Verbruik Sanitair Verwarming Apparaten Opwekking Opslag Stromingen Analyse Autarkische woonboot Deutekom, Imre van Giels, Ruud van Hoope, Dave ten 11-09-2008
Autarkie Minimaliseren van het verbruik Verbruik Gemiddeld Beoogd verbruik Verwarming Apparaat Verbruik in Kwh in Kwh Sanitair Waterbed 750 n.v.t. Apparaten Verlichting 550 55 Opwekking Koelkast 500 181 Opslag Wasdroger (150 wasbeurten) 500 n.v.t. Stromingen Koken (elektrisch) 500 400 Vaatwasser 300 n.v.t. Wasmachine (150 wasbeurten) 200 200 Computer (10 uur per week) 180 200 Televisie 150 150 CV-pomp 150 150 Magnetron 100 100 Koffiezetter 80 40 Stofzuiger 50 50 Audio 30 30 Totaal Deutekom, Imre van 4040 1556 Giels, Ruud van Hoope, Dave ten 11-09-2008
Autarkie Verbruik Verwarming Sanitair Apparaten Opwekking Opslag Stromingen Deutekom, Imre van Giels, Ruud van Hoope, Dave ten 11-09-2008
Autarkie Verbruik Verwarming Sanitair Apparaten Opwekking Opslag Stromingen Deutekom, Imre van Giels, Ruud van Hoope, Dave ten 11-09-2008
Autarkie Verbruik Verwarming Sanitair Apparaten Opwekking Opslag Stromingen Deutekom, Imre van Giels, Ruud van Hoope, Dave ten 11-09-2008
Autarkie Verbruik Verwarming Sanitair Apparaten Opwekking Opslag Stromingen Deutekom, Imre van Giels, Ruud van Hoope, Dave ten 11-09-2008
Autarkie Verbruik Verwarming Sanitair Apparaten Opwekking Opslag Stromingen Deutekom, Imre van Giels, Ruud van Hoope, Dave ten 11-09-2008
Verbruik Sanitair Verwarming Apparaten Opwekking Opslag Stromingen Lood-accu Nadelen zeer zwaar lage energiedichtheid id (30-50 Wh/kg) lange laadtijd 8-16 uur Voordelen Goedkoop Weinig ontlading: 5% van vol vermogen in 30-40 dagen Weinig onderhoud: 3-6 maanden Lithium-ion-accuion Nadelen hoge temperaturen (explosiegevaar) duur beveiligingssysteem nodig Voordelen licht van gewicht hoge energiedichtheid (110-170 Wh/kg) Snelle laadtijd: 1-3 uur Geen onderhoud Deutekom, Imre van Giels, Ruud van Hoope, Dave ten 11-09-2008
Verbruik Sanitair Verwarming Apparaten Opwekking Opslag Stromingen Nikkel-metaalhydride-accu (NiMH) Nadelen snelle ontlading: 30% van vol vermogen in 30-40 dagen lange laadtijd: 2-3 uur onderhoudt: 60-90 dagen Voordelen Hoge energiedichtheid (60-120 Wh/kg) Supercapacitoren Nadelen moet serie schakelen vanwege de 2,5 V output. Snelle ontlading: 50% van vol vermogen in 30-40 dagen Lage energiedichtheid in vergelijking met accu s: 1/5-1/10 Voordelen Hoge energiedichteid in vergelijking met normale capacitoren (1-10 Wh/kg) Hele snelle laadtijden (10 sec) Inzetbaar naast accu s voor korte stroomonderbrekingen en pieksituaties Lange levensduur: 80% over na 10 jaar Deutekom, Imre van Giels, Ruud van Hoope, Dave ten 11-09-2008
Verbruik Sanitair Verwarming Apparaten Opwekking Opslag Stromingen Uitkomst: Het beste is om Lithium-ion-accus te combineren met supercapacitoren. Deutekom, Imre van Giels, Ruud van Hoope, Dave ten 11-09-2008
Verbruik Sanitair Verwarming Apparaten Opwekking Opslag Stromingen Deutekom, Imre van Giels, Ruud van Hoope, Dave ten 11-09-2008
Inhoudsopgave 1. Opslag elektrische energie 1.1 Inleiding 2 1.2 Verschillende systemen 3 1.3 Een nadere selectie 7 1.4 De voorgestelde oplossing 10 1.5 Bronnen 11 1.6 Bijlage 1 Schematische weergave werking brandstofcel 12
1.1 Inleiding Een van de belangrijkste aspecten voor het slagen in een volledig functionerende autarkische woonboot, is de manier van het opslaan en het weer gebruiken van de (aanwezige) elektrische energie. Het is dan ook cruciaal een gewogen beslissing te maken tussen de talloze varianten op dit gebied. In dit verslag komt een veelvoud aan opties terug, die zijn onderzocht op verschillende gebieden, uitlopend van de grootte van de energieopslag; de geproduceerde warmte; de afmetingen; de toepasbaarheid; de laadtijd; de levensduur; het onderhoudsaspect etc. Het verslag is zó opgebouwd, dat de verschillende opties aan bod komen met onderlinge vergelijkingen, daarna de selectie en uiteindelijk de gemaakte keuze(s) en conclusies. 2
1.2 Verschillende systemen Het opslaan van (elektrische) energie is niets nieuws en wordt al jaren gedaan. Inmiddels leven we in een tijd waar we het voordeel hebben dat er veel onderzoek is gedaan en er vele ontdekkingen en doorbraken zijn geweest, zo ook op dit gebied. De verschillende opties om elektrische energie op te slaan zijn zo groot, dat ze zijn gecategoriseerd en zijn onder gebracht in twee verschillende systemen. Chemische energie opslag 1. Lood-zuur batterij 2. Alkaline batterij 3. Nikkel-Cadmium en Nikkel-Metaal-Hydride batterij 4. Lithium-Ion batterij en lithium-ion polymeren 5. Natrium-zwavel batterij 6. Zinkbromide flow batterij 7. Vanadium-redox flow batterij 8. Regenesys flow batterij 9. Metaal-lucht batterij 10. Waterstof (brandstofcel) 11. Nano fosfaat technologie Elektrische energie opslag 12. Capacitor (condensator ) 13. Super capacitor (super condensator ) 14. Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) 15. Electrical Energy Storage Unit (EESU) Uit deze lange lijst van manier van energie opslag hebben we een aantal verschillende uitgediept, die een mogelijke oplossing zouden kunnen zijn in de realisatie van de autarkische woonboot. De onderzochte opties zijn achtereenvolgens: 1. Lood-zuur batterij 2. Nikkel-Cadmium en Nikkel-Metaal-Hydride batterij 3. Lithium-Ion batterij en lithium-ion polymeren 10. Waterstof (brandstofcel) 11. Nano fosfaat technologie 13. Super capacitor (super condensator ) 15. Electrical Energy Storage Unit (EESU) Deze opties zijn onderzocht en vergeleken met elkaar op verschillende aspecten, om tot een gewogen keuze te komen voor de uiteindelijke oplossing. In de volgende tabel is dit uitgewerkt. 3
Opslagsysteem Lood-zuur batterij Alkaline batterij Vermogen Capaciteit Levensduur Zelfontlading Rendement cyclus eenheid kw kwh cycli %/maand % uur Wh/kg W/kg - 20.000 1-40.000 200-1200 2-5% 75-80% 0,5-5 20-50 75-300 /kwh Typische ontlaadtijd Capaciteit Kosten 200-900 - 30.000 1-40.000 1000-3000 0,5-2% 60-70% 0,2-1 75 150-300 Lithium batterij - 100-15 3000-5000 1% 95% 0,5 200-300 100-150 Natrium-zwavel (NaS) batterij Zink-bromide flow batterij Vanadium-redox flow batterij Regenesys flow batterij Metaal-lucht batterij Waterstof (Brandstofcel) 100 30.000 1 50.000 1000-4000 Geen 1 80-85% 8 100-200 150-250 10 250 50 500 1000 Geen 65-75% 0,5-3 70-90 60-140 5-500 50-2.000 5000-12000 Geen 80-87% 1-8 20-40 180 NiCd en Nikkelmetaalhybride batterij 500-2500 225-400 1500 100-500 15.000-120.000 1500-3000 Geen 70-85% 1-8 20-28 600-3000 1-10 1 10 100 7-10% 40-50% 1-8 150-500 Tientallen jaren 50% Nano fosfaat technologie Tientallen jaren Capacitor 100-2000 1-10 10 5-10 7 NB: 30-40%/uur Uren 1 10 200 1500 Super capacitor 10-100 1-100 10 5-10 7 20-30% 90% NB: sec 4-20 0,1-10 Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) Electrical Energy Storage Unit (EESU) 90% NB: secmin 1000-100.000 0,1-3 Tientallen jaren 52 Tientallen jaren <1% (schakel electronic a) 95% NB: sec 7 120 0,1% 95% 0-5 280 1500 10.00 0 300-2000 1 Er is wel energie nodig om de batterij op temperatuur te houden Deze tabel is op basis van gedocumenteerde en voorspelde resultaten gemaakt. Tevens is hij incompleet wegens gebrek aan informatie. Naast de tabel zijn andere zaken onderzocht die hieronder staan beschreven. Lood-zuur accu Nadelen: o Zeer zwaar; o Lage energiedichtheid; o Lange laadtijd; Voordelen: o Goedkoop; o Weinig ontlading; o Weinig onderhoudt: 3-6 maanden 4
Lithium-Ion batterij Nadelen: o Hoge temperaturen; o Duur; o Extra regelsysteem nodig ten behoeve van warmteproductie; Voordelen: o Weinig ontlading; o Licht van gewicht; o Hoge energiedichtheid; o Snelle laddtijd; o Geen onderhoudt; Metaal-Hydride batterij Nadelen: o Snelle ontlading; o Lange laadtijd; o Onderhoudshevig: 60-90 dagen Voordelen: o Hoge energiedichtheid; Super capacitoren: Nadelen: o Moet in serie geschakeld worden; o Snelle ontlading; o Lage energiedichtheid; Voordelen: o Hele snelle laadtijden; o Inzetbaar naast accu s voor korte stroomonderbrekingen; o Zeer capabel voor pieksituaties, zoals op- als afname; o Lange levensduur. Brandstofcel: Nadelen: o Laag rendement; o Opslagruimte nodig; o Duur; Voordelen: o Zeer schoon systeem; o Hoge energiedichtheid Nano fosfaat technologie: Nadelen: o Snelle ontlading; o Moet in serie geschakeld worden; Voordelen: o Batterijen kunnen tot 100% ontladen worden; o Zeer krachtig door de nano deeltjes; o Lange levensduur; o Zeer licht van gewicht; o Zeer capabel voor pieksituatie; 5
Electrical Energy Storage Unit (EESU) Nadelen: o Nog geen realistische oplossing; o Eenzijdige informatie; Voordelen: o De beste eigenschappen van de litium-ion batterij; o De beste eigenschappen van de super capacitoren; o De meest belovende toekomstige oplossing. Zo te zien zijn er nog al een aantal voor- en nadelen bij iedere optie en is er geen een die alles biedt en een allround oplossing vormt. Het is dus kiezen tussen halve oplossingen, of het combineren van meerderen. 6
1.3 Een nadere selectie In het voorgaande hoofdstuk zijn tal van oplossingen aan bod gekomen en onderling vergeleken. We hebben een aantal ervan verder uitgewerkt en nader uitgediept. Het gaat dan om de genoemde opties waarvan zowel voor- als nadelen zijn gesommeerd in het voorgaande hoofdstuk. Er is gekozen voor deze opties, omdat zij de meest belovende oplossingen waren voor het opslagvraagstuk. Hieronder ziet u ze nog een keer genoemd, met een afbeelding en beschrijving ter verduidelijking van het systeem. Lood-zuur accu De Lood-zuur accu is de meest voorkomende accu en is al jaren de trouwe batterij in onder andere de auto-industrie. Het is een betrouwbare batterij, waar veel ervaring mee is. Hij is echter relatief zwaar en wordt aan alle zijden ingehaald door de nieuwere typen accu s. Lithium-Ion batterij De lithium-ion batterij of accu, is de opkomende ster en is al een standaard in de wereld van de telefonie en overige zogeheten portable media. Echter, hij wordt ook steeds meer toegepast in de nieuwe generatie elektrische auto s. Het grote nadeel hier echter is de grote hoeveelheid warmte productie. In sommige gevallen zelfs is de accu ontploft. Dit heeft ervoor gezorgd dat er speciale beveiligingssystemen moeten worden geïntegreerd, wat natuurlijk extra kosten met zich meebrengt. Een tweede te noemen nadeel is dat deze accu s 3 tot 5 keer zo duur zijn als ze worden vergeleken met de standaard lood-zuur accu s. 7
Super capacitoren: De super capacitoren zijn een beetje de vreemde eend in de bijt. Ze zijn niet de accu s waar men het meestal over heeft. Dit is natuurlijk niet zonder reden. Het probleem bij dit type accu s is namelijk dat het grote voordeel tegelijkertijd een groot nadeel vormt: ze zijn zeer snel volgeladen, letterlijk in enkele seconden, maar zijn echter ook zeer snel weer ontladen bij gebruik ervan. De nieuwe generatie super capacitoren beloven dit probleem grotendeels op te heffen om zo een directe concurrent te vormen van de meer bekendere accu s, die een langdurige stroom kunnen leveren. Naast het snelle laden hebben ze nog een groot voordeel. Zo kunnen ze bijzonder goed omgaan met zogeheten pieksituaties. Ze weten de energie beter op te slaan, met een hoger rendement dan de standaard accu s. Tevens kunnen zij in de omgekeerde situatie waar een piek aan energie nodig is voor een bepaald gebruik ook die stroompiek weer leveren. Een voorbeeld om dit te demonstreren is het volgende: een golfcaddy heeft een accu om hem te voorzien in stroombehoeften. Deze is ingericht op standaardsituaties. Als deze caddy een berg op zou gaan, dan zal dat logischerwijs met een langzamere snelheid gaan dan wanneer hij op een vlak stuk rijdt. Juist voor dit soort situaties is het zeer handig om gebruik te maken van super capacitoren, zij kunnen in deze situatie de extra benodigde energie leveren om met dezelfde snelheid die berg te beklimmen. Brandstofcel: De brandstofcel is een verhaal apart. Het is eigenlijk veel meer dan alleen een accu die energie opslaat en weer af kan staan. Hij wordt voornamelijk gebruikt om de kostbare brandstof waterstof te creëren, dat kan wordne gebruikt in speciale verbrandingsmotoren in met name de auto-industrie. Het is daarom dan ook een onvolledige keuze om hem slechts te gebruiken als een accu. Wat hij doet is het water, wat door de cel heen stroomt, splitsen in waterstof en zuurstof 8
door middel van elektrolyse. Door ze later weer bij elkaar te voegen ontstaat er een stroom die kan worden afgegeven. Nano fosfaat technologie: Over de nano fosfaat technologie is relatief weinig bekend. Het is eigenlijk een lithium-ion batterij, maar de deeltjes zijn een factor tien keer kleiner, waardoor er veel meer energie kan worden opgeslagen. Tevens zijn er een aantal andere voordelen op te noemen zoals de warmteproductie. Deze is slechts 63% van de lithium-ion accu s. Bovendien kan deze batterij in tegenstelling tot alle andere typen volledig worden ontladen, zonder negatieve gevolgen in levensduur of capaciteit. Ze hebben een zelfde soort toepassing als de (super) capacitoren, namelijk het leveren van stroom in pieksituaties en in gevallen van stroomonderbrekingen. Ze worden bijvoorbeeld toegepast in de space shuttle. Electrical Energy Storage Unit (EESU) De electrical energy storage unit, of de EESU is een accu die nog in ontwikkeling is en die in 2009 zijn opwachting zou moeten maken. Het is een accu die het beste van twee werelden combineert: namelijk de hoge energiecapaciteit en het leveren van lange duur energie van de lithium-ion accu en de zeer snelle laadtijd, de lange levensduur en het leveren van piekenergie van de super capacitoren. Het is eigenlijk een capacitor, maar dan met een andere stof als isolator erin, die zorgt voor de hoge specificaties. 9
4. De voorgestelde oplossing Zoals al eerder genoemd is er geen enkel systeem dat hét systeem lijkt te zijn op misschien de EESU na, maar dit is tot op heden nog geen realiteit. Het is dus zoeken naar een oplossing waarin de voordelen en nadelen zoveel mogelijk worden afgewogen en mogelijkerwijs worden opgeheven door het combineren van systemen. Zo zijn we uiteindelijk tot een definitieve oplossing gekomen. Het systeem wat volgens ons de beste oplossing biedt voor het opslagvraagstuk is het volgende: de beste oplossing is het combineren van twee verschillende systemen. Het inzetten van meerdere lithium-ion accu s, in combinatie met meerdere super capacitoren zou een ideale situatie opleveren waarbij de voordelen van de twee systemen elkaar feilloos aanvullen en tevens elkaars nadelen grotendeels weg weten te werken. Mocht er behoefte zijn om naar een nog beter totaal pakket te wijken, maar is tijd niet de belangrijkste factor, dan raden wij aan nu te volstaan met de economisch zeer aantrekkelijke lood-zuur accu s om ze later te vervangen door de EESU. Dit is echter wel de weg van het meeste risico, gezien de EESU nog in ontwikkeling is, maar dit biedt wel de beste vooruitzichten. 10
5. Bronnen Internet: Lithium-ion accu: o http://www.batteryuniversity.com/ Super capacitoren: o http://www.ultracapacitors.org/ o http://www.batteryuniversity.com/ EESU: o http://www.engadget.com/tag/eesu/ o http://www.freepatentsonline.com/7033406.html o http://www.ultracapacitors.org/ o http://www.theeestory.com/topics/ Brandstofcellen: o http://www.telecomwereld.nl/brandstof.htm o http://www.brandstofcel.com/ Nano fosfaat technologie: o http://www.a123systems.com/#/technology/power/ o http://www.crunchbase.com/company/a123systems PDF: Eindrapport%20Opslag%20Elektriciteit%2024Aug06.pdf elektriciteit.pdf 11
Bijlage 1 Schematische weergave werking brandstofcel 12
13