur. Met het oog op de overschakeling naar bulk-ophaling door zuivelbedrijven, voorzag de firma Packo een toekomstige behoefte aan melkkoeluitrusting. Vanaf de jaren 70, aangemoedigd door het succes van de melkkoeltanks, begon Packo zijn kennis van inox bewerking uit te breiden naar andere producten, waaronder Vriestunnels, opslag- en verwerkingsvaten en gehele melkinstallaties vinden hun oorsprong in deze dagen. Dit leidde tot een geleidelijke uitbreiding en modernisering van de productievloer en tot een nieuw kantorenblok in Toen waren er reeds 150 mensen in dienst. Toen was ongeveer 70% bestemd voor export. Vandaag werken er 180 mensen in Packo te Zedelgem, de totale oppervlakte bedraagt 15000m². Packo Inox NV, afdeling Diksmuide Figuur 1 - Smederij, Packo te Zedelgem & Diksmuide Een Tweede fabriek werd in 1974 in Diksmuide gebouwd. Samen met de Engelse melkmachineproducent Fullwood Ltd., werd de productie van inox onderdelen voor melkmachines en pompen gestart. In 1995 werd de productievloer verdubbeld. Zoals o.a. de onderliggende evolutie van onderaannemer tot een klant gestuwde productorganisatie. Gezien de bloei en de verwachte groei voor de komende jaren, was nog een uitbreiding nodig. Deze bevatte Europa s grootste installatie voor het elektrolytisch polijsten van inox onderdelen en pompen. Pacotex NV Introductie bedrijf 1

10 Een essentieel onderdeel van Packo s wereldwijde uitbreiding was de vestiging van meer eigen bedrijven. In 1973 werd in Forges-Les-Eaux te Frankrijk een verkoopkantoor voor melk- en melkkoelingsuitrusting gestart. In 1976 opende Packo een nieuwe fabriek voor de bouw van tanks in Kanturk, Co Cork (Ierland) en in 1996 startte Packo met de verkoop van tanks in Leongatha, Australië. In 1998 werd Packo Plurinox do Brasil opgericht als joint venture tussen Packo, Fullwood en Plurinox, de lokale producent van roestvrijstalen uitrustingen in Batatais. Packo Agri NV Figuur 2 - Packo Frankrijk, Ierland & Brazilië De familie Packo richtte in 1979 aan haar kant het bedrijf Packo Agri NV op, dat zich uitsluitend bezighield met de verkoop van landbouwmachines en apparatuur voor de melkwinning in België. De verkoop kwam in opmars wanneer er in 1981 een overeenkomst werd afgesloten met de gerenommeerde Franse fabrikant KUHN van getrokken en gedragen landbouwmachines. Figuur 3 - Packo Agri In 1989 werden alle industriële activiteiten binnen de groep Packo verkocht. Dit binnen het kader van de familiale opvolging. Packo Agri echter, bleef in handen van Jan Packo en Roland Packo. Vanaf 2004 werden de melkmachine-activiteiten afgestoten en worden nog enkel land- en tuinbouwmachines (Packo Agri) en machines voor het onderhoud van groenvoorzieningen (Packo greentech) verdeeld. Packo Agri NV opereert vanuit zijn twee vestigingen (Zedelgem in West-Vlaanderen en Ciney in de provincie Namen) en behoort sinds februari 2006 tot de REESINK-groep (Nederland) die tevens actief is in de distributie van landbouwmachines. Figuur 4 - Packo Agri te Zedelgem & Ciney Pacotex NV Introductie bedrijf 2

11 Pacotex Roland Packo en Frans Delepierre zijn in 2006 gestart met Pacotex en Packo RSA (Zuid- Afrika). Pacotex is gevestigd op het terrein van Packo Agri Zedelgem en spitst zich toe op drie activiteiten. Enerzijds is er de handel in melkinstallaties en melkapparatuur, dit is dan vooral voor de vestiging in Zuid-Afrika (Packo RSA). Dit mag bovendien aanzien worden als de hoofdactiviteit van Pacotex. Anderzijds is er de trading van landbouwmateriaal alsook de ontwikkeling van inox pompen en elektronica onderdelen, en als laatste houden ze zich ook bezig met soja producten. Pacotex wil zich in de toekomst meer en meer gaan toeleggen op export, en in het bijzonder naar de Afrikaanse markt. Het is dan ook de bedoeling dat Pacotex zich niet enkel bezighoudt met de distributie en de verkoop van melkmachines, maar zich ook toespitst op de sojasector. Pacotex is een commerciële onderneming, maar toch niet bang om te investeren in ontwikkelingsprojecten. Zo hopen ze te kunnen rekenen op de steun van de overheid om dit project te kunnen realiseren. Figuur 5 - logo Pactotex Pacotex NV Introductie bedrijf 3

12 Hoofdstuk 2 Doel van de opdracht De opdracht hield dus in om een zuiver elektrische wagen aan te kopen. Hierbij moest het verbruik van deze wagen op jaarbasis gecompenseerd worden. De eerste stap was dus het bepalen van dit verbruik. Vervolgens werden de soorten energiebronnen onderzocht en bepaald welke er van toepassing waren op het project. 2.1 Verbruik Het verbruik van Dhr. Packo werd bepaald aan de hand van informatie die hij ons gaf. Later in het boek word uitgelegd waarom we welke auto kozen. Dit is de Nissan LEAF geworden, na enkele testritten bleek dat het verbruik sterk afhankelijk was van het soort rit dat gemaakt wordt. De ene keer konden we met volle batterij 100km afleggen de andere keer 130km. Alles hangt af van het soort traject en hoe de bestuurder rijd. Hierdoor waren we genoodzaakt een gemiddeld verbruik te gaan zoeken. Een volle batterij van de Nissan LEAF komt overeen met 24kWh. Gemiddeld verbruik: 1kWh komt dan overeen met 4,747km 24kWh is dan 113,933km Per week wou Dhr. Roland ongeveer 400km afleggen. Hieronder vielen de verplaatsingen van zijn thuisplaats in Knokke naar Packo te Zedelgem en omgekeerd. Deze afstand bedraagt 30 km. Heen en terug is dat dus 60 km. Dit vier dagen in de week wat uitkomt op 240 km. Verder wou hij nog per dag 20 km kunnen rondrijden in en rond Knokke en Zedelgem. Wat het totaal bracht op 400 km. Het gemiddeld berekend verbruik kwam ook overeen met wat op het scherm in de Nissan LEAF werd weergeven dit stond op een 0,2 kwh per kilometer. Per week wordt dus een afstand van 400km afgelegd wat ons op een afstand van 20800km per jaar brengt. Dit werd het te compenseren verbruik en hier werd de nodige energiebron voor gezocht. Ook moest verder gezocht worden naar wat het nu zou kosten per kilometer om met deze wagen te rijden. Dit werd dan vergeleken met andere wagens, ook deze die door middel van andere brandstof worden aangedreven. Pacotex NV Doel van de opdracht 4

13 Hoofdstuk 3 Duurzame energiebronnen Twee termen vormen vaak een discussie dit zijn hernieuwbare en duurzame energie. Beide zorgen voor veel verwarring, want een hernieuwbare energiebron is niet altijd duurzaam. Hernieuwbare energie is een vorm van energie die gewonnen kan worden en zichzelf terug gaat aanvullen. Zonne-energie, windenergie en biomassa zijn dus voorbeelden van hernieuwbare energie. Duurzame energie is energie waarover de mensheid vrijwel onbeperkt kan beschikken, maar geen schadelijke of nadelige effecten heeft voor het milieu of toekomstige generaties. Zo is biomassa een hernieuwbare energiebron, maar wanneer deze op grote schaal toegepast wordt, is dit geen duurzame energiebron. Dit omdat er nadelige gevolgen kunnen zijn voor de natuur en voedseltekorten mee kunnen ontstaan. 3.1 Waarom kiest men voor hernieuwbare of duurzame energie? CO 2 is een belangrijke oorzaak van de opwarming van de aarde. De reden hiervoor is dat CO 2 een broeikasgas is, deze gassen zorgen voor het warm blijven van de planeet waardoor het leefbaar is. Door extra CO 2 in de dampkring te sturen, wordt dit broeikasgas versneld waardoor de temperatuur op de aarde stijgt. Dit geeft als gevolg dat onder andere ijsbergen smelten en de zeespiegel stijgt. Ten gevolge van de stijgende warmte zullen over het algemeen steeds drogere perioden zijn, waardoor er ook meer woestijnen zullen ontstaan. Om de toename van deze extra CO 2 te gaan beperken, worden er allerlei maatregelen en afspraken wereldwijd gemaakt. Hieruit zijn onder andere de Kyoto-normen ontstaan. Figuur 6 - Opwarming van de aarde Ook de doelstelling zijn een afspraak om de CO 2 uitstoot te gaan verminderen. Dit zijn maatregelen die opgelegd zijn door de Europese Unie, omdat tegen 2020 de uitstoot van CO 2 met 20% moet dalen in Europa. Ook het energieverbruik moet met 20% dalen en het aandeel van hernieuwbare energie moet verhoogt worden naar 20%. Bijkomend is dat het brandstofverbruik in de transportsector moet bestaan uit 10% biobrandstof. Figuur 7 - Broeikaseffect Pacotex NV Duurzame energiebronnen 5

14 Fossiele brandstoffen worden ook steeds schaarser en de verbranding ervan veroorzaakt CO 2 uitstoot. De perioden tussen de recordprijzen worden steeds kleiner, maar toch komen er nog steeds wagens bij, waardoor de vraag nog groter wordt en de prijs blijft stijgen. Fossiele brandstoffen kunnen niet zo snel door de natuur worden aangemaakt, waardoor het aanbod dus steeds kleiner wordt. Hierdoor moet gezocht worden naar alternatieven om onze levenswijze te waarborgen. Volgende figuur geeft het aantal vaten weer die gevonden worden per jaar en de productie ervan. Er werd ook een schatting gemaakt van wat er nog ontdekt zal worden in de toekomst. Grafiek 1 - Voorspelling fossiele energie voorraad België heeft geen fossiele brandstoffen, hierdoor moet België momenteel 74% van alle energie importeren, waardoor ook de prijzen voor de eindgebruiker niet zo laag kunnen liggen. België stond daarmee op de achtste plaats in de Europese Unie in Door onder andere de taksen op de fossiele brandstoffen staat België in de top vijf voor de duurste brandstofprijzen van de Europese Unie. Tabel 1 - prijs berekening brandstof Pacotex NV Duurzame energiebronnen 6

15 3.2 Hernieuwbare energie vandaag in België De Europese Unie stelde richtlijnen op voor de verschillende lidstaten om het gebruik van hernieuwbare bronnen te gaan bevorderen. Ieder lidstaat moet een deel van zijn energieproductie uit hernieuwbare bronnen halen. Dit deel is voor ieder land apart berekend. Momenteel bedraagt de hernieuwbare elektriciteitsproductie in België ± zes procent om de doelstellingen te halen moet dit 13% worden Biomassa Grafiek 2 - Hernieuwbare energieproductie in België In Europa is ongeveer 6,7 procent van alle energie afkomstig uit hernieuwbare energie, daarvan is zo n 2/3 opgewekt via biomassa. Biomassa is daarmee momenteel de belangrijkste hernieuwbare energiebron. Een belangrijk voordeel van biomassa is, dat men er energie kan uithalen door te verbranden wanneer de mens dat wil. Nadelig bij die verbranding is, dat de CO 2 die de plant in kwestie gedurende haar hele leven had opgenomen dan wel weer vrijkomt. Maar uiteraard is de gehele CO 2 cyclus neutraal. Dit wordt ook wel de koolstofcyclus genoemd. Figuur 8 - Kringloop bio-energie Pacotex NV Duurzame energiebronnen 7

16 Bomen zijn een soort van natuurlijke batterij die zonne-energie opslaan, hiervoor kan men ook speciaal planten kweken zoals: koolzaad, suikerriet, maïs enzovoort. Ook snelgroeiende bomen zoals wilg en populier ( = korte omloophout) kan men hiervoor kweken. Let wel, wanneer er echter concurrentie ontstaat met de voedselproductie spreekt men niet meer van duurzame energie. Biomassa bestaat ook nog in andere vormen zoals: biogas, groen afval, dierlijk afval met als voorbeeld mest en slib. Voorbeeld van dierlijk afval is het vet die gebruikt is van een aangespoelde potvis in Knokke-Heist (29/02/2012). Een eerste manier om energie uit biomassa te halen is via verbranding. De warmte die vrijkomt bij verbranding van biomassa-afval wordt dan overgedragen op lucht, water of thermische olie. De stoom die ontstaat gaat dan via een turbine die een generator aandrijft om elektriciteit op te wekken. Dit is ondermeer het geval bij de biostoomcentrale van Electrawinds in Oostende. De rookgassen worden vervolgens afgekoeld en vermengd met kalkmelk en actief kool. Dit om de schadelijke gassen in de rook makkelijker te gaan opvangen en te gaan filteren. De gezuiverde rookgassen verlaten de stoomcentrale via een schoorsteen waar constant metingen gebeuren om te zien of er geen gevaarlijke stoffen de lucht in geblazen worden. De verwijderde delen uit het rookgas worden dan uiteindelijk verzameld en afgevoerd. Figuur 9 Proces verwerking biomassa in biostoomcentrale Electrawinds Niet alle biomassa wordt verbrand, een ander proces om biomassa te benutten is door middel van vergassing. De biomassa wordt in een vergasser geplaatst en omgezet samen met een beperkte hoeveelheid lucht, zuurstof of stoom in een productgas. Dit gas wordt ook wel synthesegas genoemd. De vergassing is het thermisch ontleden van organisch materiaal met een beperkte hoeveelheid zuurstof. Tijdens het proces wordt er een beperkte hoeveelheid zuurstof toegevoegd. Dit voor het instant houden van het proces. Een derde manier is de anaërobe vergisting van biomassa. Biomassa wordt vergist waardoor verschillende bacteriën de organische stof gaan omzetten in biogas, dit in een anaërobe omgeving. Dit gas wordt onder andere in WKK s gebruikt. Het biogas kan doormiddel van bepaalde reinigingsprocedures ook omgezet worden tot aardgas. Bij vergisting wordt een onderscheid gemaakt tussen natte en droge vergisting. Een laatste manier om gebruik te maken van biomassa is door pyrolyse. Hier wordt de biomassa verhit zonder dat er zuurstof aanwezig is. Later wordt het product gescheiden van water en gebonden zuurstof, waardoor nog een olieachtig product overblijft. Pacotex NV Duurzame energiebronnen 8

17 3.2.2 Waterenergie en waterkracht In België is ook al een zeker percentage energie opgewekt via water. Water maakt 70% uit van het aardoppervlak en zijn kracht kan worden gebruikt voor energie, hetzij door gebruik te maken van: Een hoogte verschil d.m.v. een stuwdam. De stroomsnelheid van het water d.m.v. een waterrad. De golven van de oceanen. De Eb en vloed verschillen. Het verschil in zoutconcentraties en daarmee zoet water te maken. Hydro-elektrische energie: Hieronder vallen het gebruik maken van een hoogte verschil d.m.v. een stuwdam en stroomsnelheid van water d.m.v. een waterrad. Men gaat dus stromend of vallend water langs een waterrad laten lopen. Hierdoor zal het rad in beweging gebracht worden, hieraan is een generator gekoppeld om elektriciteit op te wekken. Het water heeft een bepaalde snelheid, dit is kinethische energie. Men gaat dus kinethische energie gaan omvormen tot elektriciteit. Wanneer er niet genoeg water is of het hoogteverschil te klein is, zal deze kinethische energie gaan afnemen. Dit tekort aan water kan ontstaan door droge periodes van weinig neerslag. Hiervoor worden stuwdammen gemaakt waardoor men een groot hoogteverschil gaat creëren. Het hoogteverschil is potentiële energie. Niet altijd moet hiervoor een stuwdam gemaakt worden, er zijn ook natuurlijke watervallen die hiervoor gebruikt kunnen worden. Waterkrachtcentrales maken gebruik van turbines in de vorm van een waterrad. Hieraan is een generator gekoppeld waardoor elektrische energie kan worden geproduceerd. Bij normale productie wordt een constante stroom van water voorzien om de generators aan te drijven en wanneer er piekvraag is zal er meer water doorgelaten worden. Het gebruik van stuwdammen brengt soms nadelige gevolgen voor het ecosysteem van bepaalde rivieren. Ook het visbestand in deze rivieren lijdt sterk onder deze dammen doordat ze niet meer kunnen passeren en niet tot hun broedgebied raken. Een goed voorbeeld van niet duurzame waterkracht is de Drieklovendam in China. Dit is de grootste in de wereld, waarvoor tal van gezinnen voor werden onteigend. Figuur 10 - Drieklovendam in China Pacotex NV Duurzame energiebronnen 9

18 Golfslagenergie: Hierbij gebruikt men de golven die omhoog en omlaag bewegen onder invloed van de wind. Dit kan op verschillende manieren. Een eerste methode is met behulp van drijvers die op het water deinen. Waarop de scharnierende gewrichten van de pelamis door de golven van de oceaan in beweging gebracht worden. Via deze weg worden een aantal hydraulische motoren aangedreven. Deze drijven op hun beurt een elektrische generator aan. Een pelamis is een zeelslang die beschikt over een aantal cilindervormige drijvers. Figuur 11 Pelamis Een tweede methode is door het water van de omhoogkomende golf op te vangen in een reservoir boven het zeeniveau, deze kan dan terugstromen en een generator aandrijven. In het water wordt luchtkolom geplaatst die aan de onderkant een opening heeft, vervolgens wordt door een hoge golf de lucht samengeperst in de luchtkoker en wordt deze luchtverplaatsing door de turbine omgezet in elektrische energie. Figuur 12 - Oscillerende luchtkolom Een derde methode is met behulp van omhoog komende golven en die op te vangen in een reservoir boven het zeeniveau. Dit water wordt dan weer losgelaten en stroomt naar beneden om generators te gaan aandrijven. Deze methoden hebben elk het nadeel dat ze onderhevig zijn aan het zout in het zeewater, waardoor vrijwel elk materiaal snel moet worden vervangen. Pacotex NV Duurzame energiebronnen 10

19 Getijdenenergie: Op plaatsen waar er voldoende hoogteverschil is bij eb en vloed is het mogelijk om bij hoog water het niveau achter een dam te verhogen en dit bij laag water via turbines gekoppeld aan generators terug te laten lopen. Dit kan werken in beide richtingen bij eb en vloed, zo krijg je een veel hoger rendement van de installatie. Blauwe energie: Figuur 13 Getijdenenergie Blauwe energie is het inmengen van zout met zoet water. Door het benutten van een verschil in zoutconcentratie kan men een elektrische energie opwekken. Hiervoor zijn twee mogelijkheden: Reversed Dialysis (RED) of Pressure Retarded Osmosis (PRO). In beide gevallen zal men gebruik gaan maken van membranen. Het water zal gaan stromen langs deze membranen. Bij RED wordt gebruik gemaakt van een tank met aan ene kant zeewater en aan de andere kant zoetwater. Het membraan gaat deze gaan scheiden. Het membraan laat enkel zoetwater door. Figuur 14 RED Bij de tweede techniek, PRO, wordt gebruik gemaakt van een hafdoorlatend membraan. Dit membraan zal water doorlaten, maar geen ionen. Dit membraan wordt tussen het zout en zoet water geplaatst. Er zal zoetwater door het membraan naar het zeewater stromen, wat voor een hoogteverschil zorgt. Door dit hoogteverschil ontstaat een drukverschil. Met deze beide verschillen kan men energie gaan opwekken. Figuur 15 PRO Beide methoden hebben als resultaat brak water. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van omgekeerde osmose om terug zoetwater te verkrijgen. Pacotex NV Duurzame energiebronnen 11

20 Hoofdstuk 4 Windenergie 4.1 Wat is windenergie? Windenergie is één van de voornaamste vormen van duurzame energie. Wind is eigenlijk een indirecte vorm van zonne-energie. De zonnestralen warmen de aarde op en hierdoor zal plaatselijk de warme lucht beginnen stijgen. Koude lucht in de atmosfeer zal terug dalen waardoor er luchtdrukverschillen ontstaan. Deze luchtdrukverschillen worden gecompenseerd door stromingen van lucht, die wind veroorzaken. Vroeger werden windmolens gebruikt voor het malen van koren, zagen van hout of verpompen van water. Hierbij werd windenergie direct omgezet in mechanische energie. Moderne windmolens wekken vandaag de dag elektriciteit op. Voordelen om te kiezen hiervoor zijn dat; wind onuitputtelijk is en op de meeste plaatsen op regelmatige basis ter beschikking is. Bovendien is de opgewekte energie schoon. Tijdens de opwekking van elektriciteit vindt er geen emissie van schadelijke stoffen plaats. Grote windturbines hebben een energie terugverdientijd van drie tot zes maanden. Dit is dus de periode die nodig is om de energie op te wekken die nodig was om de molen te maken. De economische terugverdientijd is moeilijker te bepalen, want die is sterk afhankelijk van de opbrengst en de vergoeding voor de geleverde elektriciteit. De grootste problemen voor het plaatsen van windturbines is de integratie in het landschap en de grote investeringskost die met de plaatsing van windmolens gepaard gaat. Ook is niet iedere locatie geschikt qua klimaat en landschap. Er moet over het ganse jaar voldoende wind zijn, zodat de geplaatste windmolen in kwestie rendabel is. Nadelen zijn: Voor de woongebieden: Geluidsoverlast Schaduwslag Rendementsdaling bij plaatsing in de nabijheid van hoogbouw Voor de natuurgebieden: Uitzicht bederven Vogelsterfte Voor het bereik van radarstations: De rotoren kunnen radarbeelden verstoren. Voor de scheepvaart routes: Offshore problemen met zeevaarroutes Figuur 16 - Windmolens in natuurgebied Pacotex NV Windenergie 12

21 4.2 Windsnelheid De energie productie van een windturbine is afhankelijk van de windsnelheid. Wind varieert voortdurend in snelheid en richting. Doordat wind zo veranderlijk is, is het moeilijk te bepalen wat het potentieel aan windvermogen is op een bepaalde locatie. Tussen windsnelheid en windvermogen bestaat er een derdemachtsrelatie P wind ~ v³. Een nauwkeurige bepaling van de windsnelheid is dus essentieel om te weten of het plaatsen van een windturbine op een bepaald locatie, economisch rendabel is. Er zijn variaties van de windsnelheid op secondeschaal. De windvlagen moeten in rekening gebracht worden met de variaties gedurende één etmaal. De windsnelheid is ook seizoensgebonden en varieert zelfs over een periode van een aantal jaar. De windsnelheid is ook sterk variërend en afhankelijk van de hoogte boven het aardoppervlak Snelheidprofiel Obstakels in een luchtstroming zorgen ervoor dat de lucht zal afremmen en om het obstakel heen buigt. Voor het obstakel zal de luchtdruk stijgen en erachter ontstaan wervelingen. Niet alleen windmolens zijn obstakels, maar ook op het aardoppervlak zelf staan er obstakels en deze werken als weerstand voor de wind. Hoe lager bij het aardoppervlak hoe lager de windsnelheid is. De windsnelheid op het aardoppervlak is afhankelijk van de ruwheid, waarbij de ruwheid afhankelijk is van de obstakels. Dit kunnen bossen of bebouwing zijn. Dus bij open vlaktes zal de windsnelheid hoger zijn op geringe hoogte in vergelijking met bebouwde gebieden Windsnelheidsverdeling Grafiek 3 - Windsnelheid in functie van hoogte en oppervlakteruwheid De windsnelheid varieert dus niet enkel per plaats, maar ook per seconde, per uur, per dag en per seizoen. Werken met een gemiddelde snelheid is erg onnauwkeurig en geeft geen juiste weergave van de windsnelheid op een locatie. Om dit op te lossen werken we met een windsnelheidsverdeling. Deze verdeling wordt opgesteld via gemeten waarden op een bepaalde hoogte en wordt opgemeten over een heel jaar. Doordat er ieder jaar verschillen kunnen gemeten worden, wordt er een verdeling opgesteld over meerdere jaren, bv. 25 jaar. Hierdoor krijg je een goede indicatie van de windsnelheid op die bepaalde locatie en op die bepaalde hoogte. Wij hebben voor onze berekening een windsnelheidsverdeling opgesteld voor de gemeente Zedelgem. De uitwerking en resultaten worden later nog uitvoerig besproken. Pacotex NV Windenergie 13

22 4.3 De windturbine Windturbines kunnen in twee grote groepen worden onderverdeeld. Het verschil zit hem in de manier van opstelling. De eerste groep is de horizontale-as-windturbine (HAWT) en de tweede groep zijn de verticale-as-windturbine (VAWT) Horizontale-as-windturbine (HAWT) Bij deze turbines is de as van de rotor horizontaal opgesteld is. De wieken bewegen hier dus in een vertikaal vlak. In deze groep kun je de molens nog eens verdelen volgens het aantal wieken. De keuze van het aantal wieken hangt af van verschillende factoren. Zo is de snellopendheid lager bij een driewieker met als gevolg dat de molen een lager toerental heeft. Dit geeft visueel een rustiger beeld. Dit lijkt niet echt relevant bij de plaatsing van een turbine, maar voor de acceptatie binnen een bestemmingsplan kan het erg belangrijk zijn. Door een lagere snellopendheid is er ook een lagere topsnelheid die ervoor zorgt dat de turbine minder geluid produceert. Een ander voordeel van een driewieker is dat de dynamische belasting van de toren minder complex is dan die van een tweewieker. Dit heeft te maken met de terugslag van de mast, maar ook verandert het traagheidsmoment ten opzichte van de mast niet tijdens het draaien, en dat is bij een tweewieker wel het geval. Een tweewieker heeft dan weer als voordeel dat de productiekosten lager zijn, doordat er één wiek minder moet gemaakt worden. Ook de montage- en transport kosten worden hierdoor gereduceerd. Door de hogere snellopendheid zal er een hoger toerental ontstaan bij nominaal toerental, zodat een kleinere transmissie volstaat. De wieken moeten bij een molen met minder wieken steviger geconstrueerd worden, daar ze tegen veel grotere rotatiekrachten bestand moeten zijn. Het aantal wieken is niet bepalend voor het oppervlak waarin de wieken ronddraaien. Het oppervlak bepaalt, afhankelijk van de diameter van de wieken, de maximale hoeveelheid energie die uit een zekere luchtstroom gehaald kan worden. Figuur 17 - Soorten HAWT Na verschillende studies werd vastgesteld dat HAWT het best functioneren in luchtstromen met laminaire stromingen. Deze turbines zijn niet gedimensioneerd om in hoge turbulente stromingen te opereren. Figuur 18 - Laminaire en turbulente stroming Pacotex NV Windenergie 14

23 4.3.2 Stroming rond de bladen (HAWT) De meeste horizontale-as-windturbines werken volgens het liftprincipe. Deze hebben zogenaamde vleugelprofielen die omstroomt worden door lucht en daarbij een kracht omhoog ondervinden. Deze kracht wordt de liftkracht genoemd. Deze liftkracht is het gevolg van drukverschillen boven en onder het blad. Bovenaan het blad is de druk lager dan onderaan het blad. Dit veroorzaakt het drukverschil. Dit wordt veroorzaakt door de relatieve windsnelheid die langsheen de wieken stroomt. Dit alles wordt bepaald door het profiel van het blad. Er is altijd een zekere windsnelheid nodig om de roterende beweging van de wieken te onderhouden, niettegenstaande de krachten die de beweging onderhouden, met name de liftkrachten die volledig te wijten zijn aan de rondraaiende beweging van de wieken Werking HAWT Figuur 19 Liftprincipe De HAWT bestaat grofweg uit drie onderdelen: de wieken, de gondel en de mast. De wieken worden altijd naar de wind toe gericht. Moderne windmolens kunnen zelfs de stand van hun rotorbladen gaan veranderen, ( pitch ) zodat ze altijd in optimale positie kunnen staan. De rotorbladen worden door liftkracht, veroorzaakt door de wind, aangedreven. De gondel is de behuizing waarin de transmissie, de generator en de hoofdas zich situeren. Aan de voorzijde van de gondel worden de schoepen verbonden op de hoofdas. Dit gedeelte is te vinden bovenop de mast. De as wordt aangedreven door de wieken. De as loopt via tandwielen van de transmissiekast naar de generator, waardoor de generator stroom kan opwekken. Figuur 20 - Inwendig werking windturbine Die generator werkt volgens hetzelfde principe als een fietsdynamo. Door de beweging van de as in een magnetisch veld wordt er stroom opgewekt. De vergelijking gaat natuurlijk enkel op voor het opwekken van energie, want een fietsdynamo is een gelijkstroomgenerator. Dit komt enkel voor bij kleine windturbines. Hoe groter de windmolen hoe groter de spanning. Dit door het grotere toerental. Deze generator werkt dan als het ware als een tachodynamo. Bij Pacotex NV Windenergie 15

24 nog grotere types zal deze gaan bestaan uit inductiemachines, waarbij het toerental groter is dan het synchroon toerental. Bij minder wind wordt het synchroon punt verlegd, door bijvoorbeeld gebruikt te maken van een active front end. Voordeel is dat je dan ook directe koppeling ( direct drive ) kunt maken op het net (50Hz). Ook is er dan geen transmissieoverbrenging meer nodig. Hierdoor heb je minder onderdelen waardoor de molen goedkoper wordt en de montage makkelijker is. Ook valt er een belangrijke onderhoudskost weg, want transmissiekasten zijn kwetsbaar en verslijten snel. Om die opgewekte stroom op het net te kunnen transporteren is er ook een transformator voorzien in de gondel. Deze zal de opgewekte stroomspanning gaan transformeren naar hoogspanning. Dit omdat het transport van grote hoeveelheden elektrische energie over grote afstanden enkel maar rendabel is bij hoge spanningen. Wanneer deze spanningen verhoogt worden zal de vereiste stroomsterkte I kleiner zijn. Dit omdat bij een bepaald vermogen. Ook zorgt de keuze voor lagere stromen voor minder spanningsverlies over de transportleidingen. Dit zorgt ervoor dat er minder energie verloren gaat. De hoogtes van windmolens is afhankelijk van de plaatselijke windstromen. Hoe hoger men een molen plaatst, hoe beter, omdat het daar vaak harder waait. De hoogte van de windmolen is natuurlijk wel beperkt, omwille van de hoogoplopende kosten en technische beperkingen. Ook worden vergunningen niet toegekend wanneer windmolens te hoog zouden zijn in bepaalde gebieden. Wanneer een windmolen te hoog is in een natuurgebied zou deze het zicht kunnen belemmeren. In onderstaande formule is v 2 de snelheid op hoogte z 2 en v 1 de snelheid op hoogte z 1. Het toerental van een de rotor is afhankelijk van het aantal bladen en de rotordiameter. Een tweebladige molen draait sneller dan een driewieker (bij gelijke diameter). Een grote rotor draait langzamer dan een kleine (bij gelijke snellopendheid). Figuur 21 - Verschil tussen met en zonder transmissiekast Pacotex NV Windenergie 16

25 De generator kan een asynchrone of synchrone zijn in combinatie met een vermogenselektronische omzetter (converter). De converter is nodig vanwege de wisselende spanningsfrequentie en hoeveelheid spanning, als gevolg van variaties in windsnelheid. Synchrone generators met converters hebben als groot voordeel dat ze een variabel toerental toelaten. De meeste windturbines hebben een asynchrone generator. Dit heeft als reden dat deze goedkoop zijn, want het is een standaard product, ze zijn relatief licht en behoeven weinig tot geen onderhoud. In feite is het een elektromotor die als generator werkt. Het is een zogeheten kooiankermotor, die werkt door middel van elektromagnetische inductie. Buiten de toepassing in windturbines wordt deze als generator niet veel toegepast, maar als elektromotor komt hij veel voor Productie vermogen windturbine Een windmolen zijn dimensies kan met verschillende aanduidingen worden vastgelegd. Zo zijn de rotordiamter en ashoogte bepalend voor de energieopbrengst. De ashoogte nam in de loop der jaren erg toe. Naarmate de ashoogte/rotordiamter toeneemt neemt de opbrengst ook toe. Dit omdat de windsnelheid op hogere hoogtes toeneemt en constanter is. De ontwikkeling is dat de ashoogte en rotordiamter steeds toeneemt. Nu is ongeveer de maximale grote bereikt van windmolens die over land kunnen getransporteerd worden. Over het water kunnen veel grotere molens vervoerd en geplaatst worden. Grote windturbines zullen in het algemeen altijd HAWT zijn, omdat deze een veel grote opbrengst hebben bij constante windsnelheid. Figuur 22 - Benoeming onderdelen HAWT en evolutie van de grote De energieopbrengst van grote windturbines gaat naar grote transformators die de opgewekte elektriciteit gaat transformeren naar een hogere spanning. Vanaf deze transformators gaat de opgewekte stroom naar verdeelstations die de opgewekte energie gaan transformeren naar hoogspanning om uiteindelijk de energie te kunnen gaan transporteren over het hoogspanningsnetwerk. De transformators zijn eenvoudig te maken en vergen weinig onderhoud. Ook hun lange levensduur en hoog rendement is een pluspunt. Transformators gaan makkelijk de opgewekte spanningswaarde gaan transformeren tot 70Kv, 110kV, 150kV, 220kV of zelfs tot 380kV. Op het eindpunt worden de spanningen terug getransformeerd naar een lagere spanning in de transformatiestations. Van dan wordt de elektriciteit verder verdeeld over belangrijke verbruikscentra. Pacotex NV Windenergie 17

26 4.4 Regelingen HAWT Figuur 23 - Transport van elektriciteit afkomstig van windturbine Een windmolen is voorzien van allerlei systemen voor het regelen naar optimale omstandigheden voor de molen. Ook zijn er systemen voorzien zodat de molen niet overbelast of beschadigt kan raken. Zo zijn moderne windmolens voor elektriciteitsvoorziening voorzien van een vermogensregeling, kruisysteem en stormbeveiliging Vermogensregeling Omdat windmolens dezer dagen op commerciële wijze worden toegepast voor het produceren van elektriciteit moeten deze molens zo optimaal mogelijk kunnen draaien. Hiervoor doet men dus aan vermogensregeling, dit kan op twee manieren gebeuren door: ofwel overtrek ( stall ) of door bladhoekverstelling ( pitch ). Deze regelingen dienen niet alleen voor een goed vermogen te krijgen bij lage windsnelheid, maar ook voor de turbine te beveiligen. Zonder deze regelingen zou het vermogen met de derde macht van de windsnelheid blijven toenemen. Grafiek 4 Vermogensregeling Ook zal de winddruk toenemen met het kwadraat van de windsnelheid. Deze winddruk zal de rotor- en mastbelasting gaan bepalen. Als de windsnelheid zou blijven toenemen is de windmolen niet berekend op zulke grote vermogens en belastingen. Deze regeling zorgt er dus voor dat het opgewekt vermogen vanaf een bepaalde windsnelheid ongeveer gelijk blijft Pacotex NV Windenergie 18

27 bij toenemende windsnelheid. Er zijn dus zogenaamde cut-in en cut-out snelheden. De cut-in snelheid is de snelheid vanaf waar de turbine begint te draaien. De cut-out snelheid is de snelheid waarbij de windturbine wordt stilgezet. Bij de cut-out snelheid levert de turbine zijn maximaal vermogen. Meestal zal een windmolen zo ontworpen worden dat hij optimaal werkt bij de meest voorkomende windsnelheid. In praktijk komt de vermogensregeling erop neer dat de lift wordt beïnvloed. Er zijn twee manieren om de lift te gaan beïnvloeden: Met pithregeling is het mogelijk om de wieken te gaan verstellen. Het elektronische controlemechanisme van pitch geregelde windturbines meet het geproduceerde vermogen een aantal keer per seconde. Wanneer dit geproduceerde vermogen te groot is zal het mechanisme een signaal zenden naar de bladen, waardoor de rotorbladen lichtjes uit de wind gedraaid worden om zo het geproduceerd vermogen te gaan beperken. Omgekeerd zullen de bladen in de wind gezet worden, wanneer de windbelasting gaat dalen. Figuur 24 Pitchregeling Daarnaast kan er juist het omgekeerde gebeuren, de zogenaamde stallregeling. Dit wordt ook wel de overtrekregeling genoemd. Hier zal men gebruik maken van aerodynamische eigenschappen van de wiek. Als de windsnelheid stijgt en de omtreksnelheid is constant zal de aanstroomhoek groter worden. Bij een bepaalde waarde vermindert de liftkracht als gevolg van de loslatende stroming. Hierdoor zal het geproduceerde vermogen zakken tot zijn nominale waarde op een passieve manier. Ook is er een mogelijkheid tot active-stall. Bij stall-regeling zijn de wieken met de naaf verbonden, waardoor je een eenvoudig systeem hebt. Bij active-stall zijn de wieken niet vast verbonden aan de naaf en zijn ze draaibaar opgesteld zoals bij pitch-control. Op deze wijze wordt dus het vermogen van de turbine gecontroleerd Kruisysteem Vroeger moest de molenaar de windmolen handmatig in de wind draaien. Dit omdat de wind niet altijd uit dezelfde richting komt. Het draaien van een molen wordt kruien genoemd. Bij hedendaagse windmolens gebeurt dit automatisch. Het kruien gebeurt d.m.v. een hydraulische of elektrische motor, waarmee een klein tandwiel een grote tandkrans aandrijft om zo de gondel in de goede windrichting te plaatsen. Figuur 25 Kruisysteem Pacotex NV Windenergie 19

28 4.4.3 Stormbeveiliging Bij stormen ontstaan er zeer grote windsnelheden, hierdoor worden de krachten op de windmolen erg groot. De molen moet hiervoor extreem zwaar en sterk gemaakt worden. Dit is echter niet aan te raden omdat de kosten van de productie dan erg oplopen. Dus doordat de kosten te hoog zouden gaan oplopen moeten er andere manieren gezocht worden om de molen te gaan beveiligen. Dit houdt in dat de molens uit de wind gedraaid worden zodat de wind er langs waait in plaats van er tegenaan. 4.5 Kleine windturbines In stedelijke gebieden is er geen mogelijkheid om grote windturbines te plaatsen door het gebrek aan ruimte en de nodige hinder. Voor bedrijfsterreinen, woningen en zeilboten zijn er kleine windturbines ter beschikking. Het is verkeerd te denken dat een kleine windturbine een kleine versie is van een grote windturbine. Iedere kleine windturbine is een ontwerp op zich. Figuur 26 - Kleine windtubines Er komen veel windturbines voor met twee- of driewieken op een horizontale as, waarbij een windvaan ervoor zorgt dat de turbine op de wind gericht wordt. Bij grote windturbines kom je enkel HAWT s tegen. Bij de kleine windturbines is er ook nog de mogelijkheid om te opteren voor een VAWT. Hier kun je dan windturbines tegenkomen die op het Savonius principe berusten of op het Darrieus principe. Om onder de groep kleine windturbines te vallen moet aan verschillende criteria voldaan worden. Zo is de ashoogte maximaal 15m en het vermogen beperkt tot maximaal 10kW. Grafiek 5 - Vermogenscoëfficient als functie van de snellopendheid voor verschillende windturbines Een groot probleem bij bebouwde omgeving is dat er veel turbulentie is, daar hebben VAT s minder last van. Dit komt doordat de molen altijd de wind opvangt uit welke richting die ook komt. Zo moet de molen dus niet gepositioneerd worden. Andere voordelen zijn dat ze weinig geluid produceren en de montage en transport veel makkelijker zijn dan die van grote Pacotex NV Windenergie 20

29 turbines. Een nadeel ten opzichte van grote windturbines is het veel lagere rendement van de molens. Doordat de bladsnelheden van de turbines veel lager liggen dan bij een grote windturbines. Door de lagere bladsnelheden heb je een hogere c w -waarde (weerstandscoëfficiënt). Dit leidt dan uiteindelijk weer tot een lagere vermogenscoëfficiënt C p. Ter illustratie, de theoretisch vermogenscoëfficiënt van Betz is 0,593, bij kleine windmolens varieert dit tussen 0,15 en 0,25. Bij grote turbines varieert dit cijfer tussen 0,4 en 0,44. Voorstel molen principe HAWT: Leverancier: Mocotech bv type: tulipo Website: Monotech.nl Figuur 27 - Tulipo Voorstel molen principe HAWT: Leverancier: Motorwavegroup type: Motorwind Website: Motorwavegroup.com Figuur 28 - Motorwind Voorstel molen principe HAWT: Leverancier: BVBA Vermeulen type: Montana Website: Fortiswindenergy.com Figuur 29 - Montana Voorstel molen principe HAWT: Leverancier: BVBA Vermeulen type Alize Website: Fortiswindenergy.com Figuur 30 - Alize Pacotex NV Windenergie 21

30 Voorstel molen principe HAWT: Leverancier: BRAUN type Alize Website: Braun-windturbinen.com Figuur 31 -ALIZE Verticale-as-wind-turbine (VAWT) Deze windturbines zijn zo geconstrueerd dat de rotor verticaal gemonteerd is op de mast. De wieken van dergelijke windmolens draaien min of meer in een horizontaal vlak. Deze windmolens zijn onder te verdelen in verschillende groepen: Savonius, Darieus en er kan ook een combinatie of afleiding van deze types bestaan Savonius turbine Deze turbine is gemonteerd dus op een verticale as waaraan twee of meer halve schalen zijn verbonden. Een voorbeeld hiervan die vroeger veelvuldig voorkwam zijn de reclameborden. Ze hebben een laag rendement waardoor ze minder geschikt is voor de productie van elektriciteit. Figuur 32 - Savonius principe Het principe is dat de molen bestaat uit een verticale as met daaraan twee, drie of vier halve schalen die al dan niet in verdiepen zijn opgesteld. De druk van de wind die ontstaat op de holle zijde van de schalen is groter dan die van op de bolle kant, wat dus resulteert in een draaiende beweging. Dit systeem heeft als kenmerk een hoog aanloopkoppel te hebben (begint dus bij weinig wind al te draaien) maar heeft een laag rendement waardoor hij bij belasting al gauw in toeren zal gaan zakken. Ze is dus minder geschikt voor de productie van elektriciteit. Het is de eenvoudigst mogelijke constructie en kan bijgevolg op een gemakkelijk manier eigenhandig gemaakt worden voor allerlei bezienswaardigheden. Een ander voordeel van deze molen is dat ze weinig geluid produceren door hun lage draaisnelheid. Door de eigenschappen compact, stil en zeer robuust te zijn, kan deze molen onder extreme omstandigheden zoals storm, goed blijven functioneren. Deze molen is vooral geschikt voor plaatsen waar er veel turbulente wind is. Dus deze zal vooral geplaatst worden op het dak van een hoog gebouw in de stad. Voorstel molen principe Savonius: Leverancier: Vini Green Energy Solutions type: 10 kw Vertical Axis Wind Turbine Website: Vini Green Energy Solutions Figuur 33 - Savonius Pacotex NV Windenergie 22

31 4.5.3 Darrieus turbine Deze heeft ook een verticale as met hieraan een aantal gebogen wieken die lijken op de vleugel van een vliegtuig. Dit type is geschikt voor het produceren van elektriciteit door zijn hoog rendement. Het nadeel bij deze turbine is dan weer het slechte aanloopkoppel. Om dit slechte aanloopkoppel te gaan verbeteren werd het systeem van de Savonius en de Darrieus gecombineerd zodat de turbine beschikt over de voordelen van de twee verschillende systemen. De Darrieus wordt gebruikt als startturbine. Zo krijg je een goed constant toerental. De snellopendheid van een Darrieus schommelt ergens tussen die van een driebladige en tweebladige HAWT. Figuur 34 - Darrieus turbine De windturbines die wij bekeken hebben en afgeleid zijn van de Darrieus molen de Gorlov turbine en de H-Darrieus. De turbine volgens Gorlov wordt een Gorlov helicale turbine genoemd. Deze turbines zijn afgeleid van het Darrieus type. Het grootste verschil tussen de Gorlov en de Darrieus zijn de zogenaamde helicale bladen (dit zijn driedimensionale bladen). Figuur 35 - Gorlov turbine Deze vorm van bladen zorgt ervoor dat er altijd een deel van het rotorblad beschikbaar is voor iedere stroom- of windrichting. Zo krijgt deze VAWT de eigenschap om niet afhankelijk te zijn van de windrichting en moet ze dus niet gepositioneerd worden. Bij de Gorlov turbine blijft de resultante kracht gelijkmatiger/constant gedurende een aswenteling. Hierdoor is de opgewekte stroom vlakker en beter bruikbaar dan die van andere turbines. Ook worden resonantiekrachten voorkomen, waardoor de turbine minder snel zal slijten en dus langer meegaat. De Gorlov turbine wordt ook gebruikt als waterturbine. De drie rotorbladen van deze turbines hebben een spiraalvormige draai van zo n 60 graden, vergelijkbaar met de Gorlov waterturbine. Aangezien de wind op elk moment grip heeft op beide kanten van de turbine, wordt het moment evenredig over de draaiing verdeeld. Pacotex NV Windenergie 23

32 Daarnaast wordt er lift gegenereerd, wat extra moment met zich meebrengt. Deze turbines zijn daarom ideaal voor op hoge gebouwen, waar windstromen over het gebouw blazen en dus opwaartse energie dragen. Deze kleine turbines wekken een gelijkstroom op die omgezet wordt in een wisselstroom (dit zoals bij PVsystemen met een omvormer). Voorstel molen principe Gorlov: Leverancier: project0 type: Noveol Collective Website: Project0 Figuur 36 - Gorlov De H-Darrieus wordt ook wel een giromill genoemd. De rotorbladen zijn evenwijdig gemonteerd met de mast. De rotatiesnelheid van de wieken is hierdoor over de volledige wieklengte constant, waardoor je meer liftkracht hebt. Nadeel hier is het pulsvormig koppel. Voorstel molen principe H-Darrieus: Leverancier: Ropatec type: Bigstar Website: Big star Figuur 37 - H-Darrieus In België zijn al diverse windmolenparken onshore ingeplant. De figuur hieronder geeft hiervan een overzicht weer. In België zijn er ook niet veel plaatsen meer waar grote windturbines kunnen ingeplant worden. Deze kaart geeft de windmolens tot 2005 weer. Figuur 38- Ingeplante windmolens tot 2005 Pacotex NV Windenergie 24

33 4.6 Berekeningen windgegevens Waarom er een nauwkeurige windsnelheidsverdeling nodig is, werd reeds besproken in alinea De meest nabijgelegen plaats waarvan eerst een windsnelheidsdistributie voorhanden was, is van het wetenschapspark Greenbridge te Oostende. Deze grafiek werd opgemeten gedurende een heel jaar in het meetstation van Greenbridge. Grafiek 6 - Windsnelheids distributie Oostende Zedelgem ligt natuurlijk niet dicht bij de plaats waar dit werd opgemeten (Oostende), waardoor er een verschilfactor in rekening gebracht werd. Deze factor werd berekend m.b.v. het windplan Vlaanderen. Dit is een plan opgesteld door de VUB met de steun van het Vlaamse gewest. Daar werd het verschil in windsnelheid op 75m ashoogte bepaald tussen de plaats waar de windmolen ging geplaatst worden en de plaats van de meting. Ook de plaats afhankelijke factoren werden in rekening gebracht. Figuur 39 - Kaart met gemiddelde windsnelheden Pacotex NV Windenergie 25

34 Zedelgem: Google maps: Zedelgem Windplan Vlaanderen Zedelgem Het terrein waar de garage/carport moest geplaatst worden, met de nodige energiebron, is aangeduid op de kaart met een pijl. Op het windplan Vlaanderen werd dit gedaan met een kruis. Op het windplan Vlaanderen is te zien dat het terrein van Packo in woongebied ligt. Dit maakt het erg moeilijk om hier een windmolen te kunnen inplanten. De reeds bestaande windturbine op het industriegebied De arend ligt in het groene gebied waar windmolens dus wel kunnen ingeplant worden. Legende Ruimtelijke kaarten: Legende 1 - Windplan vlaanderen legende Pacotex NV Windenergie 26

35 De terreingesteldheid a z in Zedelgem legden we vast tussen 0,19 en 0,26; wat uitkwam op 0,23. Dit omdat we niet echt verspreide bebouwing hadden, maar ook geen hele dichte bebouwing. Terreingesteldheid: Vlak kustgebied met overwegend aanlandige wind 0,12 Vlak of licht glooiend land met enkele lanen en vrijstaande bomen 0,15 Heuvelachtig gebied met lanen, bosjes en verspreide bebouwing 0,19 Landschap met dichtere bebouwing of kleinere bossen 0,26 Zware bossen, sterk heuvelachtig terrein of centrum van grote stad met hoogbouw 0,35 Tabel 2 Terreingestelheid De windsnelheid v z75 bedraagt 6.75m/s op 75m ashoogte volgens het windplan Vlaanderen. De gemiddelde windsnelheid werd verrekend naar 15m ashoogte, rekening houdend met de terreingesteldheid kwamen we volgende windsnelheid uit: Oostende: Google maps: A: wetenschapspark Windplan Vlaanderen Oostende Voor Oostende bedraagt de terreingesteldheid a o : 0,15 en de windsnelheid v o75 bedraagt er 6.75 m/s. Verrekend naar 15m en afhankelijk van de terreingesteldheid wordt de windsnelheid: Vergelijkingsfactor: De vergelijkingsfactor bedraagt dus: Nu deze vergelijkingsfactor bekend is, kan de distributieverdeling bepaald worden voor Zedelgem. De windsnelheid op de horizontale as van de distributieverdeling wordt verminderd door deze te vermenigvuldigen met de vergelijkingsfactor. Pacotex NV Windenergie 27

36 Molen van Electrawinds op industrie terrein de Arend. Deze molen gezien vanuit onze bureau Bepaling ruwheid bij de molen De gegevens van deze molen: Enercon E66/1800 direct drive, ashoogte 84m, rotordiameter van 66m en een nominaal vermogen van 1800Kw. De hoogte waarop deze gegevens gemeten zijn is 84m. Deze zijn gemeten vanaf 2004 tot Deze gegevens kunnen nu gebruikt worden om de windsnelheid op 15m te bepalen. Deze formule moet worden toegepast op elke waarde uit de weibullverdeling. Dit wordt gedaan doormiddel van het programma Ti-nspire. Pacotex NV Windenergie 28

37 De vergelijking van beide bronnen: Grafiek 7 - Frequentie verdeling in Zedelgem met gegevens Electrawinds op 15m Grafiek 8 - Frequentie verdeling in Zedelgem met gegevens Greenbridge op 15m Uit deze grafieken kunnen we besluiten dat er praktisch altijd wind is aan de kust. Daar is er zeer veel wind bij lage windsnelheden. In het binnenland zijn er vaak windstille perioden. Omdat meer naar het binnenland toe een ander windklimaat heerst zullen we voor de berekeningen dus gebruik maken van de gegevens van Electrawinds De verschillende windmolens (vermogenscurve) Om een keuze te maken uit de windmolens hebben we een samenvatting gemaakt. Alize Kostprijs: Maximum vermogen: 10 kw Rotor diameter: 7m Ashoogte: 18 tot 36m Opbrengst: 22Mwh bij 6m/s Levereancier: BVBA Vermeulen Foto windmolen Vermogenscurve Gegevens Pacotex NV Windenergie 29

38 Montana Kostprijs: Maximum vermogen: 5,8 kw Rotor diameter: 5m Ashoogte: 12 tot 24m Opbrengst: 9,5Mwh bij 6m/s Levereancier: BVBA Vermeulen Foto windmolen Vermogenscurve Gegevens Big Star Kostprijs: / Maximum vermogen: 2 kw Rotor diameter: 8m Ashoogte: 5,5 tot 15m Opbrengst: 6 Kwh bij 10m/s Levereancier: Ropatec Foto windmolen Vermogenscurve Gegevens Pacotex NV Windenergie 30

39 Tulipo Kostprijs: / Maximum vermogen: 2,5 kw Rotor diameter: 7m Ashoogte: 12,5m Opbrengst: 4 tot 8 Mwh Levereancier: The windfactory Foto windmolen Vermogenscurve Gegevens Gorlov Type collective Kostprijs: Maximum vermogen: 6 kw Rotor diameter: 1,7 Ashoogte: 15m Opbrengst: 8Mwh bij 11m/s Levereancier: Noveol Foto windmolen Vermogenscurve Gegevens Antaris Kostprijs: / Maximum vermogen: 5,5 kw Rotor diameter: 5,1m Ashoogte: / Opbrengst: / Levereancier: Braun Foto windmolen Vermogenscurve Gegevens De vermogenscurven die hier afgebeeld staan, werden in Excel nagebootst door enkele punten van die grafiek uit te zetten en er een trendlijn door te tekenen. Voor de trendlijn is er gekozen voor een polynoomfunctie tot de 3 de macht. De vergelijking van deze trendlijn werd voor elke windmolen apart ingevoerd in Ti-nspire, waar we ze gemakkelijker konden verwerken. Pacotex NV Windenergie 31

40 4.6.3 Berekenen opbrengst Uit de bovenstaande vermogencurven en de tabelgegevens van de frequentieverdeling v_15electrawinds is de opbrengst van elke windmolen berekend. Doordat er niet kan gerekend worden met de vergelijking van een kansverdelingsfunctie (1 y- waardes voor 2 x-waardes) is de frequentie verdeling in % eerst omgerekend naar uren. Via de vermogensgrafiek werd de vergelijkingen in een vraag functietabel gezet. Het vermogen van de windmolen werd opgevraagd in functie van de verrekende windsnelheid. Door deze vermogens dan te vermenigvuldigen met de overeenkomstige winduren kon de opbrengst per windsnelheid berekend worden. Pacotex NV Windenergie 32

41 Daarna is de som gemaakt van al die opbrengsten waardoor de uiteindelijke opbrengst geweten is op 15 m as hoogte voor elke windturbine. Via de opbrengst kunnen we nu gemakkelijk de verschillende windmolens met elkaar vergelijken. Pacotex NV Windenergie 33

42 Hieruit kan besloten worden dat de Savionus windmolen de beste keuze is, maar deze is nog niet beschikbaar. Ook de gegevens moeten nog gestaafd en bevestigd worden van de windmolen, want deze moest door deurwaarders worden gecontroleerd. Na het analyseren van onze berekening met betrekking tot de opbrengst konden we besluiten dat meerdere windmolens in aanmerking kwamen om de benodigde 4381,52Kwh te leveren Overleg met de omwonenden en de gemeente Door een afspraak te maken met de bevoegde instantie op de gemeente waren we op de hoogte gesteld van de benodigde vergunningen en hinderproblemen die er zijn van de bestaande windmolen op de Arend. Om een windmolen te mogen plaatsen met een ashoogte lager dan 15m moet een Aanvraag van een stedenbouwkundige vergunning voor technische werken of terreinaanlegwerken worden gedaan. Deze is in bijlage toegevoegd. Indien de ashoogte hoger is dan 15m moet er i.p.v. een stedenbouwkundige vergunning, waarvoor een eenvoudige dossiersamenstelling volstaat, worden aangevraagd waarbij er veel administratie en geduld voor nodig is. Dit duurt dan minimaal 3jaar. Naast deze bouwvergunning dient er dan ook een milieuvergunning aangevraagd te worden. Maar dan moet de bouwplaats van de windmolen ook gunstig zijn voor het windplan Vlaanderen. Voor de ruimtelijke ordening dienen zulke grote windmolens in lijn te staan en bij elkaar staan. Indien de omvormer, behorend bij de windturbine, groter zou zijn dan 10kWp dan zou een netstudie gedaan moeten worden door Eandis. Bovendien zal er al dan een extra omvormerkast geplaatst moeten worden en zal de sectie van de leidingen aangepast moeten worden. Zelf hebben we bij de omwonenden en de werknemers van het bedrijf nagevraagd hoe zij zouden reageren op het plaatsen van een windmolen. Veel mensen waren niet enthousiast omdat ze bang waren dat dit hun zicht zou belemmeren. Ook waren ze bang voor de bijhorende lawaaioverlast. Pacotex NV Windenergie 34

43 Hoofdstuk 5 Zonne-energie 5.1 Inleiding: Zonlicht kan op veelzijdige manieren gebruikt worden, zowel direct als indirect. Zo gebruiken planten de zonnestralen om aan fotosynthese te kunnen doen. Mensen trachten dat zonlicht ook op verscheidene manieren te gaan benutten. Zo kan men met zonnecollectoren zonlicht thermisch gaan benutten. Voor de opwekking van elektriciteit gebruikt men zonnecellen. Maar ook d.m.v. spiegels kan men stoom maken van water en zo een turbine aandrijven, denk maar een zonne-toren of een zonne-concentrerend collectorsysteem. Dit is een directe of ook wel actieve manier om gebruik te maken van zonne-energie. Zonne-energie kan evenwel op een passieve wijze benut worden. Dit kunnen bijvoorbeeld de zonnestralen zijn, die via de ramen en de muren, een gebouw binnendringen. Via spectrale beglazing, goede isolatie en veel meer, kan men ervoor zorgen dat deze energie nuttig wordt gebruikt en niet zomaar verloren gaat. Figuur 40 - Stand zon tijdens het jaar en instraling Zonnestralen die op het aardoppervlak terecht komen, hebben veranderingen ondergaan vanaf het moment dat die vertrokken zijn vanaf de zon. De energiestroom die uiteindelijk de buitenkant van de dampkring bereikt, is slechts een fractie van de door de zon uitgestraalde energie. De zonnestraling die loodrecht, buiten de aardatmosfeer, naar de aarde komt heeft een gemiddeld instralingsvermogen van 1367 W/m². Dit wordt ook de zonneconstant Io genoemd. Omdat de zon niet in het middelpunt staat van de baan die de aarde volgt rond de zon en die baan niet cirkelvormig is maar ellipsvormig, verandert de afstand van de aarde tot de zon (Rz). Dit wordt uitgedrukt in Astronomische eenheden (1AE= *10^11 meter) gedurende het hele jaar. Dit heeft als gevolg dat de straling van de zon (Iz) geen één maand hetzelfde is. Waarden hiervan werden in bijlage toegevoegd. Deze zijn naar maandgemiddelden omgerekend. Het aantal zonuren op een jaar wordt in volgende figuur weergegeven en wordt wordt gebruikt om de opbrengst te gaan bepalen. Dit is gemeten door het KMI in Ukkel. Grafiek 9 - Aantal zonuren Pacotex NV Zonne-energie 35

44 5.1.1 Eigen berekeningen voor bepalen opbrengst zon Voor het plaatsen van zonnepanelen is het natuurlijk handig om te weten wat de instraling op een bepaalde plaats is. Voor onze opdracht hebben we dit zelf proberen te doen. Het document waarop we ons hebben gebaseerd werd in bijlage toegevoegd (Ott, 2005). Deze instraling hebben we berekend in volgend Ti-nspire document. De formule die hiervoor gehanteerd werd, is afkomstig uit de formulering v/d theoretische zonne-instraling op zonnepanelen van R.C. Ott; wageningen formule 2.1. De afstanden Rz zijn afkomstig uit (mira_ceti, 2012). Vooraleer deze zonnestralen (Iz) de aarde bereiken, moeten deze eerst door de atmosfeer raken. Eens de zonne-instraling door de atmosfeer is geraakt, komen sommige stralen terecht op wolken, deze wolken kaatsen het licht voor een stuk terug onder diffuse instraling. Het deel dat rechtstreeks op het aardoppervlak terechtkomt noemt men directe instraling. Deze berekenen we via formule: Figuur 41 - Instraling Pacotex NV Zonne-energie 36

45 In deze formule wordt rekening gehouden met volgende factoren: Airmass : De weglengte van het zonlicht door de atmosfeer, deze is natuurlijk afhankelijk van de stand van de zon op dat moment. AM1 komt bijvoorbeeld voor wanneer de zon in het equinox punt staat. In de ruimte heeft het licht geen afstand afgelegd door de atmosfeer waadoor men spreekt van AM0 Figuur 42 - Equinox punt AM berekenen d.m.v. de formule van Karsten en Young Met hierin de hoogtecorrectie ten gevolge van de luchtdrukverdeling, waarbij z de hoogte boven het zeeniveau is. De hoogte boven het zeeniveau konden we bekomen door gebruik te maken van een altimetrische fiche. Deze fiche werd in bijlage toegevoegd. Hierin stond een plaats op ongeveer 200m van het terrein van Packo. Deze werd vastgelegd op 13,229m. In de formule van Karsten en Young staat hs voor de schijnbare zonshoogte. Doordat de atmosfeer optisch dunner wordt bij het toenemen van de hoogte boven het aardoppervlak vertonen de zonnestralen geen rechtlijnige stralengang meer. Hierdoor doet er zich straalbreking voor en de werkelijke zonshoogte hw (zonder atmosfeer) niet gelijk is als de door een waarnemer op het aardoppervlak schijnbare zonshoek. De zonshoogte hw wordt berekend verder in de tekst met de formulering gegeven door Saemundsson en G.G. Benett. Deze is terug te vinden in het document: formulering van de theoretische zonne-instraling op zonnepanelen. Deze is in bijlage terug te vinden. De Rayleigh optische dikte : De optische dikte en de invloed van de absorptie door gassen; Deze formulering is door Grenier (1994,1995) als een 4de graad polynoom in functie van AM opgesteld. Pacotex NV Zonne-energie 37

46 De turbidity factor : Dit is de mate van lichtdemping door vaste (stof) deeltjes, aërosolen en waterdamp in de atmosfeer en de vervuiling van de lucht. Volgens Linke bleek de onafhankelijk te zijn van de Airmass AM, maar uit nieuwe studies is gebleken dat hierin een niet te verwaarlozen afhankelijkheid zit. Daarom worden de waarden van de turbidity factor gestandaardiseerd voor AM=2, deze worden dan aangeduid als. Door deze standaardisatie moet de basisvergelijking van de directe straling worden gecorrigeerd met een factor 0,8662. De Linke turbidity factor geeft gedurende het jaar en de plaats op Aarde niet overal en altijd dezelfde waarden, Bourges leidde hiervoor een eenvoudig model af. J is hierbij de dag in het jaar vanaf 1 Januari. To, u en v zijn plaatsafhankelijke parameters, bij deze berekening werd Atlantic genomen. ) Figuur 43 - Plaatselijke parameters voor TL2 TL2 is berekend in deze berekeningwijze voor elke dag in het jaar, hiervan werd dan een gemiddelde genomen per maand. Eens de zonnestralen door de atmosfeer zijn, vallen ze neer op het aardoppervlak. Hierdoor moet rekening gehouden worden met de rotatie rond de zon. Naast de rotatie rond de zon (dat gebeurt in een jaar), roteert de aarde per dag ook eens om zichzelf waarbij de rotatie as een hoekverschil van 23,45 maakt met de baan rond de zon, de declinatiehoek genoemd. Door deze schuine rotatie- as duurt elke dag geen twaalf uur tenzij op 21 maart en 21 september wanneer de zon loodrecht staat op de rotatie- as. Dan is de declinatiehoek (de hoek loodrecht op de zonnestralen met de rotatie as) nul of zijn we in een equinox (tijdstip wanneer de zon loodrecht boven evenaar staat). Dan is de zonshoogte over de middag gelijk aan 90 minus de breedtegraad (Latitude) zoals weergegeven wordt op figuur 44. Figuur 44 - Breedte graad Pacotex NV Zonne-energie 38

47 De declinatiehoek heeft als maximale waarden -23,5 < 0 < +23,45. De uitkomsten voor iedere maand staan in volgende tabel weergegeven. Gegevens referentiedatum in de maand Maand datum n, dag van het jaar δ, declinatiehoek Januari ,9 Februari Maart ,4 April ,4 Mei ,8 Juni ,1 Juli ,2 Augustus ,5 September ,2 Oktober ,6 November ,9 December Tabel 3 Declinatiehoek Daardoor is er dus een merkbaar verschil in de zonshoogte en de 24 uren van een dag. De formule om deze declinatie hoek te berekenen, hierbij is n de dag van het jaar van 1 tot 365: De werkelijke zonshoogte hw : Deze brengt dus de bovenstaande langere en korte dagen in rekening, ook werd deze gebruikt voor de berekening van de Air-mass-factor, omdat de atmosfeer ver van de evenaar veel dikker is. Omdat de aarde bolvormig is belicht zal een stralenbundel op de evenaar een veel kleiner oppervlak beschijnen dan wanneer de stralenbundel zich ver van de evenaar bevindt. Hierdoor zal de stralenintensiteit ver van de evenaar kleiner zijn dan op de evenaar. Op figuur 47 is te zien dat de stralenbundel de evenaar minder beschijnt en de intensiteit groter is. Verder verwijderd van de evenaar zorgt voor een lagere stralingsintensiteit en groter oppervlak die beschijnt wordt. Figuur 45 - Instraling Pacotex NV Zonne-energie 39

48 De formule voor het berekenen van zonshoogte hw : met, Decl = de declinatie hoek δ Lat = de breedtegraad Uur = het uur van de dag De zonshoogte werd berekend gedurende het hele jaar samen met de turbidity factor T(L2). De volledige tabel is terug te vinden in bijlage. Hier werd dus per uur en per dag van het jaar de zonshoogte berekend. Hier werden dan gemiddelde waarden voor berekend per maand. Indien dit wordt uitgezet, zal een gelijkaardig zonnebaandiagram bekomen worden zoals op grafiek 10. Grafiek 10 - Zonnebaandiagram Pacotex NV Zonne-energie 40

49 De uiteindelijke directe straling wordt met volgende formule berekend. Deze formules werden allemaal verwerkt met Ti-nspire: Vooraleer deze zonnestralen Iz de aarde bereiken, moeten deze dus eerst door de atmosfeer. Eens de zonne-instraling door de atmosfeer is geraakt, komen sommige terecht op wolken, die het licht voor een stuk terugkaatsen onder diffuse instraling. Het gedeelte van de straling dat rechtstreeks op het aardoppervlak terechtkomt noemt men directe instraling. Deze berekenen we via formule: Om Ish te berekenen doen we dit via de formule: Deze formule komt uit de Bepaling van directe en diffuse straling en van zonneschijnduur uit 10-minuutwaarden van de globale straling. Om uiteindelijk het totale instralingsvermogen, Igh [W/m²] op het zonnepaneel te kennen tellen we deze op. Nu is het zo dat naast de som van de diffuse en de directe straling er nog factoren zijn die het instralingsvermogen op het paneel beïnvloeden. Zo moet ook de bewolkingsgraad in rekening gebracht worden, alsook de inclinatie van het paneel. De bewolkingsgraad kc : Deze houdt rekening met de afzwakking van de totale instraling door de invloed van gecondenseerd water. Bij bewolking: Pacotex NV Zonne-energie 41

50 Maar de verhouding van de diffuse en de directe instraling diffuse ratio moet dan wel eerst in rekening gebracht worden, omdat de directe straling minder hinder zal ondervinden. Wegens het tekort aan gegevens hebben we dit niet in rekening kunnen brengen. Inclinatie van het paneel: Het is dus de bedoeling dat de zonnestralen voor het grootste deel loodrecht invallen op het zonnepaneel. Met Voor de diffuse instraling is er een hele ingewikkelde procedure, deze hebben we niet toegepast, omdat de uitkomsten daarvan niet reëel zijn en dit ons te ver zou leiden. Ook het boek toegepaste energietechniek houd hier geen rekening mee. In het boek wordt enkel rekening gehouden met de bepaling van de ideale hellingshoek, voor onze breedtegraad, bij directe straling. Ook wordt in het boek enkel de ideale hellingsgraad voor de directe instraling bepaald, omdat diffuse straling uit alle richtingen komt, dus moeilijk te bepalen is. Bovendien is de directe instralingscomponent een factor van over een gans jaar bekeken, gemiddeld 6 keer groter dan de diffuse straling instraling. Dus is het belangrijk dat het paneel een juiste hellingsgraad heeft voor de directe stralingscomponent. Dit wordt in het boek toegepaste berekend in een voorbeeld, voor 52 N.B. is dat ± 32. Door middel van een instralingsdiagram kan bepaald worden of een paneel zich in ideale condities bevindt. Figuur 46 Instralingsdiagram De inclinatie hebben we wel met de volgende factoren in rekening gebracht: Grafiek 11 Inclinatie Pacotex NV Zonne-energie 42

51 De grondreflectie: De reflectie van de grond levert doorgaans een kleinere bijdrage aan de totale instralingsenergie op het paneel, maar mag vaak verwaarloosd worden omdat dit aandeel enkel noemenswaardig is bij bijvoorbeeld een besneeuwd oppervlak. Maar zeker niet bij een donker akkerland zoals bij ons het geval zou zijn. Het boek Toegepaste energietechniek houd hier ook geen rekening mee. Om de opbrengst van 1m² te kennen, vermenigvuldigen we de stralingsintensiteit met het aantal zonuren en vermenigvuldigen dit met een factor die de inclinatie van het paneel in rekening brengt. De bewolkingsgraad is weliswaar niet in rekening gebracht wegens het tekort aan gegevens. Daarom is het resultaat van deze gegevens niet echt betrouwbaar maar werd er wel opgesomd wat diende in rekening gebracht te worden. Het aantal uren zon is de optelling van het aantal uren in grafiek 9. Dit is gelijk aan 1546 uren. De uiteindelijke opbrengst op het zonnepaneel is de som van de kolom aardoppervlak en bedraagt: 658kwh/m^2 ingestraald vermogen. Dit is dus het aantal kwh per jaar per vierkante meter. In volgende grafiek wordt deze opbrengst per maand geïllustreerd. Grafiek 12 - Opbrengst per m² Het aantal vierkante meter dat zou moeten gevuld worden met zonnepanelen is dan: 6,5m². Dit is weinig omdat onder andere de bewolkingsgraad niet in rekening werd gebracht. Ook de TL factor beïnvloed deze waarde sterk. Deze waarde heeft dus een sterke invloed op de diffuse en directe instraling. In het boek Toegepaste energietechniek houden ze geen rekening met de clear sky index, maar dat komt omdat ze daar ook de diffuse instraling niet weergeven. Pacotex NV Zonne-energie 43

52 5.1.2 Meting zonintensiteit door weerstations Weerstations over de hele wereld maken gebruik van een pyranometer. Dit instrument meet de totale hoeveelheid globale straling. Dit is uitgerust met een sensor en een bolle kap die dient om de sensor te beschermen. Deze meet de globale straling in Joules per vierkante meter en hieruit kan de duur van de zonneschijn berekend worden. Figuur 47 - Pyranometer Manieren van de installateurs voor het berekenen van de zonopbrengst Manier 1: (Boek toegepaste energietechniek ) Hierbij wordt gebruik gemaakt van de door ons gebruikte zonnepanelen. De datasheets hiervan zijn in bijlage toegevoegd. De reden dat we voor deze panelen kozen wordt later in het boek besproken. Bij deze panelen is een module rendement van 18,6% gegeven. Deze berekening wordt gebruik gemaakt van de standaard test condities, 1000 W/m² als stralingsintensiteit. Deze geeft wel al een goede richtwaarde weer. Er moet rekeninggehouden worden dat 1000W/m² uitzonderlijk voorkomt. Deze waarde komt voor bij standaard testcondities t = 25 C, AM = 1,5 en I = 1000W/m². Dus 18 panelen zal iets te weinig zijn. Pacotex NV Zonne-energie 44

53 Manier 2: Zonnepaneel installateurs gebruiken ook geregeld software voor het bepalen van de opbrengst. Voorbeeld hiervan is SMA Sunny design. Dit programma werd ontwikkeld door SMA Solar Technology, dit is een fabrikant van omvormers. Deze fabrikanten gaan gebruik maken van weergegevens afkomstig van weerstations. Standaard worden een aantal weergegevens van plaatsen in de wereld geïmporteerd. In België zijn dit Brussel, Luik en Oostende. Gegevens van andere steden kunnen worden aangekocht. Aangezien wij ons dicht bij Oostende bevinden, gebruiken we deze gegevens. Dit programma gaat systematisch gegevens opvragen en weergeven. In het eerste scherm worden de algemene gegevens opgevraagd. Het tweede die ingegeven moet worden is de fabrikant en type van zonnepanelen je wenst te gebruiken. Daarna wordt een omvormer gekozen die geschikt is voor de daarnet gemaakte keuze (dit programma geeft natuurlijk enkel omvormers weer van SMA). Het piekvermogen van de installatie is hierbij ons 5,17kWp. Hier is dan een omvormer te gebruiken van 5kW. Dit omdat zonnepanelen in België bijna nooit hun maximale vermogen halen. Hierdoor wordt de omvormer kleiner gekozen dan het piekvermogen van de panelen. Dit doordat een omvormer die weinig belast wordt minder efficiënt is dan een omvormer die meer belast wordt. Hierdoor zal in België een omvormer onder gedimensioneerd worden. Vaak wordt de omvormer aan DC zijde op ongeveer 90% van het piekvermogen van de panelen gedimensioneerd. Door het verkeerd oriënteren van de installatie kan dit percentage nog verder zakken. Dit percentage wordt de Power Ratio genoemd. PV-panelen kunnen op schaarse momenten meer vermogen produceren dan de omvormer aankan. Dan zal de omvormer de MPP spanning (Maximum Power Point) over de panelen gaan aanpassen zodat de panelen niet meer vermogen kunnen produceren dan het maximale ingangsvermogen van de omvormer. Het juist dimensioneren hangt sterk af van de instraling en de temperatuur. Zo zal in andere regio s ook andere richtlijnen gehanteerd worden voor het dimensioneren van de installatie. De power ratio van onze installatie zal dan 96% zijn: Pacotex NV Zonne-energie 45

54 Hierbij wordt ook rekening gehouden met onder welke hoek de panelen gemonteerd worden en in welke windrichting ze staan. Op één van de volgende schermen kan de energieopbrengst van de PV-installatie worden weergegeven. Deze waarde geeft ook al een redelijk goede benadering weer van de benodigde infrastructuur. Pacotex NV Zonne-energie 46

55 Manier 3: Een nog andere manier die gehanteerd werd door onze installateur is door het geïnstalleerde vermogen te gaan vermenigvuldigen met het maximaal rendement van de omvormer. Het geïnstalleerde omvormer waarvan de gegevens later nog worden uitgelegd is in bijlage toegevoegd. Met een vermogenrendement van 95% zal dan volgende opbrengst bekomen worden: Na het bekijken van al deze manieren voor het bepalen van de juiste opbrengst konden we besluiten dat het zeer moeilijk is om de juiste opbrengst te bekomen. Dit is erg jaarafhankelijk. De meeste manieren geven wel een goede richting voor wat te verwachten. Om te gaan bepalen hoeveel zonnepanelen wij zouden gaan leggen, hielden we vooral rekening met het programma en de informatie gegeven door onze installateur. Dit omdat de installateur hier al enige ervaring in had met vorig geplaatste installaties en deze berekening meestal een goeie weergave gaf. De keuze van het aantal panelen, in ons geval 22 werd vooral gemaakt door onze promotor F. Delepierre en R. Packo. 5.2 Werking zonnecel Een zonnepaneel bestaat uit verschillende zonnecellen die in serie met elkaar verbonden zijn. Zo n zonnecel bestaat uit een schijf silicium. In een zonnecel zal licht rechtsreeks omgezet worden in elektriciteit. Het atoom van silicium bevat veertien vrije elektronen. Met de formule werd het aantal elektronen berekend op de n-de schil, daarbij komt men tot de vaststelling dat er bij zuiver silicium vier valentie-elektronen zijn. Door een stof met vrijwel geen vrije elektronen kan er geen elektronenstroom vloeien: zo n stof noemt men een isolator. Een geleider daarentegen is een stof met vrij veel elektronen. Silicium is een halfgeleider materiaal, dit wordt gekenmerkt als een materiaal die alleen vrije elektronen heeft als ze verwarmd word of als er licht opvalt. Deze 4 valentie-elektronen zijn bij zuiver Pacotex NV Zonne-energie 47

56 silicium sterk gebonden aan 4 nabij gelegen atomen waardoor er een co- valente binding ontstaat. Figuur 48 - Sicilium atoom en kristalstructuur Hoewel er bij zuiver silicium toch één vrij elektron per Si-atomen voorkomt, is dit toch veel te weinig. Om de toename van vrije elektronen in halfgeleidermateriaal te stimuleren, wordt dopering met vreemde atomen toegepast. Bij een zonnecel is de ene kant gedopeerd met N-materiaal (5 vrije elektronen op de buitenste schil bv. fosfor) en de andere kant met P-materiaal (3 vrije elektronen op buitenste schil bv. aluminium of borium). Figuur 49 - PN-junctie P en N materiaal zijn dus samengebracht en zij worden gescheiden door een scherpe scheidingslaag, de verwarmingslaag waar de vrije elektronen van het N-gebied worden aangetrokken door de positieve gaten v/h P-gebied= de PN-junctie. Ter hoogte van die PN-junctie wordt N-materiaal positiever en P-materiaal negatiever. Er ontstaat een potentiaal verschil, voor SI is dat 0.6V => diffusiespanning bij 0.6 V is de som van de krachten gelijk aan nul waardoor de diode zou beginnen te geleiden bij het aanleggen van deze spanning. Bij een zonnecel wordt er geen extra spanning aangelegd om de evenwichtssituatie te doorbreken, de weerstand van de PN-junctie is zeer groot. Als er lichtenergie invalt op de N-laag, zal de e-stroom gaan stromen van de N-laag naar de P-laag door de verbruiker die aangesloten is op het P en N-materiaal. Ie vloeit door de verbruiker waardoor er over de zonnecel een spanning U ontstaat. Hierdoor is er een positiever spanning over de PN-junctie waardoor de verarmingslaag afneemt. Naast de stroom Ie vloeit er dan ook een stroom Id in de zonnecel. In het P-materiaal ontstaat dan een dunne laag die negatief geladen is en in het N-materiaal een laag die positief geladen is. Hierdoor zal een elektrisch veld ontstaan, zodat na verloop van tijd een recombinatiestop zal plaatsvinden. De twee lagen vormen samen de PN-overgang. Pacotex NV Zonne-energie 48

57 Wanneer er licht op de zonnecel invalt zullen er elektronen in het halfgeleider worden afgestoten. Door deze afstoting kunnen de elektronen vrij gaan bewegen in het halfgeleidergebied. Door het elektrisch veld zullen alle vrije elektronen in eenzelfde richting gaan bewegen. Dit in de richting van het positief veld. Hierdoor vloeit er dus een stroom. De energie in de vorm van licht die op het zonnepaneel invalt, zorgt ervoor dat de energiekloof tussen de geleidingsband en de valentieband overbrugd wordt. 5.3 Opbouw van een PV-paneel Figuur 50 - Interne bouw van een zonnecel Een PV-paneel bestaat uit meerdere zonnecellen, deze worden intern verbonden en vormen zo een elektrische kring. Een zonnepaneel bestaat verder uit een aluminium frame met aan de voorkant een glasplaat voorzien van een laag tegen het vuil. Ook is hierop een antireflexiecoating aangebracht. Aan de achterkant van een zonnepaneel bevindt er zich dan een connectorbox Soorten PV-panelen Monokristalijn silicium panelen: Monokrisalijn silicium wordt gemaakt door een roterende staaf langzaam omhoog te trekken. Deze staaf bevindt zich in een vat gesmolten silicium. Op de staaf bevindt er zich een punt op het uiteinde met zuiver silicium. Dit is het siliciumkristal, hierdoor gaat het gesmolten silicium de kristalstructuur van het punt gaan overnemen terwijl de staaf omhoog getrokken wordt. De staaf wordt na dit proces in plakjes gesneden. Deze plakjes worden wafers genoemd. Door dit productieproces zijn ze cirkelvormig en wordt het nuttige zonneceloppervlak zo versneden dat er in het eindproduct van monokristalijne zonnepanelen op elk hoekje een afronding waar te nemen is. Monokrijstalijne panelen herkent men dus aan de afrondingen op het paneel. Deze wafers zijn ongeveer 0,3mm dik. Het rendement van deze panelen kan gaan van 14 tot 20%. Polykristalijn silicium panelen: Polykristalijn panelen worden gemaakt door vloeibaar silicium in een vierkante gietvorm te gieten en dan in wafers te snijden. Het rendement zal iets lager zijn door het minder goed aansluiten van de kristallen. Het rendement wordt wel wat verbeterd doordat ze de volledige oppervlakte van de zonnecel benutten. Het rendement van deze panelen kan gaan van 15 tot 18%. Amorf silicium panelen: Dit is een afgeleide van de gangbare siliciumtechnologie in klassieke zonnepannelen. Hierbij zal silicium worden opgedampt en vervolgens afgekoeld voor er zich een kristalstructuur kan gaan vormen. Het substraat is zeer flexibel. Dit komt omdat er geen Pacotex NV Zonne-energie 49

58 kristalstructuur is en dus niet breekbaar. Het rendement van deze panelen kan gaan van 5 tot 8%. Koper-indiumdiselenide- en cadmiumtelluride-panelen: Dit zijn hele dunne-filmzonnecellen. Deze zijn nog sterk in ontwikkeling en kan een rendement mee behaald worden van 8 tot 9% op pilotschaal. Wanneer deze op industriële schaal zal ontwikkeld worden zouden rendementen van 10 tot 12% mogelijk zijn. Hierdoor zouden ze kunnen gaan concurreren met de amorf-panelen. Organische panelen: Figuur 51 - Mono, poly, amorf en cadmium panelen Deze panelen zijn nog in een vroege ontwikkelingsfase. Dit beloofd een veelbelovende ontwikkeling te worden. Dit omdat de kosten laag zijn, maar nadeel is dat het rendement rond de 5% schommelt. De gekozen zonnepanelen zijn er van het merk Panasonic de HIT-N235. Dit omdat het monokristalijne zijn waardoor ze een hoger celrendement kunnen hebben en volgens de installateurs langer hun celrendement behouden. De gegevens werden in bijlage toegevoegd en de specificaties zijn uitgelegd in hoofdstuk Dus vaak hebben polykristalijne en monokristalijne panelen het zelfde rendement voor eenzelfde paneeloppervlakte, maar niet voor de celoppervlakte natuurlijk. Daar scoren monokristalijne het best. Hierdoor zal het prijsverschil vaak niet ver uit elkaar liggen. Pacotex NV Zonne-energie 50

59 5.4 Opbouw van een netgekoppelde PV-installatie Een zonnepanelen installatie bestaat uit een aantal onderdelen. Deze zullen samen instaan voor de opbrengst en kosten die deze installatie met zich meebrengen. Deze installatie bestaat in het algemeen uit: Zonnepanelen De constructie waarop ze gemonteerd is Kabels & omvormer Schema 1 - Doorsnee PV-installatie De panelen wekken gelijkstroom op, deze stroom gaat dan naar de omvormer die deze dan omzet in wisselstroom. De omvormer moet zo dicht mogelijk geplaatst worden bij de panelen om een zo n hoog mogelijk rendement te behalen. Van de omvormer gaat de elektriciteit naar de zekeringskast/meterkast. De meterkast zal de nodige stroom verdelen over de verbruikers en het teveel aan energie wordt geïnjecteerd in het elektriciteitsnet. Zonnepanelen kunnen worden gemonteerd op een draaginfrastructuur, geïntegreerd worden in een dak, geïntegreerd worden in gebouwstructuur of gemonteerd worden op een solartracker. Het beste rendement wordt behaald door gebruik te maken van een solartracker. Deze zal, zoals het woord doet vermoeden, de zon gaan tracken/volgen. Zo wordt altijd een optimale positie van de panelen verzekerd en zal het licht altijd loodrecht invallen op het beschouwde paneel Veiligheden PV-installaties De installatie moet bestand zijn tegen blikseminslagen. Men kan de metalen draagstructuur gaan koppelen aan bestaande beveiligingen. Als deze nog niet voorzien is, kan speciaal voor het PV-systeem een externe beveiliging geïnstalleerd worden. Intern is de omvormer beveiligd tegen overspanning en inductie spanningen. Een PV-systeem is bestand tegen kortsluiting. De kortsluitstroom loopt echter nooit hoger op dan 1,2 keer de nominale stroom. Dit doordat de spanning door de stijgende stroom zal gaan dalen. Hierdoor is er geen overbelasting van de bekabeling. Dit systeem kan in geval van nood moeilijk uitgeschakeld worden. Dit omdat zolang er licht is er stroom opgewekt wordt. Alleen als men de installatie volledig afdekt is het systeem stil te leggen. De gelijkstroom vereist speciale schakelaars en maatregelen tegen boogvorming. Pacotex NV Zonne-energie 51

60 5.4.2 De omvormer De omvormer zorgt ervoor dat de opgewekte gelijkspanning wordt omgezet in wisselspanning. Ook is er een verbinding met het elektriciteitsnet om de teveel aan opgewekte stroom op het net te injecteren. De omvormer die werd gekozen is de piko-5.5. De datasheet werd in bijlage toegevoegd. Waarom deze omvormer werd gekozen is te lezen in hoofdstuk over hoe een omvormer moet afgestemd worden op de zonnepanelen. Omvormers kunnen op drie manieren geschakeld worden. Een eerst mogelijkheid is met een centrale omvormer. Hierbij zullen de groepen verdeeld worden en in serie geschakeld worden. De strings worden dan in parallel geschakeld. Wanneer hier schaduw op één paneel komt, zal er een opbrengstverlies over de hele installatie plaatsvinden. Dit kan voorkomen worden door diodes te gebruiken op de zonnepanelen zelf. Tweede schakeling die gemaakt kan worden valt duurder uit. Hier wordt gebruik gemaakt van één omvormer per string. Het voordeel is dat we dus minder opbrengstverlies zullen hebben wanneer een string beschaduwd wordt. Derde mogelijkheid is een multi string omvormer. Hierbij kunnen meerdere zonnepanelen strings gekoppeld worden aan de omvormer. Dit heeft als voordeel een compacte installatie te zijn en betaalbaar te zijn. Deze heeft dezelfde voordelen als een omvormer per string. Deze omvormer heeft dus meerdere MPP-trackers. Schema 2 - Schakelen van omvormer Er is ook een vierde mogelijkheid: AC-panalen. Dit zijn zonnepanelen met een omvormer op de ommezijde gemonteerd van elk paneel. Dit heeft als voordeel dat elk paneel zijn eigen omvormer heeft en dat panelen elkaar dus niet gaan beïnvloeden binnen het kader van schaduwvorming of ander ongewenste eigenschappen. Plus gemakkelijk uitbreidbaar = goede modulariteit. Dit soort systeem kunnen 3 tot 4% meer opbrengst krijgen, maar kosten ook een stuk meer. Tenslotte zijn er hoogfrequentietranformators voor in een meetrapsconfiguratie en transformators zonder een transformator (TL: transformatorloos). Hier wordt behulp gemaakt van een boos up converter om een dynamisch ingangsbereik te halen. Deze halen doorgaans ook de grootste efficiëntie. Onze installatie telt een omvormer zonder transformator en behoort tot multi string omvormers. 5.5 Karakteristiek van een zonnepaneel Het verloop van de spanning-/stroomkarakteristiek is weergegeven in onderstaande grafiek. Deze wordt opgemeten door een zonnepaneel te gaan belasten met instelbare belasting. Wanneer de weerstandswaarde daalt zal de geleverde spanning ook dalen. Bij het kortsluiten van het paneel staat er geen spanning over het paneel en zal er een kortsluitstroom I sc vloeien. Bij stijgende weerstandswaarde stijgt ook de spanning. Met deze karakteristiek kan het MPP (maximum power point) bekomen worden bij een zo hoog mogelijke stroom en spanning. Pacotex NV Zonne-energie 52

61 I Isc Isc MPP= Maximum Power Point Maximum Power Uoc 0,45V à 0,5V Meer lichtinval dan bij onderliggende karakteristiek Grafiek 13 - IU-karakteristiek Naast de IU-karakteristiek is er ook een vermogenskarakteristiek. Ze wordt bekomen door de spanning en stroom op de x- en y-as te vermenigvuldigen. Het vermogen is weergegeven door de groene grafiek. Het maximaal vermogen wordt bereikt wanneer het MPP bereikt wordt zoals in onderstaande grafiek te zien is. U P I Isc Maximum Power Maximum Power Point Uoc 0,45V à 0,5V U Kenplaatgegevens zonnepaneel Grafiek 14 - Vermogengrafiek Dit zijn de kenplaatgegevens van de door ons aangekocht zonnepanelen. Het maximum vermogen van deze panelen wordt weergegeven in watt of watt piek. Dit is het maximaal vermogen dat een zonnepaneel kan bereiken onder ideale omstandigheden. Dit is gemeten bij standaard testcondities. De standaard test condities gebeurd bij een temperatuur van 25 C, een AM van 1,5 en stralingsintensiteit van 1000W/m². Dit is eveneens het MPP. De spanning en stroom bij maximaal vermogen zijn U MPP (43V) en I MPP bij 5,48 A. Dit is geleverd bij STC. Een cel heeft ook een U MPP, in ons geval is dit 43/72 cellen = 0,597V. Doordat de zonnecellen in serie geschakeld zijn, is de stroom van een zonnecel I MPP = 5,48A. Figuur 52 - Kenplaat zonnepaneel De kortsluitstroom I SC en openklemspanning U OC zijn ook vermeld op het plaatje. De Negatieve temperatuurcoëfficiënt geeft aan dat bij stijgende temperatuur U MPP zal dalen. Dit zal ervoor zorgen dat het geleverde vermogen zal dalen en dus het rendement van het paneel. Pacotex NV Zonne-energie 53

62 5.6 Hoe op elkaar afstemmen? Het op elkaar afstemmen van de omvormer en zonnepanelen wordt dimensioneren genoemd. Op de kenplaat van een omvormer wordt de maximale AC-uitgangsvermogen en stroom opgegeven. Het maximale uitgangsvermogen bij de door ons gekozen omvormer is 5500W. Wanneer de omvormer zijn stroom injecteert op het net gebeurt dit bij een goede opbrengst en bij een goede arbeidsfactor. Wanneer deze opbrengst lager is zal arbeidsfactor mogelijks een stuk lager liggen. De kenplaat bevat info over de AC-ingangszijde en ACuitgangszijde. De omvormer is toegevoegd aan bijlage. We kozen voor een 3-fasige omvormer omdat we met een 3-fasig net zaten en zo het vermogen evenredig verdeeld kon worden. Het nominaal AC-vermogen van de omvormer is 5000W en van de zonnepanelen is dit 5170Wp. Men neemt meestal geen omvormer die groter is dan het vermogen van de zonnepanelen. Met andere woorden zal je opteren en ervoor zorgen dat de installatie een ietwat ondergedimensioneerd is. Hierdoor zal het rendement van de omvormer hoger zijn. In België wordt een power ratio van 90% geopteerd. Dit omdat zonnepanelen, maar 5% van het jaar hun maximaal vermogen opbrengen Optredende verliezen Een eerste oorzaak van dalende karakteristieken is een toename van weerstand verliezen. Deze weerstandsverliezen kunnen te wijten zijn aan: Zonnecel: Contactverliezen van P-materiaal naar elektrode van N-materiaal. De weerstand van de elektroden zelf. De weerstand van de bekabeling. Interne weerstand van de gedopeerde materialen. Weerstand van de junctie. Ook kunnen er verliezen ontstaan bij de omvormer: Bij de geleiders. Schakelverliezen van de halfgeleiders in de omvormer. Contact weerstanden. Dit zal ervoor zorgen dat de totale opbrengst zal beginnen dalen. De weerstand van de stroomkring moet zo laag mogelijk worden gehouden, dit kan door het zo optimaal mogelijk dimensioneren van de bekabeling. Normaal gezien zijn kabelverliezen niet meer dan 1% van de totale verliezen. In volgende figuur wordt de stroom-/spanningskarakteristiek weergegeven bij verschillende weerstand. Pacotex NV Zonne-energie 54

63 Grafiek 15 - Invloed celweerstand Een tweede oorzaak kan schaduw en vervuiling van de panelen zijn. Wanneer er schaduwslag is op een paneel van in serie geplaatste systeem zal de energieopbrengst heel erg zakken. Dit komt omdat panelen in serie geschakeld worden en wanneer één cel niet of weinig zal belicht worden, kan de stroom niet of nauwelijks vloeien in de serieketen. De opbrengst wordt dus bepaald door de zwakste schakel. Een zonnecel is immers een stroombron. Niet alleen bomen, schoorstenen of hoge gebouwen kunnen er voor zorgen dat er schaduw op de panelen komt, maar ook een andere zonnepaneelconstructie. Wanneer er twee rijen geplaatst worden met zonnepanelen moet ervoor gezorgd worden dat er genoeg ruimte tussen deze rijen is zodat de ene rij geen schaduw voor de ander creëert. Vervuiling kan er ook voor zorgen dat een zonnepaneel minder gaat presteren. Grafiek 11 geeft de spanning-/stroomkarakteristiek weer bij verschillende instralingsvermogens. Deze verliezen kunnen samen met het opbrengstverlies door verkeerde oriëntatie, reflectieverliezen, spectrale verliezen, de instralingverliezen genoemd worden. Grafiek 16 - Invloed lichtinval Een derde mogelijkheid voor opbrengstverlies is de degradatie van de zonnepanelen. Zonnepalen met glasplaat zullen geen degradatie ondervinden door het daglicht. De degradatie treedt wel op door het verouderen van het systeem. Zonnepaneel fabrikanten geven de garantie dat ze na 10 jaar nog steeds 90% van hun maximaal vermogen opbrengen en 80% na 25 jaar. Als laatste kunnen er ook verliezen ontstaan door te grote temperaturen. Vrije elektronen ontstaan niet alleen door energie van het licht, maar ook door een thermisch effect. Als de temperatuur toeneemt zullen er meer vrije elektronen ontstaan, waardoor de kortsluitstroom I SC toeneemt. Door deze hogere temperaturen zal er voor zorgen dat de cel al bij lagere spanning zal gaan geleiden. Bij hogere temperaturen is de kortsluitstroom groter, maar de stroom daalt sneller bij groter wordende belastingsweerstand. Pacotex NV Zonne-energie 55

64 Grafiek 17 - Invloed temperatuur De maximale opbrengst van zonnepanelen kan bekomen worden bij koude, maar erg zonnige winterdagen. Een grote lichtinval bij lage temperatuur zorgt er voor een maximaal elektrisch vermogen aan de zonnecellen wordt ontrokken. Om dit feit te controleren werd een proefstand gemaakt op een erg zonnige dag. Er werd gebruik gemaakt van twee identieke zonnepanelen. Deze kregen een zelfde richting en hoek om de lichtinval hetzelfde te houden. Het paneel dat ingesloten was, had dus geen natuurlijke koeling en paneel twee wel. Volgens de theorie zou hierdoor de temperatuur op paneel één sneller moeten stijgen en dus zou dit moeten resulteren in een dalende spanning. Bij het begin van de meting werd op paneel 1 een temperatuur van 26 C genoteerd en een spanning van 35,48V. Op paneel twee was de temperatuur 27 C en de spanning 35,2V. Na twee uur in de zon werd het volgende vastgesteld. Paneel één die ingesloten was had een temperatuur van 53 C en een spanning van 32,59V. Paneel twee die van optimale natuurlijke koeling kon genieten had een temperatuur van 48 C bij een spanning van 33,5V. De gegevens en opstelling worden in volgende tabel en figuur nog eens overzichtelijk weergegeven. Er kon dus vastgesteld worden dat er wel degelijk een temperatuurinvloed was op de stroom-spanningkarakteristiek. Tabel 4 Metingen Figuur 53 Meetopstelling Pacotex NV Zonne-energie 56

65 Er moet ook voor gezorgd worden dat er een gelijke verdeling is onder de strings wanneer gebruikt gemaakt wordt van een centrale omvormer met 1 MPP-tracker. Dit omdat wanneer twee verschillende strings aangesloten worden (bv. eerste string vijf panelen in serie en tweede string vier panelen) de spanning niet gelijk zal zijn. Hierdoor zal een lager MPP ingesteld worden waardoor uit string één niet het optimaal vermogen kan gehaald worden. 5.7 Terugverdientijd installatie en kostprijs groenestroom De exacte terugverdientijd van een zonnepaneel installatie berekenen is onmogelijk. Wat installateurs ook beweren, er zijn steeds enkele factoren die niet kunnen correct ingecalculeerd worden, zoals de evolutie van de elektriciteitsprijs en de precieze opbrengst. Er kan dus slechts een benadering hiervan gegeven worden. De factor die het minst te bepalen is, is de evolutie van de elektriciteitsprijs. Sommige bronnen rekenen telkens met dezelfde huidige prijs, maar wanneer er gekeken wordt naar de evolutie van de prijs de afgelopen jaren is er toch een opmerkelijke stijging te zien waardoor deze prijs niet constant genomen kan worden. Nu is de gemiddelde prijs ongeveer 0,21 /kwh. Wanneer gekeken wordt naar de stijging van 2005 tot december 2011 en deze trend doorgezet wordt kan de elektriciteitsprijs oplopen tot gemiddeld 0,35 /kwh tegen Dit is een stijging van 60% de komende jaren of 4,62% per jaar. Sommige bronnen houden rekening met 7%, maar dit lijkt wat aan de hoge kant. Onze installatie heeft 22 panelen, alsook een 3-fasige omvormer. De prijs hiervan is excl. BTW 16976,8. De groenestroomcertificaten zullen voor ons 230 euro zijn aangezien onze installatie gekeurd is tussen april en juni De evolutie van deze prijzen is terug te vinden op de site van de VREG. De groenestroomcertificaten worden uitbetaald door de elektriciteitsleverancier en dus niet door de VREG. Telkens wanneer 1000kWh elektriciteit opgewekt is moet dit aangegeven worden bij de VREG. Hierdoor krijgt men een certificaat van de VREG die dan moet doorverkocht worden aan de elektriciteitsleverancier. De elektriciteitsleverancier is verplicht deze certificaten op te kopen. Er moet wel aan enkele voorwaarden voldaan worden zoals: De installatie moet aangemeld worden bij de netbeheerder. U kunt een certificaat maar één keer verkopen. Zonnepalen moeten correct aangesloten worden. Het certificaat moet binnen vier jaar verkocht worden. Wanneer aan deze voorwaarden voldaan is kan men de certificaten doorverkopen. De geschatte opbrengst van onze installatie door de installateur is 4912kWh per jaar. In de berekening wordt ook rekening gehouden met eventuele kosten voor onderhoud die na enkele jaren moet gebeuren. Zo kan het zijn dat na 15 jaar de omvormer vervangen moet worden. Dit brengt ongeveer een kostprijs van 1500 met zich mee. Voor de panelen gaan we er van uit dat er volgens de informatie van de fabrikant een rendementdaling is van 20% over 25 jaar zal plaatsvinden. De opbrengst van de installatie is een optelling van de besparing en het bedrag dat voor de groenestroomcertificaten gegeven wordt. Dit gedurende 20 jaar. Pacotex NV Zonne-energie 57

66 Jaar Rendement paneel Investering Opbrengst installatie Indexering prijs met 4,62% per jaar Besparing elektriciteit Groenestroom certificaat 0,23 /kwh Opbrengst Resultaat 25 jaar [%] kwh /kwh , , , , , , ,88 0, , , , , ,76 0, , , , , ,64 0, , , , , ,52 0, , , , , ,40 0, , , , , ,28 0, , , , , ,16 0, , , ,23 975, ,04 0, , , , , ,92 0, , , , , , ,90 0, , , , , , ,88 0, , , , , , ,86 0, , , , , , ,83 0, ,03 994, , , , ,81 0, ,54 986, , , , ,79 0, ,35 978, , , , ,77 0, ,46 970, , , , ,75 0, ,88 961, , , , ,73 0, ,60 953, , , , ,71 0, ,61 945, , , , ,69 0, ,93 0, , , , ,66 0, ,55 0, , , , ,64 0, ,47 0, , , , ,62 0, ,69 0, , , , ,60 0, ,22 0, , ,63 Totale opbrengst over 25 jaar , , , , ,63 Tabel 5 - Opbrengst PV-installatie De installatie zou ongeveer na 7 jaar volledig terugbetaald zijn, hierna wordt dus eigenlijk zuiverwinst gecreëerd. (Zelfs na het wegvallen van de groenestroomcertificaten). De installatie kan natuurlijk nog langer meegaan waardoor er nog meer winst zal gemaakt worden. Doordat de installatie na 7 jaar teruggewonnen wordt, zal de kostprijs over 7 jaar verdeeld worden om te zien hoeveel betaald zal worden per kwh. kostprijs per jaar Opbrengst Kost energie opwekking Opbrengst Installatie kwh /kwh Jaar , ,28 263, ,054 Jaar , ,85 238, ,88 0,049 Jaar , ,46 213, ,76 0,044 Jaar , ,12 190, ,64 0,040 Jaar , ,83 167, ,52 0,036 Jaar , ,58 145, ,40 0,031 Jaar , ,38 124, ,28 0, ,30 0,040 Tabel 6 - Kostprijs kwh Pacotex NV Zonne-energie 58

67 Rekeninghoudend met de opbrengst die de installatie met zich meebrengt en de groenestroomcertificaten die verkregen worden per jaar, wordt er een prijs van 0,04 /kwh over 7 jaar bekomen door gebruik te maken van groenestroom. Vaak wordt de vergelijking gemaakt met het sparen van de investering en die op een spaarboekje te laten staan. In onderstaande tool werd de installatie vergeleken met een spaarboekje. Er zou al een interest moet zijn van 5,5 procent om te concurreren met zonnepanelen. Waar is dit dezer dagen nog het geval is maar de vraag. Grafiek 18 - Vergelijking spaarrekening Pacotex NV Zonne-energie 59

68 Hoofdstuk 6 Transport van elektriciteit naar batterij wagen Mensen beginnen zelf voor hun eigen energievoorziening te zorgen er wordt dus gesproken van decentrale productie. Hiermee is de klant zelf in staat om voor zijn energie voorziening te zorgen. Onder decentrale productie vallen zonnepanelen, windmolens, WKK, enzovoort. De manier van decentrale energieproductie kan afhangen van de toepassing. Zo kan gekozen worden voor netgekoppelde, autonoom met of zonder accuopslag. 6.1 Autonome systemen Een autonoom systeem zal elektriciteit gaan produceren voor verbruikers die niet aan het elektriciteitsnet gekoppeld zijn Zonder opslagbatterij Bij dit systeem zal bv. een zonnepaneel rechtsreeks gekoppeld worden aan een verbruiker. Wanneer er geen lichtinval is zal de hieraan gekoppelde verbruiker niet werken. In ons geval wordt de groene stroom geïnjecteerd in het elektriciteitsnet. De uitspraak De wagen rijdt dan toch niet op groene stroom is waar. Indien men de wagen puur op deze stroom willen laten rijden die opgewekt is met onze eigen zonnepanelen, dan moeten we rekening houden met volgende zaken: De wagen kan s nachts niet geladen worden. Het laadvermogen is zeer weersafhankelijk en veel te klein om de wagen binnen aanvaardbare tijd op te laden. Dit tonen we aan met volgend rekenvoorbeeld; Het maximale piekvermogen bedraagt: De tijdsduur om de wagen volledig op te laden, indien dit piekvermogen wordt aangehouden bedraagt dan theoretisch: Aangezien dit piekvermogen ± 5% van de tijd per jaar voorkomt, is dit niet aangewezen om deze methode toe te passen in onze situatie. Dit aangezien de auto overdag rij- klaar moet zijn. In de winter is dit zeker niet het geval. Ook is er steeds nog een omvormer nodig die de spanning naar AC 50Hz omvormt. Dit omdat de ingangsspanning van de elektrische wagen 230V AC 50Hz of 360V DC moet zijn. Wanneer de auto niet is verbonden met het systeem zal er geen verbruik zijn en leveren de panelen dus ook niets af, waardoor de terugverdientijd van de panelen veel hoger zal zijn Met voorraadbatterij We kunnen het bovenstaand probleem oplossen door de elektriciteit van de zonnepanelen op te slaan op een voorraadbatterij. Dit kunnen we doen door middel van een laadregelaar, waaraan we de wagen koppelen om op te laden. Het voordeel van dit systeem is dat men nu wel kan zeggen dat de wagen op groene stroom rijdt. Bovendien kan de wagen s nachts opgeladen worden. Natuurlijk zijn hier ook enkele nadelen aan verbonden, namelijk: Het laadvermogen is afhankelijk van de ogenblikkelijke capaciteit van de batterij. Men heeft twee laadregelaars nodig, één voor de autonome batterij en één voor de wagen. Er is een rendementsverlies van zeventien procent door opslag. Pacotex NV Transport van elektriciteit naar batterij wagen 60

69 Er is een hoge meer kost voor de accu. Om eenzelfde laadsnelheid te bekomen als omschreven in de eerste oplossing dient men een vermogen te hebben van 5170Wp. Toch willen we de voordelen nog even benadrukken: De wagen kan s nachts worden opgeladen. Wanneer de wagen niet is aangeschakeld kan de batterij wel bijladen, maar wanneer de batterij volledig opgeladen is, leveren de panelen niets meer. Een alternatief voor opslaan in een accu is het gebruiken van waterstof als energiedrager, dit wordt besproken in hoofdstuk zeven. Daardoor kunnen dezelfde voordelen bekomen worden als bovenstaand gegeven, met dat verschil dat het een zeer duurzame methode is waarbij de milieubelasting miniem tot verwaarloosbaar is. Bij ons project was dit systeem te overwegen, maar door de extra kost van de batterijen zou dit een zeer hoge meerprijs met zich meebrengen. Hierdoor waren we genoodzaakt volgend systeem toe te passen. 6.2 Netgekoppelde systemen Meestal worden decentrale energiesystemen aangesloten op het net. Wanneer een energiesysteem kleiner dan 10kW geïnstalleerd is, laat de VREG toe dat deze terug gestuurd wordt via de bestaande aansluitingen. Hierdoor gaat de kilowattuurmeter gaan terugtellen. Dit soort systemen komen meestal voor bij residentiële toepassingen zoals zonnepanelen. Bij industriële bedrijven zal dit vermogen meestal veel groter zijn dan 10kW. Hierdoor moet een netstudie gedaan worden en een afzonderlijke aansluiting voorzien worden. Dit is echter niet noodzakelijk wanneer de energie volledig intern in het bedrijf gebruikt wordt Het huidige elektriciteitsnet Het elektriciteitnet is een belangrijk onderdeel voor het transport van elektriciteit. Het zorgt ervoor dat de opgewekte elektriciteit tot bij de verbruiker raakt. In Europa is de elektriciteitsvoorziening opgebouwd met het principe vanuit centrale productie. Figuur 54 - informatie en vermogensstroom traditioneel net Door bovenstaande beschrijving is het wellicht duidelijk geworden waarom de keuze is gemaakt om het net als buffer te gebruiken. De voordelen zijn uiteraard dat men groene stroomcertificaten krijgt wanneer de wagen niet wordt opgeladen in de carport, maar bijvoorbeeld in Knokke-Heist. Daardoor is het mogelijk om op te laden op gelijk welke plaats. Ook kan men een alledaagse omvormer gebruiken voor de PV-installatie. Maar het belangrijkste voordeel is natuurlijk dat het opladen altijd met een constant vermogen kan gebeuren. Het gebruik van elektrische wagens en decentrale productie heeft een serieuze Pacotex NV Transport van elektriciteit naar batterij wagen 61

70 invloed op het huidige elektriciteitsnet. Zo is het zeer moeilijk te gaan bepalen hoeveel elektriciteit er geproduceerd moet worden door de leverancier en hoeveel er afgenomen wordt door verbruikers. Als gevolg hiervan kunnen er stroomtekorten of overvloeden zijn. In onderstaande grafiek wordt weergegeven hoe een voorspelling gedaan wordt van de nodige elektriciteit en wat de werkelijke afname is. Grafiek 19 - Voorspelling en piekbelasting Er moet dus een evenwicht ontstaan tussen aanbod en afname. Wanneer meer energie geleverd wordt dan nodig, dan wordt de netfrequentie verhoogt en is er onnodig verbruik van primaire energie. Wanneer de energievraag hoger is zal de netfrequentie van 50Hz dalen. Indien we het net zouden moeten aanpassen om aan deze piekbelasting te voldoen die maar enkele uren per jaar voorkomt, zou dit een erg dure investering vergen. 6.3 Het smartgrid Het huidige transmissie- en distributienet is er dan ook maar op voorzien om energie te sturen afkomstig van centrale opwekkingsinstallaties. Dit houdt in dat er hier sprake is van grotendeels eenrichtingsverkeer. Omdat de opslag van elektriciteit zeer duur is (zoals er staat beschreven in de paragraaf autonome systemen) en gepaard gaat met grote verliezen, moet de opgewekte energie steeds in evenwicht zijn met de consumptie ervan, tot nu toe was dit geen probleem omdat de energieopwekking centraal gebeurde. Figuur 55: spanningsprofiel bij centrale en decentrale productie In bovenstaande afbeelding is te zien, (enkel bij centrale energieproductie), dat de stroom afneemt. Dit komt doordat naar het einde van het net de energie daalt. Daarom wordt meer energie geproduceerd zodat op het einde van het net voldoende kan geleverd worden. Door decentrale energieproductie worden deze dalingen opgevangen, maar weet de energie leverancier niet meer hoeveel energie hij moet gaan leveren. De steeds groter wordende Pacotex NV Transport van elektriciteit naar batterij wagen 62

71 groei aan decentrale energieopwekking zorgt er dan ook voor dat er meer op elkaar moet worden afgestemd. Een net dat hiertoe voor een deel in staat is, heet een slim net, daarbij is er tweerichtingsverkeer van communicatie en energie mogelijk. Dit wordt verwezenlijkt door de productie en de afname op te meten aan de hand van een slimme meter. Deze meter die de huidige draaistroom-kwh meter kan vervangen, is slim omdat deze in staat is informatie te verzenden en commando s van op afstand uit te voeren. Deze meter gaat de elektriciteit gaan regelen, meten en indien nodig gaan afschakelen van het net. Dit gebeurt via ingebouwde elektronica met communicatiemogelijkheden. Andere eigenschappen van deze meters zijn: De elektriciteitsafname en injectie opmeten, deze meterstanden worden dan periodiek en/of op aanvraag doorgestuurd. Tarieven van op afstand aanpassen en het registreren van het verbruik per tarief. Het doel van deze slimme meters is om naast de energieproductie, ook de afname te kunnen regelen via deze gegevens. Zodat vraag en aanbod in evenwicht zijn. Deze vraagsturing gebeurt momenteel passief, doordat consumenten hun verbruik zelf verschuiven in functie van het dag- en nachttarief. Figuur 56 - informatie- en vermogenstroom bij smart grid De slimme meter zal ervoor zorgen dat de elektrische toestellen hun consumptie aan energie zullen afstemmen in functie van de tariefprijzen en de voorkeuren van de klant. Deze regeling noemt men vraagrespons (Demand side management of DSM), waardoor de energie consumptie van piek- naar daluren verschuift. Door deze verschuiving worden de pieken dus afgevlakt en verschoven naar de dalmomenten. Dit via het smart grid waardoor men i.p.v. de traditionele netpieken een goed gecontroleerd aanbod en afname heeft. Hierdoor zal er geen overbelasting van het net ontstaan en ook geen tekorten. Batterijvoertuigen kunnen in het smart grid van de toekomst beheerd worden door een vlootbeheerder. Hierdoor zijn ze instaat het elektrisch net te stabiliseren. Nu worden primaire en secundaire regeling nog gedaan door de elektriciteitscentrales. In de toekomst zou het dus kunnen dat er aan deze regeling geen nood meer is. De primaire en secundaire reserves kunnen ontstaan door het meer en meer gebruik te maken van hernieuwbare energiebronnen. Door batterijvoertuigen te gaan integreren in een smart grid is het mogelijk het net gaan stabiliseren. Pacotex NV Transport van elektriciteit naar batterij wagen 63

72 6.3.1 Vehical to grid en microgrid Naast enkel opladen van de batterij van elektrische voertuigen, zal het in de toekomst ook mogelijk zijn om deze te ontladen wanneer de vraag naar energie zeer groot is (vehicle-to grid of V2G). Daardoor kunnen de stroomdalingen nog meer worden afgevlakt en wordt het doel van de slimme meter (energieconsumptie regelen zodat vraag en aanbod gelijk zijn) nog sneller bereikt. Hiervoor moet echter wel bijkomend onderzoek gedaan worden naar welke impact het terugleveren van de energie naar het net heeft op de levensduur van de batterij. Ook moet bekeken worden welke vergoeding de eigenaar van de batterij hiervoor zal gaan krijgen. Ook moet de eigenaar van de batterij deze netdiensten gaan toelaten. Een bijkomend voordeel hierbij is, dat de wagen reactief vermogen kan sturen, zodat door de slimme meter enkel nog actief vermogen gaat. Dit heeft dus als gevolg dat bij een huis met een met volledige compensatie door de wagen het net enkel actief vermogen ( ) moet sturen waardoor de transformator dus 10% extra actief vermogen naar een andere gebruiker kan sturen. Zo zal een versterking van het net bij groeiende belasting vermeden kan worden. De gebruiker krijgt meer voor wat hij betaalde voordien. Figuur 57 - Principe microgrid Een tweede voordeel is, dat men de frequentie van het net en daardoor ook de spanning ervan kan regelen door de spanning van de batterij op het net te injecteren en ervan te halen, Hiervoor zijn er twee regelingen; de primaire en de secundaire regeling, deze controlemechanismen worden ontwikkeld door de U-gent en de KU-leuven. De primaire regeling werkt als een proportionele regelaar en zal rechtevenredig regelen met de afwijking van de frequentie tegenover 50Hz. De secundaire regeling kan vergeleken worden met een L-regelaar; dit is een regelaar die steady state op de exacte waarde regelt. Met deze regeling zal dus ook bepaald worden hoeveel wagens er nodig zijn om dit exact te doen. Indien er inertie op het net aanwezig is, zal de frequentie automatisch wijzigingen aantonen van een verandering van het actief vermogen. (machines zullen sneller draaien bij teveel aan actief vermogen). Indien men toch zulke roterende inertie heeft op het laagspanningsnet, door bijvoorbeeld motoren, dan kan men ook werken via een zogenaamd microgrid. Dit microgrid is een net die kan gekoppeld worden aan het bestaande net of werken in eilandbedrijf. De spanning en frequentie moeten dan wel worden gesynchroniseerd, met het net indien het microgrid er terug aangekoppeld wordt. Naast deze motoren op dat net dient men ook virtuele powerplants en opslagelementen erin te configureren. Het voordeel van te werken in een micro-grid als eilandbedrijf, is dat men onafhankelijk is van het net. Voorbeeld hierbij zijn problemen bij onderhoud van een connectie lijn. Dan kan men eigenlijk kiezen als men op het net of van het net schakelt waardoor men ook in eilandbedrijf kan werken en zo de mogelijkheid heeft om de batterij van de wagen d.m.v. pure groene stroom te laden. Pacotex NV Transport van elektriciteit naar batterij wagen 64

73 Laat het duidelijk zijn dat dit van toepassing kan zijn bij een wagen die aan het net is gekoppeld, dus geen hybride elektrische voertuigen maar wel bij plug-in hybrides (PHEV) zie hoofdstuk elektrisch aangedreven wagen. Deze voertuigen maken gebruik van een Li-Ion batterij zoals ook pure batterij elektrische wagens (BEV) dit doen. Deze batterijen beschikken over een beperkte laadduur zodat meer speelruimte rest voor DSM mogelijkheden. Het extra voordeel van een microgrid net is dat het klein en lokaal is wat de schaalbaarheid van dergelijke vehical to grid systemen vereenvoudigt. De transformatoren zullen dus niet langer overbelast worden, groene stroomoverproductie kan dan ook nuttig worden gebruikt door het opladen van batterijen. Deze intelligente coördinatiemechanismen regelingen zorgen ervoor dat: Hun accu oplaadt tijdens momenten van lage belasting. (daluren) Hun accu ontlaadt wanneer de energieafname groot is (avondpiek) vermogensreserve. Men voldoende opgeladen is wanneer men wil vertrekken. De wagens niet allemaal tegelijk opladen. (nieuwe piekbelasting vermijden) Door de vraagsturing is er een verschuiving van het vermogen. Het gevolg hiervan is dat het maximum vermogen niet overschreden wordt zoals dat wel het geval was bij een traditioneel net Conclusie Figuur 58 - Netbelasting met en zonder slimme meter Met het installeren van slimme meters is er een grote stap voorwaarts gezet voor het gebruik van slimme netten. Door het toepassen van een microgrid kunnen deze voordelen sneller werkelijkheid worden. Naarmate meer elektrische wagens zullen voorkomen, zal het steeds moeilijker zijn, de pieken te verschuiven omdat de pieken steeds breder zullen worden. Waardoor het smart-grid niet alle problemen zal oplossen. Volgens onderzoek van Kempton zal het aandeel ladingen dat verschoven kan worden afnemen van 50% in 2014 tot 20% tegen Door te weinig componenten te hebben voor een micro-grid en het niet kunnen beschikken van een slimme meter zullen we het in onze realisatie houden bij het traditionele net. Pacotex NV Transport van elektriciteit naar batterij wagen 65

74 6.4 Opladen elektrische wagens De elektrische energie moet nu enkel nog als energiedrager bij de wagen worden gebracht door de accu in de wagen op te laden. Het laden van elektrische wagens is een groot verschil met het tanken van benzine, diesel of lpg. Overal waar er een stopcontact ter beschikking is kan de wagen worden opgeladen. Een accu is een ander woord voor een oplaadbare of secundaire batterij. Deze kunnen elektrische energie omzetten in chemische energie De niet oplaadbare of eenmalige batterijen noemt men primaire batterijen. In de tekst die volgt bedoeld men met batterijen dus oplaadbare batterijen of accu s. De batterij in de meeste elektrische wagens is een lithium-ion accu, dit wordt ook gebruikt bij elektrische fietsen, laptops,. Deze voorziet de voeding van de motor voor de aandrijflijn. Naast dit accu is er ook een conventionele accu aanwezig, deze dient om de randapparatuur te voorzien van spanning, zoals de interieurverlichting, gps, lampen enz De conventionele lood zuur accu van 12V bestaat uit zes in serie geschakelde loodzuuraccu s van elk 2V. De hoogspanningsaccu van bijvoorbeeld de Nissan LEAF is een gelamineerde lithium-ion batterij van 360V met 48 modulen die elk vier cellen bevatten. Zo n cel bestaat voornamelijk uit een positieve (kathode) en negatieve (anode) elektrode die door een afscheider met lage weerstand (separator) niet tegen elkaar kunnen komen. Deze cel is dan opgevuld met een elektrolyt die moet kunnen splitsen in ionen. Beide accu s bezitten voornamelijk dezelfde onderdelen, enkel het materiaal waaruit het bestaat en de afmetingen zijn anders. Figuur 59: principe loodzuur accu Figuur 60: opbouw van batterij pakket Accu Lood zuur Gelamelleerde Lithium-ion Positieve elektrode Rooster van lood die mengsel Lithium verbinding; metaal vasthoudt bestaande uit lood en verdund zwavelzuur (1/4 gedistilleerd water en ¾ zwavelzuur Negatieve Zelfde als pos. Grafiet massa elektrode Elektrolyt Zwavelzuur Lithiumzout in oplossing Pacotex NV Transport van elektriciteit naar batterij wagen 66

75 De loodaccu moet opgeladen worden zodat de zuurstof ionen van het verkregen water terug worden aangetrokken door de positieve platen, wanneer die zuurstofionen deze platen bereiken zullen ze reageren met de loodionen Pb van de loodsulfaat. Deze reactie heeft tot gevolg dat er opnieuw looddioxide ontstaat en de waterstofionen terug reageren met de sulfaationen tot zwavelzuur. Hierbij dient men er rekening mee te houden dat tijdens dit proces de temperatuur niet te hoog wordt. De temperatuur tijdens het laden mag ook niet te laag zijn, niet lager dan 0 C. Het elektrolyt kan dan vervriezen en dan zou het accu normaal lijken te laden maar er zou zich permanente aantasting voordoen van de lithiummetalen. Niettemin kunnen sommige Liioncellen worden opgeladen bij temperaturen tot -10 C tegen een lage oplaadsnelheid. Voor een hogere oplaadsnelheid dient er dan een verwarmingsdeken voorzien te worden. De laadsnelheid kan in het algemeen word beïnvloed door de laadstroom aan te passen. Deze maximaal mogelijke laadstroom is afhankelijk van het type batterij, en de reeds verworven capaciteit. Grafiek 20 - state of charge in functie van de tijd Het snelladen van een lithium ion batterij kan men opsplitsen in 3 delen, de eerste 80% laden zal 1/3 de van de laadtijd duren. De resterende 2/3 de van de oplaadtijd zal er 19% van de lading opgeslagen worden. De laatste 1% wordt door de speciale lader gecontroleerd d.m.v. druppellading, die zal ook de batterij volhouden. Bij normaal opladen zal men een constante stroom aanhouden en zal het 99% volladen 8 uur duren. De laatste procent wordt doormiddel van druppel lading geladen. Om de batterij in de wagen met een capaciteit van 24kwh op te laden, kan men theoretisch monofasig laden met een spanning van 230V en een stroom van 16A. Hierdoor ontwikkelt men een laadvermogen. Door dit laadvermogen wordt de tijd die nodig is om te laden ongeveer uur bij normaal laden. Indien we het laadvermogen vergroten, dan kan de laadtijd worden verkleind. In grafiek 20 wordt de laadkarakteristiek van de Nissan LEAF weergegeven. Deze geven het verloop van spanning en stroom weer gedurende het opladen van de batterij. Naargelang de eisen van de batterij en de uitrusting van de lader zijn er verschillende grafieken mogelijk. De optimale karakteristiek moet worden gekozen als men een zo n optimaal mogelijk rendement wil en de levensduur van de batterij wil verbeteren. Pacotex NV Transport van elektriciteit naar batterij wagen 67

76 6.4.1 Batterijlader Deze moet de laadstroom gaan regelen. Om ervoor te zorgen dat de wagen met een volgeladen batterij kan vertrekken, zijn er 3 verschillende manieren: Conductief op te laden, Inductief op te laden, Batterij wissel Conductief De boordlader (OBC) zal de ingangspanning van de semi-snelle aansluiting regelen tot in de batterij. De aansluiting gebeurt door directe verbinding met het elektrische net. De meeste elektrische voertuigen zijn hiermee uitgerust. Zo ook de Nissan LEAF. Hiermee is het mogelijk gebruik te maken van elk geschikt stopcontact. Doormiddel van vermogenelektronica kunnen deze heel klein en licht gemaakt worden. De ingebouwde lader krijgt wisselstroom (AC) van een externe krachtbron en deze wordt omgezet naar gelijkstroom (DC), zodat de lithium-ion accu kan worden opgeladen. De krachtbron is meestal AC 230V en wordt omgevormd naar DC 360V. Hetzelfde principe wordt toegepast bij laptops. Hier wordt 230V AC omgevormd naar DC 19V. Tijdens het laden van de lithium-ionaccu wordt alle informatie, zoals de laadtoestand, ontvangen via CANcommunicatie. De juiste uitgangsspanning en regeling wordt door middel van deze informatie gestuurd. Figuur 61 - Werking onboard charger In bovenstaand verbindingsdiagram is de ingangspanning te zien. De OBC zal deze spanning gaan omvormen naar de nodige uitgangsspanning ook, wel de laadspanning genoemd. De OBC heeft een CPU die communicatie maakt met de externe uitrusting, zoals de EVSE (Electric Vechicle Supply Equipment). Bij conductief laden is er een rechtstreekse verbinding tussen de wagen en de energiebron d.m.v. een kabel. In dit geval is de energiebron uitgevoerd als een laadpaal. Er zijn verschillende laadpalen, deze verschillen in laadvermogen en veiligheidsvoorzieningen. Pacotex NV Transport van elektriciteit naar batterij wagen 68

77 Deze verschillen worden onderverdeeld in vier oplaadwijzen en zijn vastgelegd in de IECnorm. De eerste drie oplaadmodussen vallen onder semi-snelladen, oplaadmodus vier is snelladen Oplaadmodus 1: Onaangepast stopcontact( non-dedicated outlet) Hierbij zijn de veiligheidsvoorzieningen, een differentieelschakelaar of een verliesstroomdetector en een overstroombeveiliging. Hierbij wordt opgeladen via het normale stopcontact. Dit komt overeen met een aansluiting 16A/230V. Het vermogen kan hierbij gaan tot 3,7kW enkelfasig of 11kW driefasig. Hiermee kan een normale laadtijd bekomen worden. In sommige landen is dit niet toegestaan doordat het veilig gebruik ervan afhangt of er een verliestroomschakelaar en aarding aanwezig is. Figuur 62 - Oplaadmodus Oplaadmodus 2: Onaangepast stopcontact met beschermingswijze in de kabel. Deze oplaadmodi is niet echt relevant voor Europa. Er wordt een extra veiligheid ingebouwd in de stroomkabel en het voertuig. Hierbij kan 1-fasig tot 7,4kW bereikt worden en 3-fasig tot 22kW. De standaardlader van de Nissan LEAF voldoet aan deze modus en zal voorlopig in het project gebruikt worden. Figuur 63 - Oplaadmodus 2 Pacotex NV Transport van elektriciteit naar batterij wagen 69

78 6.4.5 Oplaadmodus 3 : speciaal stopcontact ( dedicated outlet ) Hier zal men gebruik maken van speciale oplaadinfrastructuur. Met al dan niet publieke doeleinden. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de control pilot conductor. Deze heeft een controle- en communicatiefunctie. Er wordt hiermee gecontroleerd of de aarding nog intact is, het verzekerd dat er geen spanning op de stroomdraad staat als er geen elektrische wagen aangesloten is en controleert of de stroomdraad goed verbonden is. Praktisch is dit een extra draad die geaard is. In het geval van breuk wordt het laadcircuit afgesloten. Hierbij kan 1-fasig gegaan worden tot 7,4kW en 3-fasig tot 22kW. Figuur 64 - oplaadmodus 3 De stekker die hiervoor gebruikt wordt is een SAE J1772. Deze bezit dus 2 AC lijnen voor het opladen. Een aarding (ground), een pin voor controleren van laadstroom en aanwezig van de stekker. Figuur 65 - SAE J Oplaadmodus 4: DC-aansluiting voor snelladen Snelladen is het opladen van de wagen in ± een half uur, ondertussen zou men dan een kop thee kunnen drinken, zoals de betekenis van de Japanese vereniging chademo fonetisch voorstelt. Hun laadstekker heeft een andere vorm als de voorgaande waardoor er ook bij de Nissan LEAF een tweede stopcontact voorzien is. Dit vraagt echter dure en zware infrastructuur. Figuur 66 - Chademo Pacotex NV Transport van elektriciteit naar batterij wagen 70

79 Figuur 67 - Oplaadmodus Draadloos/Inductief Hierbij is er een draadloos contact tussen de wagen en de oplaadinfrastructuur, waardoor er meer gebruiksgemak is en minder vandalisme kan optreden. Maar deze manier heeft ook een rendementsverlies van ± 8% tot gevolg. Hierbij wordt gebruik gemaakt van spoelen die in het wegdek zitten. Deze zetten elektrische energie om in een elektromagnetisch veld. Deze techniek zou ook mogelijk zijn wanneer de auto aan het rijden zijn Batterij wisselen Figuur 68 - Principe inductief laden De snelste manier om een lege batterij in de wagen te veranderen met een volle batterij is deze wisselen met een volle batterij. De kostprijs is echter wel de grootste maar deze methode is wel de snelste, sneller nog dan brandstof tanken. Dit kan alleen toegepast worden voor elke auto als de accu s daarvan worden gestandaardiseerd. Figuur 69 - Batterij wisselen Pacotex NV Transport van elektriciteit naar batterij wagen 71

80 6.5 Analyse kostprijs grijze stroom Om te kunnen voldoen aan de vraag van R. Packo om te weten hoeveel het zou kosten om te rijden met elektriciteit moest een analyse gemaakt worden van wat de prijs voor een gemiddeld huisgezin is. Hiervoor werd Dhr. Roland zijn factuur bekeken en een prijslijst van Electrabel. Het tarief van deze prijslijst noemt Groenplus en hier wordt een vaste energieprijs gehanteerd. ELEKTRICITEIT KOST Energieverbruik: Prijs energie: 3287 kwh 0, /kwh Energie kost: 249, Vaste vergoeding: 66,18 + Groene stroom: 21,58 + WKK: 8,99 345,97 - Gratis elektriciteit: -47,46 298,51 NETWERK KOST + Distributie 296,67 + Transport 30,76 625,94 TOESLAGEN + Bijdrage 6,27 + Federale 17,95 Prijs per kwh: Tabel 7 - Kostprijs Roland 650,16 0,1978 /kwh De prijs die Roland dus betaald voor zijn elektriciteit werd vergeleken met één van de standaardtarieven van Electrabel. Hier werd het tarief Groenplus genomen, de prijslijst hiervan werd in bijlage toegevoegd. Hier kwamen we na het optellen van normaal energieverbruik uit op 0,23 /kwh. Het vastleggen van een specifieke prijs voor grijze stroom is erg moeilijk door de verschillende tarieven die gehanteerd kunnen worden. Daarom legden we de gemiddelde prijs vast op 0,21 /kwh. Opvallend is dat de energie zelf niet de grootste kost is. De som van vergoedingen, netwerk kost en toeslagen neemt meer dan de helft van de kostprijs in van de elektriciteit. Het stijgen van deze prijs is moeilijk te bepalen zoals besproken in hoofdstuk 5.6. Pacotex NV Transport van elektriciteit naar batterij wagen 72

81 Hoofdstuk 7 Energiedragers Er zijn tal van energiedragers die nu gebruikt worden om ons te transporteren. Ook is er een verschil in effectiviteit tussen de verschillende brandstoffen. Je kan een onderscheid maken tussen fossiele en groene brandstoffen en tussen conventionele en innovatieve brandstoffen. In tabel 7 worden de verschillende energiedragers weergegeven. Tabel 8 - onderverdeling energiedragers De meest gebruikte brandstoffen in onze wagen zijn fossiele brandstof, maar deze brengt tal van uitstoot met zich mee en wordt niet optimaal benut. Daarom wordt er gezocht naar alternatieven zoals waterstof en elektrische tractie. Ook worden biobrandstoffen grondig geproduceerd en onderzocht. 7.1 Fossiele brandstof Grotendeels zijn we voor ons transport afhankelijk van fossiele brandstoffen. Voornamelijk diesel en benzine dan. Het gebruik hiervan veroorzaakt enkele problemen: luchtverontreiniging door NOx en uitstoot van CO 2. Ook zijn deze voorraden van deze brandstoffen niet onuitputtelijk.. Ook de prijs voor deze brandstoffen is zeer fel gestegen de laatste jaren. Dit komt doordat aardolie meestal uit politiek instabiele gebieden komt en de bevoorrading dan niet altijd gegarandeerd is. Door de prijs stijging en schaarste zijn we genoodzaakt te zoeken naar alternatieven. Onze huidige infrastructuur is haast volledig afgesteld op het gebruik van fossiele brandstoffen. Wanneer gekeken wordt naar de kosten dat nieuwe brandstof infrastructuur met zich meebrengt zijn fossiele brandstoffen relatief goedkoop. Hieronder vallen benzine, diesel, LPG en aardgas 7.2 Groene energiedragers Deze term wordt gebruikt voor energiedragers die geen lokale CO 2 uitstoot veroorzaken en niet uit fossiele brandstoffen komen. Dit zijn biobrandstoffen zoals ethanol en biodiesel, maar ook elektrisch vervoer en waterstof met brandstofceltoepassingen. Andere benamingen zijn duurzame energie Pacotex NV Energiedragers 73

82 7.2.1 Biobrandstoffen Biobrandstoffen zijn dus alle brandstoffen die een biologische oorsprong hebben. Ze worden verkregen door het omzetten van plantaardig materiaal. Het zijn groene brandstoffen doordat ze bij het groeien CO 2 hebben onttrokken aan de atmosfeer. Zo is er in principe een daling van CO 2. Voorbeelden van deze energiedragers zijn bio-ethanol voor benzinewagens en biodiesel voor dieselwagens Elektrische energiedragers. Elektriciteit kan ook gebruikt worden om een auto aan te drijven. Dit kan dan door gebruikt te maken van accu pakketen. Bij FEV s (Full Electric Vehicle) is dit ook het grootste knelpunt voor het beperken van het rijbereik. Hier gaan we dieper in op de soorten accu s en de eigenschappen ervan. Bij het kiezen van een accu voor de wagen moet rekening gehouden worden met verschillende punten: De maximale energieopslag: De energiedichtheid is een maat voor hoeveel elektrische energie een batterij per gewicht- of volume-eenheid kan leveren. Bij het in gebruik nemen van FEV is dit erg belangrijk, doordat hiermee het extra volume/gewicht bepaald wordt. De accu grootte: Deze wordt mee bepaald door de energiedichtheid. Gewicht van de accu: Wordt ook meebepaald door de energiedichtheid. Vermogen geleverd door accu: De vermogensdichtheid geeft aan hoeveel het vermogen per gewicht- of volume-eenheid is. Dit is noodzakelijk aangezien het vermogen bepalend is voor hoe een auto kan accelereren. Levensduur van de accu: Batterijen verliezen na verloop van tijd een deel van hun capaciteit, dit gebeurd door chemische reacties die leiden tot afname van de ladingsdragers in de batterij. Prijs: De kosten van een batterij hangen sterk af van de hoeveelheid energie en vermogen. Hoe meer kilometers er gereden willen worden, hoe meer energie er geleverd moet worden. Dus grotere batterij of betere energiedichtheid leidt tot hogere prijs. Hoger vermogen eist een krachtigere batterij wat de kostprijs ook weer omhoog duwt. Deze energiedrager kan de FEV het helemaal laten maken wanneer er nieuwe ontwikkelingen komen, maar het kan bij het uitblijven ervan ervoor zorgen dat de FEV terug vergeten wordt. Lood-zuur (Pb-PbO2): Is de meest bekende batterij. Deze batterijen zijn erg goedkoop en worden gebruikt als start batterij om de auto aan te drijven. Ook is deze erg zwaar vanwege zijn lage energiedichtheid. Hierdoor heeft deze nooit een doorbraak gehad bij het gebruik van FEV s. Nikkel cadmium (Ni-Cd): Dit zijn droge batterijen. Deze hebben een hogere energie- en vermogensdichtheid dan loodzuur batterijen. Dit terwijl de prijs ervan nog goed meevalt. Nadelen hier zijn dat ze Pacotex NV Energiedragers 74

83 gebruik maken van cadmium wat zeer giftig is en er afname van capaciteit ontstaat bij het verouderen en opladen of ontladen. Deze batterij kan ook helemaal gerecycleerd worden. Nikkel-metaalhybride (Ni-MH): Dit soort hebben in vergelijking met lood-zuur een dubbel zo hoge energie-dichtheid. Hierdoor zijn ze beter voor het gebruik in elektrische wagens. Deze batterijen kunnen echter wel minder goed tegen grote temperatuurschommelingen, waardoor de levensduur inkort. Ze kunnen wel veelvuldig opgeladen en ontladen worden. Lithium-ion (Li-ion): Deze worden nu het meest gebruikt bij elektrische wagens. Ze hebben een veel hogere energie- en vermogensdichtheid dan de vorige en hebben weinig last van zelfontlading en bieden een langere levensduur. Ze moet wel beveiligd worden tegen te diepe ontlading, want hierdoor kunnen ze ernstige schade oplopen. Ze worden ook al veelvuldig gebruikt in gsm s, laptops en andere elektronische apparaten. Lithium-ijzer-fosfaat (LiFePo4) en Lithium Polymeer (LiCoO 2 ): Lithium-ijzer-fosfaat zijn ontwikkeld voor het kunnen leveren van hoge stromen. Echter is de prijs zeer hoog en zal deze daardoor minder toegepast worden. Polymeer heeft een hogere energiedichtheid maar ijzerfosfaat kan meer cycli worden opgeladen. Het is afwegen welke batterij het interessants is. Deze familie van Li-ion batterijen is nog steeds sterk in ontwikkeling en domineert de batterijtechnologie op dit moment. Ze kunnen onderling sterk verschillen van eigenschappen. Nadeel Slecht recycleerbaar Hoge kosten Gevaarlijk H2 gas in cellen Hogere kost Hoge prijs Kortere levensduur Tabel 9 - Overzicht energiedichtheid batterijen Nu wordt vooral geopteerd voor lithium-ion, dit omdat de energie dichtheid hier hoog is. Ook de prijs is goed als wordt gekeken naar de levenscyclus. Verdere ontwikkelingen in de batterijtechnologie kunnen ervoor zorgen dat FEV s een veel groter markt deel in gaan nemen. Op gebied van broeikasgassen is vooral lokaal winst te behalen. Wanneer gekeken wordt naar de complete keten, well-to-wheel is dit een stuk minder positief. Hierover wordt dieper ingegaan in hoofdstuk 9: CO 2. Een groot voordeel van deze energiedragers is dat ze na hun gebruik kunnen worden gerecycleerd en hergebruikt worden Waterstof (H 2 ) Lood-zuur Nikkel-cadmium Nikkel-metaalhybride Lithium-ion Lithium-ijzer-fosfaat Lithium-ion polymeer (Pb-PbO2) (Ni-Cd) (Ni-MH) (Li-ion) (LiFePo4) (LiCoO2) Temperatuurbereik [ C] 0 tot 45 0 tot tot tot 60 0 tot tot 60 Energiedichtheid [Wh/kg] 20 tot tot tot tot tot tot 200 Energiedichtheid [Wh/l] 60 tot tot tot tot Vermogendichtheid [W/kg] 75 tot tot tot tot Levensduur [Cycli] Prijs/wh [ ] (Gemiddeld) 0,10 tot 0,30 0,50 tot 1,50 1 tot 3 0,9 1 0,3 prijs voor 20Kwh batterij [ ] Celspanning [V] 2,1 1,35 1,35 3,6 3,3 3,7 Voordeel Lage kost Lange levenscyclus hogere energiedichtheid lange levenscyclus Hoge stromen Hogere energiedichtheid Waterstof is net als elektriciteit een universele energiedrager. Zo kan energie in de vorm van waterstof opgeslagen worden en vervolgens gebruikt voor allerlei verschillende toepassingen. Het feit dat hieraan de laatste jaren zoveel aandacht wordt gegeven, is Pacotex NV Energiedragers 75

84 doordat deze energiedrager geen uitstoot kent. Waterstof kan in de automobielsector op twee manieren gebruikt worden namelijk in verbrandingsmotor of door middel van brandstofcel. Bij het gebruik van waterstof komt als restproduct enkel water vrij en geen broeikasgassen. Onze huidige infrastructuur is voornamelijk afgestemd op fossiele brandstoffen. Door te investeren zou dit kunnen veranderen in een waterstofeconomie. Figuur 70 - Opwekking en gebruik waterstof 7.3 Wat kost het nu met de verschillende energiedragers? Een veel gestelde vraag is hoeveel het kost per kilometer met een elektrische wagen. Om deze vraag van Roland Packo te kunnen beantwoorden werd de vergelijking gemaakt tussen benzine, diesel, lpg en elektrisch (grijs en groen). Waterstof en aardgas wordt niet bekeken aangezien hier nog geen uitgebreide tankinstallaties voor bestaan en dit geen optie was voor dit project. Ook de officiële prijs per liter is nergens te vinden. Biobrandstoffen kunnen ook niet zuiver getankt worden, het is altijd een mengeling, dus deze optie ontbreekt ook. Het rijden met elektriciteit kan in ons geval verdeeld worden in twee groepen dit omdat er is geïnvesteerd in alternatieve energie. Enerzijds kunnen we met grijze stroom gaan opladen dit is een mengeling van alle fossiele elektriciteit producties en hernieuwbare energiebronnen. Het doel was om het volledig verbruik van Roland Packo te gaan compenseren op jaar basis door middel van onze PV-installatie. Per jaar zou Dhr. Packo gemiddeld een afstand van km afleggen met de wagen zoals besproken in hoofdstuk twee. Er wordt ook de vergelijking gemaakt met 5000 km, 10000km, 15000km en Dit omdat hierdoor de kost per km sterk kan veranderen. Ook werd op aanvraag een tabel gemaakt hoeveel zou moeten betaald worden om bij andere mensen om te laden in een bepaalde tijdspanne. Eerst wordt de vergelijking gemaakt van wat het energieverbruik kost per verschillende brandstof. Dan wordt de TCO (Total Cost of Ownership) berekend. Pacotex NV Energiedragers 76

85 7.3.1 Vergelijking kost brandstofverbruik De brandstofkosten werden berekend in stappen van 5000km. Dit omdat het een totaal ander beeld kan geven op de TCO. De brandstofkosten lopen sterk op wanneer er meer kilometers gereden worden. Het voordeel van elektrisch rijden wordt in volgende tabellen zichtbaar. Hier wordt zichtbaar dat de kostprijs van de brandstof doormiddel van een PVinstallatie sterk beperkt word. Vergelijking brandstofkost over 5000 km Brandstof Benzine Diesel LPG Grijze stroom Groene stroom Type VW polo bluemotion TSI 1,2L 77 KW Peugeot 3008 Crossover 82 KW / Nissan LEAF 80 KW Nissan LEAF 80KW Aanschafprijs [ ] 19625, Brandstofprijs [ /L] of [ /Kwh] 1,733 1,503 0,657 0,21 0,04 Verbruik [L/100km] 5,3 7 10,2 0 0 Verbruik [kwh/100km] ,065 21,065 Brandstof kost 5000km in 459,25 526,05 335,07 221,18 42,13 Tabel 10 - Kostprijs brandstof 5000km Vergelijking brandstofkost over km Brandstof Benzine Diesel LPG Grijze stroom Groene stroom Type VW polo bluemotion TSI 1,2L 77 KW Peugeot 3008 Crossover 82 KW / Nissan LEAF 80 KW Nissan LEAF 80KW Aanschafprijs [ ] 19625, Brandstofprijs [ /L] of [ /Kwh] 1,733 1,503 0,657 0,21 0,04 Verbruik [L/100km] 5,3 7 10,2 0 0 Verbruik [kwh/100km] ,065 21,065 Brandstof kost 10000km in 918, ,10 670,14 442,37 84,26 Tabel 11 - Kostprijs brandstof 10000km Vergelijking brandstofkost over km Brandstof Benzine Diesel LPG Grijze stroom Groene stroom Type VW polo bluemotion TSI 1,2L 77 KW Peugeot 3008 Crossover 82 KW / Nissan LEAF 80 KW Nissan LEAF 80KW Aanschafprijs [ ] 19625, Brandstofprijs [ /L] of [ /Kwh] 1,733 1,503 0,657 0,21 0,04 Verbruik [L/100km] 5,3 7 10,2 0 0 Verbruik [kwh/100km] ,065 21,065 Brandstof kost 15000km in 1.377, , ,21 663,55 126,39 Tabel 12 - Kostprijs brandstof Vergelijking brandstofkost over km Brandstof Benzine Diesel LPG Grijze stroom Groene stroom Type VW polo bluemotion TSI 1,2L 77 KW Peugeot 3008 Crossover 82 KW / Nissan LEAF 80 KW Nissan LEAF 80KW Aanschafprijs [ ] 19625, Brandstofprijs [ /L] of [ /Kwh] 1,733 1,503 0,657 0,21 0,04 Verbruik [L/100km] 5,3 7 10,2 0 0 Verbruik [kwh/100km] ,065 21,065 Brandstof kost 20800km in 1.910, , ,89 920,12 175,26 Tabel 13 - Kostprijs brandstof Het gebruik maken van elektriciteit om ons te verplaatsen kan een grote besparing op de brandstofkosten betekenen. Zelfs door gebruik te maken van grijze stroom kan het al een serieuze besparing opleveren. Wanneer enkel geladen wordt met de PV-installatie zal de kostprijs hiervan ongeveer 175,26 euro bedragen. Pacotex NV Energiedragers 77

86 In volgende tabel is berekend hoeveel het kost per halfuur met een gemiddelde stroomprijs van 0,21 /kwh. Het laden met de standaard lader duurt acht uur een half. Tijd kwh Kostprijs 0:30 1,41 0,30 1:00 2,82 0,59 1:30 4,24 0,89 2:00 5,65 1,19 2:30 7,06 1,48 3:00 8,47 1,78 3:30 9,88 2,08 4:00 11,29 2,37 4:30 12,71 2,67 5:00 14,12 2,96 5:30 15,53 3,26 6:00 16,94 3,56 6:30 18,35 3,85 7:00 19,76 4,15 7:30 21,18 4,45 8:00 22,59 4,74 8: ,04 Tabel 14 - Kostprijs laden met standaard lader bij 0,21 /kwh Dit opladen zal natuurlijk maar in uitzonderlijke gevallen gebeuren aangezien hier dan een meerprijs betaald wordt t.o.v. opladen op het terrein van Packo. Hierna wordt de Total Cost of Ownership of kortweg TCO berekend. Hiermee worden de kosten van de aankoop, onderhoud en andere zaken in rekening gebracht. Dus de kosten die verbonden zijn aan het bezit en gebruik van een voertuig. Dit is ook sterk afhankelijk van het aantal kilometers dat er op een jaar gereden is. Hiervoor werden dus vier vergelijkende tabellen opgesteld per 5000 km. Dit om te zien wanneer een elektrisch voertuig dus echt rendabel is. Er zijn natuurlijk enkele vaste kosten zoals de afschrijving, rente, voertuigenbelasting en verzekeringspremie. Maar ook moet er rekening gehouden worden met de variabele kosten zoals reparatie en onderhoud, waardevermindering en brandstofkosten. Dit is een belangrijk gegeven wanneer wil geconcurreerd worden met andere voertuigen die op fossiele brandstof rijden km Benzine Diesel LPG Grijze stroom Groene stroom Kostensoorten VW polo bluemotion TSI 1,2L 77 KW Peugeot 3008 Crossover 82KW 80 kw Nissan LEAF 80 KW Nissan LEAF 80KW Aanschafwaarde , , , , ,00 Jaarkilometrage Gebruiksduur in jaren Restwaarde (30%) 5.887, , , , ,00 Brandstofverbruik 5,3 7 10,2 21,065 21,065 Brandstofprijs 1,73 1,50 0,66 0,21 0,04 Reparatie & onderhoud (gedurende gebruiksduur) 2.500, , , , ,00 Verkeerssbelasting (Per jaar) 123,00 123,00 123,00 71,28 71,28 Verzekeringspremie (Per jaar) 1.249, , , , ,84 Variabele kosten (per jaar) Brandstof 459,25 526,05 335,07 221,18 42,13 Reparatie & onderhoud 500,00 500,00 500,00 600,00 600,00 Banden 950,00 950,00 950,00 950,00 950,00 Vaste kosten Afschrijving + rente 2.928, , , , ,00 Verkeersbelasting 123,00 123,00 123,00 71,28 71,28 Verzekeringspremie 1.249, , , , ,84 Totale kosten (Per jaar) Kosten op jaarbasis 6.210, , , , ,25 Kilometerkostprijs 1,24 1,33 1,34 1,74 1,70 Tabel 15 - Kosten vergelijking 5000km Pacotex NV Energiedragers 78

87 Voor 10000km: Variabele kosten (per jaar) Brandstof 918, ,10 670,14 442,37 84,26 Reparatie & onderhoud 500,00 500,00 500,00 600,00 600,00 Banden 950,00 950,00 950,00 950,00 950,00 Vaste kosten Afschrijving + rente 2.928, , , , ,00 Verkeersbelasting 123,00 123,00 123,00 71,28 71,28 Verzekeringspremie 1.249, , , , ,84 Totale kosten (Per jaar) Kosten op jaarbasis 6.669, , , , ,38 Kilometerkostprijs 0,67 0,72 0,70 0,89 0,85 Tabel 16 - Kosten vergelijking 10000km Voor 15000km: Variabele kosten (per jaar) Brandstof 1.377, , ,21 663,55 126,39 Reparatie & onderhoud 500,00 500,00 500,00 600,00 600,00 Banden 950,00 950,00 950,00 950,00 950,00 Vaste kosten Afschrijving + rente 2.928, , , , ,00 Verkeersbelasting 123,00 123,00 123,00 71,28 71,28 Verzekeringspremie 1.249, , , , ,84 Totale kosten (Per jaar) Kosten op jaarbasis 7.128, , , , ,51 Kilometerkostprijs 0,48 0,52 0,49 0,61 0,57 Tabel 17 - Kosten vergelijking 15000km Voor 20800km: Variabele kosten (per jaar) Brandstof 1.910, , ,89 920,12 175,26 Reparatie & onderhoud 500,00 500,00 500,00 600,00 600,00 Banden 950,00 950,00 950,00 950,00 950,00 Vaste kosten Afschrijving + rente 2.928, , , , ,00 Verkeersbelasting 123,00 123,00 123,00 71,28 71,28 Verzekeringspremie 1.249, , , , ,84 Totale kosten (Per jaar) Kosten op jaarbasis 7.661, , , , ,38 Kilometerkostprijs 0,37 0,40 0,37 0,45 0,41 Tabel 18 - Vergelijking kost 20800km Rond 5000km en 10000km is elektrisch rijden financieel niet interessant. Dit door de hoge kostprijs van de auto. Vanaf 15000km begint de brandstofprijs meer door te wegen en vanaf 20800km kan elektrisch rijden beginnen concurreren met de andere brandstoffen. Zo is op te merken dat door gebruik te maken van groenestroom, de prijs zelfs goedkoper is dan van een vergelijkbare diesel wagen. Bij is de prijs hetzelfde. Voor 30000km: Variabele kosten (per jaar) Brandstof 2.755, , , ,10 252,78 Reparatie & onderhoud 500,00 500,00 500,00 600,00 600,00 Banden 950,00 950,00 950,00 950,00 950,00 Vaste kosten Afschrijving + rente 2.928, , , , ,00 Verkeersbelasting 123,00 123,00 123,00 71,28 71,28 Verzekeringspremie 1.249, , , , ,84 Totale kosten (Per jaar) Kosten op jaarbasis 8.506, , , , ,90 Kilometerkostprijs 0,28 0,31 0,28 0,33 0,29 Tabel 19 - Vergelijking kost 30000km Pacotex NV Energiedragers 79

88 Hoofdstuk 8 Elektrisch aangedreven wagens 8.1 Inleiding: Er worden wagens ontwikkeld die volledig elektrisch werken, maar ook andere die een combinatie van elektriciteit en fossielenbrandstof zijn. Elektrisch rijden zal beter zijn voor het milieu. Dit omdat elektrische wagens hun brandstof (elektriciteit) veel efficiënter gebruiken. De elektrische motor heeft een rendement tot 95%, terwijl een traditionele verbrandingsmotor maar een rendement heeft van ongeveer 30%. De brandstofkosten per gereden kilometer zijn dus lager. Het rijden met elektrisch wagens is bovendien erg geruisloos wat dan weer een oplossing is voor geluidsoverlast aan drukke wegen. Figuur 71 - Dissipatief systeem Het rijden met elektrisch aangedreven auto s krijgt steeds meer aandacht, maar er zijn ook enkele minpuntenen aan verbonden. Zo is het rijbereik nog beperkt in vergelijking met een fossielenbrandstof wagen. Een bijkomend minpunt van het elektrisch rijden zijn de lange laadtijd en het gebrek aan laadinfrastructuur, maar naar deze minpunten wordt uitgebreid onderzoek gedaan om ze weg te werken. 8.2 Milieuvriendelijke wagens Een eerste stap in groene mobiliteit die we bespreken is de hybride wagen. Dit zijn dus combinaties van een brandstofmotor en een elektromotor. Door deze combinatie is de werking van deze wagen veel zuiniger dan die van een brandstof motor. Een hybride aandrijflijn is dus opgebouwd uit meerdere aandrijftechnieken. In principe kan dit van alles zijn, maar in het algemeen wordt van hybride gesproken wanneer er een elektro- en verbrandingsmotor is Parallelhybride aandrijving Bij dit systeem worden de wielen door de brandstofmotor en door de elektromotor aangedreven (zie figuur 3A). Tijdens het rijden worden de batterijen ook weer opgeladen. De omstandigheden bepalen eigenlijk welke combinatie er wordt gebruikt. Er kan bijvoorbeeld alleen op de brandstofmotor worden gereden. Dit is het efficiëntste als het voertuig met een constante snelheid rijdt. Bij het accelereren gaat de elektromotor een gedeelte van de opgespaarde energie gebruiken om de brandstofmotor te ondersteunen. Hierdoor kan er een kleinere brandstofmotor worden gebruikt om dezelfde prestatie te leveren. Pacotex NV Elektrisch aangedreven wagens 80

89 8.2.2 Seriehybride aandrijving Bij dit systeem werken de verbrandingsmotor en elektromotor evenveel (zie figuur 3B). De brandstofmotor wekt energie op waarmee hij een generator zal gaan aandrijven. Deze generator geeft zijn energie aan de elektromotor of de overtollige energie gaat naar de batterijen. De elektromotor gaat op zijn beurt de wielen gaan aandrijven. Hier is de verbrandingsmotor dus niet mechanisch verbonden met de wielen Gecombineerde hybride aandrijving Het is ook mogelijk de twee bovenstaande systemen te gaan combineren (zie figuur 3C). Hierbij maak je dus zowel gebruik van een in serie geschakelde hybride motor als van een parallel geschakelde motor. Er zijn dus twee elektromotoren. De elektromotor die in serie is geschakeld zal altijd werken als de auto rijdt. Dit gaat samen met een brandstofmotor zoals bij een seriehybride aandrijving, beide motoren werken evenveel. Daarnaast heb je ook nog een elektromotor die parallel is geschakeld. Deze zal enkel gebruikt worden wanneer er extra vermogen nodig is of als de wagen accelereert en als deze niet gebruikt wordt, laadt hij op Microhybride Figuur 72 Hybride systemen Dit is eigenlijk geen echte hybride. Hierbij worden verschillende brandstofbesparende technologieën gebruikt. Dit kunnen bijvoorbeeld een start/stop systeem zijn. Het start/stop systeem zorgt ervoor dat de motor automatisch afslaat zodra de auto stilstaat en weer opstart wanneer het gaspedaal ingeduwd wordt. Deze wagen beschikt niet over een elektromotor. Dit systeem levert doorgaans een brandstofbesparing op van maximum 10% Mild hybride Een mild hybride kan niet alleen op elektriciteit gaan rijden. De elektromotor, die gemonteerd is tussen de verbrandingsmotor en versnellingsbak, gaat de verbrandingsmotor assisteren bij het wegrijden, accelereren en rijden op hoge snelheid. Wanneer de wagen stopt zal de verbrandingsmotor uitgeschakeld worden. Ze wordt terug ingeschakeld bij het accelereren. Wanneer de wagen met een constante snelheid rijdt, wordt de elektromotor uitgeschakeld. Dit systeem valt onder de eerder vernoemde parallelhybride aandrijving. Pacotex NV Elektrisch aangedreven wagens 81

90 Figuur 73 Mild hybride overzicht Deze kan ook uitgevoerd worden als plug-in hybride EV. Als de batterij leeg is, wordt er overgeschakeld op een verbrandingsmotor. Figuur 74 Plug-in hybride EV Plug-in hybride met auto range extender Dit systeem valt onder het seriehybride systeem. Een kleine benzinemotor die niet in verbinding staat met het aandrijfsysteem van de wagen zal energie opwekken. Deze benzinemotor zal de accu s opladen en die leveren dan de elektriciteit aan de elektromotor. Hierdoor wordt de autonomie een aanzienlijk stuk groter. De accu s kunnen ook afzonderlijk worden opgeladen via het stopcontact. Dit is dus eigenlijk een volledig elektrisch voertuig, maar met een generator die de batterij kan voeden indien nodig. Pacotex NV Elektrisch aangedreven wagens 82

91 8.2.7 Elektrische wagen (FEV) Figuur 75 Hybride met auto range extender De elektrische auto heeft enkel een elektromotor en een batterijpakket. Ook hier worden de accu s terug opgeladen tijdens het remmen. De ontwikkeling van deze wagens gaat op dit ogenblik redelijk snel. Het meeste onderzoek gaat naar de ontwikkelingen van het batterijpakket. Figuur 76 Elektrische auto Pacotex NV Elektrisch aangedreven wagens 83

92 Overzicht soorten: Tabel 20 - Soorten hybride Grafiek 21 Overzicht technieken in hybride Niet iedere hybride wagen is dus hetzelfde. Er bestaan dus diverse systemen. De werking van het regenererend remmen is als volgt: Figuur 77 Regeneratie remmen Pacotex NV Elektrisch aangedreven wagens 84

93 8.3 De elektrische wagen/fev De elektrische wagen heeft veel troeven in huis om uit te groeien tot een succes. De meeste mensen zouden perfect een elektrische wagen kunnen gebruiken voor de alledaagse ritten, woon werk verkeer dus. De afstand die een mens aflegt op een dag is ongeveer 70km. Deze ritten zouden dus perfect gaan met een elektrische wagen, maar voor onregelmatige verplaatsingen zoals op reis gaan is dit echter (nog) niet mogelijk. Deze wagens kunnen in de toekomst ook gebruikt worden voor energie opslag, dit omdat veel groene energie geproduceerd wordt op momenten dat er een overschot is aan energie. Anderzijds kunnen de wagens dan gebruikt worden als buffer wanneer er een tekort aan energie is. De meeste elektrische wagens hebben nu een gemiddeld bereik van 80 tot 150km. Het grootste obstakel voor het doorbreken van de FEV is de dure batterij. Deze meerkost kan beperkt worden door het huren van een batterij de kostprijs voor rijden met een FEV wordt in hoofdstuk zeven besproken Het bereik Het rijbereik van elektrische wagens is afhankelijk van diverse factoren. Zo is dit naast de capaciteit van de accu afhankelijk van een viertal factoren; de buitentemperatuur het gewicht van het voertuig, lading inbegrepen type rit (snelweg stad) het rijgedrag Wanneer de buitentemperatuur te laag of te hoog is, heeft dit negatieve gevolgen voor de batterij. Zo zal de opslagcapaciteit afnemen, wat uiteindelijk een invloed heeft op het bereik. Hiervoor worden de batterijen extra geïsoleerd, zodat de gevolgen beperkt blijven. Anderzijds neemt het verbruik van de auto ook toe bij vriestemperatuur, omdat dan de verwarming aangezet wordt. In de zomer kan het bereik dan weer afnemen wanneer de airco gebruikt wordt. De lading die de wagen moet vervoeren heeft ook een invloed op het rijbereik van de wagen. Meer gewicht zorgt ervoor dat het energieverbruik stijgt en weinig gewicht zorgt er voor dat je rijbereik groter wordt. Een andere factor die invloed heeft, is het soort rit die gemaakt wordt. Zo is een rit in de stad gunstiger voor het bereik dan een rit op de snelweg, waarbij het verbruik door de luchtweerstand weer groter is. Ook het rijgedrag heeft een grote invloed op het rijbereik. Zo leidt stabiel (normaal) rijgedrag tot een groter rijbereik. Dit omdat zo het regenererend remsysteem het best benut kan worden door te remmen in plaats van abrupt te remmen. Hierdoor neemt het bereik weer toe. Mensen die een elektrische wagen overwegen of aankopen, worden zich meer bewust van hoe ze het rijbereik kunnen verlengen door het aanpassen van hun rijgedrag. Voor veel mensen is het rijbereik van een FEV ruim voldoende voor het alledaags woon- en werk verkeer. Pacotex NV Elektrisch aangedreven wagens 85

94 Het bereik van de auto is dus afhankelijk van verschillende factoren. Op de figuur hieronder geeft een goede weergave van hoe het bereik beïnvloed wordt in functie van verschillende factoren Marktaandeel EV Figuur 78 Invloed verschillende factoren Precieze voorspellingen omtrent de groei van het marktaandeel van elektrische voertuigen verschillen sterk van onderzoek tot onderzoek. Op één punt komen ze wel overeen en dat is dat er een gestage groei verwacht wordt van EV rijden. Grafiek 22 - Evolutie van energie- en aandrijftechnologieën voor personentransport tot 2050 Rond 2023 wordt verwacht dat er circa 10% van de nieuw verkochte wagens puur elektrisch zullen zijn. Tegen 2050 wordt verwacht dat dit toeneemt tot 55%. Er wordt verwacht dat rond de grote steden het aandeel elektrische auto s het hoogst zal zijn. De werkelijke groei van dit aandeel zal vooral bepaald worden door de ontwikkeling van de olieprijzen, de kostprijs en de capaciteit van de accu s en het stimuleringsbeleid van de overheid. De olieprijs zal op lange termijn alsmaar stijgen. Dit zal naar de toekomst toe het elektrisch vervoer aantrekkelijker maken. De kosten van de accu s zullen waarschijnlijk dalen en de capaciteit zal toenemen vanwege het vergroten van de productie en de toepassing van nieuwe technologieën. Het stimuleringsbeleid van de regering is vooral nu, in de beginfase van de marktontwikkeling van invloed. Dit stimuleringsbeleid kan zich gaan richten op de vraag door consumenten of bedrijven, denk daarbij aan fiscale voordelen, gratis parkeren of subsidies voor oplaadinfrastructuur. Het kan ook gericht zijn op het aanbod van producerende bedrijven, denk aan eisen aan autofabrikanten voor maximale CO 2 -uitstoot of beperkingen ten aanzien van geluid en uitstoot voor stadsdistributie. Pacotex NV Elektrisch aangedreven wagens 86

95 8.3.3 Welk elektrisch voertuig? Doordat elektrisch vervoer nog niet voor iedereen geschikt is, moet de consument zich bij de aankoop van een elektrisch voertuig enkele vragen stellen of ze wel in aanmerking komen voor zo een wagen. Een eerste vraag is of dat een elektrisch voertuig voldoet aan de nodige transportbehoefte. Voor gemiddeld woon-werkverkeer, tussen de 20 en 40 km, is het bereik van de huidige elektrische auto s ruim voldoende. Een tweede vraag is of er wel genoeg laadmogelijkheden zijn en zo ja, waar die te vinden zijn. Veel hangt natuurlijk af van de mogelijkheid om op eigen terrein een laadinfrastructuur te laten installeren. Wanneer bij vorige vragen blijkt dat het haalbaar is, moet gekeken worden of dat de kosten niet hoger uitvallen dan die van een vergelijkbare benzine- of dieselvoertuig. Over wat de kosten zijn van een elektrische wagen wordt in hoofdstuk zeven besproken. Op volgend schema kan bekeken worden welk soort elektrische wagen geschikt is. Schema 3 Schema keuze elektrisch voertuig Of het praktisch haalbaar is om te rijden met een EV hangt af van de inzet van het voertuig. Ook de mogelijkheid voor plaatsen van laadinfrastructuur op eigen of publieke ruimte bepaalt of een EV haalbaar is Fiscaliteit elektrische voertuigen Ondanks de vele recente hervormingen die doorgevoerd zijn in het belastingsstelsel voor bedrijfswagens en de belasting op inverkeerstelling, blijven elektrische wagens zeer interessant vanwege de lage tarieven en hoge aftrekbaarheid. Bedrijven: Ondernemers die onderworpen zijn aan de vennootschapsbelasting, blijft de elektrische wagen nog steeds interessant aangezien die ook in % fiscaal aftrekbaar is. Indien het voertuig ter beschikking wordt gesteld van een werknemer en indien deze de bedrijfswagen ook mag gebruiken voor privéverplaatsingen, is er een solidariteitsbijdrage (of co 2 -bijdrage) verschuldigd. Voor elektrische wagens geldt de minimumbijdrage van 24,25/maand. Hier heb je dus een duidelijk voordeel voor elektrische wagens. Pacotex NV Elektrisch aangedreven wagens 87

96 Voor werknemers: Werknemers betalen op een bedrijfswagen belasting voor voordeel van alle aard. Het voordeel wordt berekend op basis van co 2 -uitstoot,catalogusprijs en leeftijd van het voertuig. Voor een elektrische wagen geld het laagste percentage: 4% van de catalogusprijs. Elektrische wagens met een catalogusprijs (inclusief BTW en opties) tot en met EUR genieten zo van het absolute minimum voordeel alle aard: 100/maand (voor 2012). Duurdere elektrische wagens zullen echter meer betalen. Daarmee komen ze op gelijke voet van dieselwagens met een co 2 -uitstoot tot 80 g/km en benzinewagens met een co 2 -uitstoot tot 100 g/km. Voor particulieren: Particulieren die een elektrisch voertuig aankopen, kunnen een deel terugkrijgen via de personenbelasting. Voor inkomstenjaar 2012 (aanslagjaar 2013) geldt volgende regeling: 30% belastingsaftrek voor een elektrische personenwagen, wagen voor dubbel gebruik of minibus, met een maximum van EUR. 15% belastingsaftrek voor een elektrische vierwieler (die niet onder voorgaande categoriën valt, bv. een quadricycle), met een maximum van EUR. 15% belastingsaftrek voor een elektrische motorfiets, met een maximum van EUR Toekomst FEV De toekomst van volledig elektrische voertuigen is nog niet zeker, maar toch is het interessant om hier al wat dieper op in te gaan. De energiemarkt zal in de toekomst nog erg veranderen dit door de toenemende productie van duurzame energie en meer opwekken van energie op lokaal vlak. Het productievolume van energiebronnen zoals wind en zon is moeilijk te bepalen op voorhand. Bij traditionele kolen-, gas- of kerncentrales kan dit wel bepaald worden op voorhand. Het grote probleem bij productie van elektriciteit is dat deze niet grootschalig kan worden opgeslagen, zo zal de afstemming tussen vraag en aanbod op het elektriciteitsnet sneller moeten gaan verlopen. Dit valt dan onder de naam smart grid of slimme netten dit wordt uitvoerig besproken in het hoofdstuk over oplaadinfrastructuur. De elektrische auto kan in het smart grid van de toekomst een grote rol gaan spelen als energie. Wanneer er bijvoorbeeld veel wind is en de zon schijnt zal de productie bij deze energiebronnen gaan stijgen zo kan de productie hoger zijn dan de vraag. Deze stroom kan dan worden opgeslagen in de accu van de auto die gekoppeld is met het net. Wanneer er dan onvoldoende wind en zon is, waardoor er meer vraag dan aanbod is, kan de elektrische auto zijn stroom gaan terug leveren aan het elektrisch net. Hierbij is het dan wel belangrijk te weten welke prioriteiten de gebruikers hebben. Dit wanneer de voorkeur gegeven wordt aan een auto die na het parkeren nog ver moet rijden en dus hogere prijs betaalt om snel te gaan laden. Daarentegen kan een auto ook de hele nacht blijven staan en pas gaan opladen wanneer de stroom het minst kost. Wanneer er niet genoeg geïnvesteerd en promotie gevoerd wordt rond FEV s en dus de FEV niet doorbreekt zijn is er nog een andere vorm van elektrisch rijden. Dit slaat dan op de waterstoftechnologie. 8.4 Werking FEV Een elektrisch voertuig wordt aangedreven door middel van een elektromotor. Deze haalt zijn energie/elektriciteit uit het accupakket. Door het gebruik van een elektromotor is bij de meeste elektrische voertuigen geen versnellingsbak aanwezig. Wanneer je hard moet remmen wordt de remenergie die normaal verloren gaat deel gerecupereerd. Ook heeft men de mogelijkheid de motoren in de wielen zelf te gaan verwerken. Een elektrische wagen kan vanuit stilstand direct zijn maximaal koppel behalen waardoor je een groot Pacotex NV Elektrisch aangedreven wagens 88

97 acceleratievermogen verkrijgt. Een ander voordeel tegenover conventionele motoren is dat wanneer de wagen stil, staat de motor ook niet draait en dus dat er geen energie verbruikt wordt Onderdelen FEV Bij een fossiele brandstofwagen bestaat de cyclus uit verschillende onderdelen. Eerst wordt de benzinetank volgetankt, deze wordt vervolgens bewaard in de benzinetank. Wanneer de wagen wordt gestart, gaat er brandstof vanuit de benzinetank naar het inspuitsysteem. Hierdoor wordt de motor voorzien van de nodige brandstof waardoor het benodigde vermogen geproduceerd wordt. De transmissie zal de overbrenging naar de wielen veranderen zodat bij een ander toerental worden naar een andere overbrenging kan gegaan worden. Hierna zal het vermogen overgebracht worden op de wielen. Dit is de cyclus die doorlopen wordt bij een verbrandingswagen. Schema 4 - Onderdelen verbrandingswagen Bij een FEV is de aandrijftrein totaal anders. De brandstof die hier elektriciteit is, wordt uit het elektriciteitsnet gehaald. De spanning hierbij is 1-fasig 230V AC. Deze gaat naar de ingebouwde lader die de spanning gaat omvormen naar 360V DC. Dit wordt opgeslagen in het batterijpakket. Vanuit de batterij gaat de nodige 360V DC naar een wisselrichter. Deze zal de 360V DC gaan omzetten naar een 3-fasig AC spanning. De motor wekt het gevraagde vermogen op, waarna het toerental van de motor wordt gereduceerd door de tandwielkast en het vermogen dan naar de wielen gaat. De ingebouwde lader wordt besproken in het hoofdstuk 6. Schema 5 - Onderdelen FEV Pacotex NV Elektrisch aangedreven wagens 89

98 8.4.2 Batterijpakket Het batterijpakket wordt opgeladen door middel van het elektrisch net, maar kan ook opgeladen worden door middel van regeneratief remmen. Hierdoor kan tot 30% van de remenergie terug gewonnen worden. Dit komt vooral tot zijn recht bij het rijden in bebouwd gebied. De eigenschappen van deze batterijen worden verder besproken in het hoofdstuk zeven. Regeneratief remmen: Het regeneratief remmen zorgt ervoor dat het batterijpakket deels terug wordt opgeladen. Deze verzamelt energie, die normaal uitstraalt als warmte, in de vorm van elektriciteit. De motor wordt dan gebruikt als dynamo. Het remmen bestaat uit regeneratief remmen en frictieremmen. Deze worden geregeld in tijd. Voor de juiste combinatie zodat het natuurlijk pedaalgevoel en effectieve energieverzameling kunnen worden gerealiseerd. Grafiek 23 - Regeneratief remmen FEV In de tijd neemt het regeneratieve remmen toe tot een bepaald punt. Wanneer het nodig (hevig remmen) is zal compleet frictie geremd worden. Bij frictieremmen ontstaat warmteenergie. Die wordt uitgestraald door de motor die dan als dynamo werkt. Er vloeit dus in omgekeerde richting een stroom van de motor naar het batterijpakket Omvormer Een andere benaming voor de omvormer is invertor. Dit is een elektronische schakeling die gelijkstroom omzet in wisselstroom. Dit onderdeel bevindt zich tussen de batterij en de elektromotor. Deze zal dus de gelijkspanning van de batterij gaan omzetten in wisselspanning. Naargelang de voedingsbron kun je deze in twee soorten onderverdelen, VSI (Voltage Source Inventor) en CSI (Current Source Invertor). CSI wordt enkel bij hele grote vermogens toegepast. Dit omdat een ideale stroombron niet bestaat en wordt daarom geïmplementeerd als spanningsbron met in serie een grote zelfinductie. Deze grote zelfinductie zorgt ervoor dat er geen snelle regeling mogelijk is. Dit is echter noodzakelijk bij PWM (Pulse Width Modulation) en hierdoor wordt dit niet toegepast. Door deze nadelen bij CSI worden VSI s toegepast. Door het gebruik van PWM is een constante gelijkspanningsbron voldoende. Door het gebruik van PWM wordt een regelbare amplitude bekomen. Halfgeleider-elementen kunnen schakelfrequenties tot enkele tientallen khz aan, hierdoor verschuiven de schakelharmonischen in de spanningen verder op in het spectrum. In de stroom is deze haast weg gefilterd door het inductieve karakter van de motor. Pacotex NV Elektrisch aangedreven wagens 90

99 Grafiek 24 PWM (Pulse Width Modulation) Dit onderdeel zal ook bepaalde signalen gaan gebruiken, afkomstig van de bestuurder, om de elektromotor juist te laten werken. Deze signalen zijn afkomstig van het gas- en rempedaal. Deze invertor kan ook omgekeerd werken, van wisselspanning naar gelijkspanning. Dit omdat de motor tijdens het remmen als generator werkt. De invertor zal deze opgewekte stroom dan naar de batterij gaan geleiden, waardoor de batterij terug opgeladen wordt. Ook heeft de invertor een beveiligende functie, zo wordt het vermogen gelimiteerd zodat deze vloeiend op de voorwielen en zo op het asfalt wordt overgebracht. Als invertor wordt een IGBT (Insulated Gate Bipolait Transistor) gebruikt. Dit omwille van de hoge schakelfrequentie die mogelijk is. Ook zijn er geen te grote verliezen en is de aanstuurbaarheid makkelijk. Wanneer de IGBT niet geactiveerd is, zal de stroom 0A zijn en de spanning ongeveer 300V. Wanneer ze ingeschakeld wordt, kan de stroom oplopen tot 500A. De spanning tussen collector en emitter zal dan ongeveer 2V zijn, wat dus een energieverlies oplevert. De omschakelfrequentie (aan/uit) wordt carrierfrequentie genoemd. Een hogere frequentie zal resulteren in een hogere warmteproductie, omdat er meer in- en uitschakelmomenten van verlies zijn. Warmteproductie: Telkens wanneer deze dus in en uitschakelt gaat er dus een vermogen van 1kW verloren. Dit verlies kan tijdens het schakelen zelfs nog een stuk hoger worden. Grafiek 25 - IGBT verlies Het IGBT verlies = stabiel verlies + omschakelverlies Het omschakelverlies = verlies inschakelen + verlies uitschakelen. Pacotex NV Elektrisch aangedreven wagens 91

100 De carrierfrequentie kan van 5KHz naar 1,25KHz worden omgeschakeld bij het starten op een steile helling. Wanneer er een laag toerental nodig is en hoog koppel zal er een grote warmteopwekking zijn. Grafiek 26 - Warmteontwikkeling IGBT Het koppel moet worden begrensd wanneer de temperatuur te hoog oploopt. Dit kan door 3 dingen gebeuren. Dit wordt in tabel 19 weergegeven. Tabel 21 - Invloed temperatuur Op volgende schema wordt de invertor van de Nissan LEAF weergegeven en het schakelschema ervan. Deze invertor bestaat uit een soft- en hardwarematig gedeelte. Schema 6 - Invertor en schakelschema driefasige volle brug VSI Pacotex NV Elektrisch aangedreven wagens 92