Analyse Autarkische woonboot

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 Apparaat

Verwarming

Gemiddeld Verbruik in Kwh

Beoogd verbruik 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

K ffi Koffiezetter tt

80

40

Stofzuiger

50

50

Audio

30

30

Totaal

4040

1556


11-09-2008

Autarkie Verbruik Verwarming Sanitair Apparaten Opwekking Opslag Stromingen


11-09-2008



11-09-2008



11-09-2008



11-09-2008



11-09-2008



Lood-accu Nadelen zeer zwaar l lage energiedichtheid i di hth id (30 (30-50 50 Wh/k 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 accu Lithium-ion-accu Nadelen hoge temperaturen (explosiegevaar) duur beveiligingssysteem nodig Voordelen licht van gewicht hoge energiedichtheid (110-170 Wh/kg) Snelle laadtijd: 1-3 uur Geen onderhoud 11-09-2008



Nikkel-metaalhydride-accu (NiMH) Nadelen snelle ontlading: 30% van vol vermogen in 30-40 dagen l lange llaadtijd: dtijd 2 2-3 3 uur onderhoudt: 60-90 dagen Voordelen Hoge energiedichtheid (60 (60-120 120 Wh/kg) Supercapacitoren Nadelen moet serie schakelen vanwege de 2 2,5 5 V output 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 g levensduur: 80% over na 10 jjaar Lange 11-09-2008


Uitkomst: Het beste is om Lithium-ion-accus te combineren met supercapacitoren.


11-09-2008



11-09-2008

Inhoudsopgave 1. Opslag elektrische energie 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

Inleiding Verschillende systemen Een nadere selectie De voorgestelde oplossing Bronnen Bijlage 1 | Schematische weergave werking brandstofcel

2 3 7 10 11 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

Vermogen

eenheid

kW

Capaciteit

Levensduur

kWh

cycli

Zelfontlading %/maand

Rendement cyclus %

Typische ontlaadtijd uur

Capaciteit

Kosten

Wh/kg W/kg 20-50 75-300

€/kWh

Lood-zuur batterij Alkaline batterij

- 20.000

1-40.000

200-1200

2-5%

75-80%

0,5-5

NiCd en Nikkelmetaalhybride batterij Lithium batterij

- 30.000

1-40.000

1000-3000

0,5-2%

60-70%

0,2-1

75 150-300

- 100

- 15

3000-5000

1%

0,5

Natrium-zwavel (NaS) batterij

100 – 30.000

1– 50.000

1000-4000

Geen

80-85%

8

200-300 100- 150 100-200 150-250

5002500 225400

Zink-bromide flow batterij Vanadium-redox flow batterij Regenesys flow batterij Metaal-lucht batterij Waterstof (Brandstofcel)

10 –250

50 –500

1000

Geen

65-75%

0,5-3

1500

5- 500

50-2.000

Geen

80-87%

1-8

– 15.000

-120.000

500012000 1500-3000

Geen

70-85%

1-8

70-90 60-140 20-40 180 20-28

1-10

1 –10

100

7-10%

40-50%

1-8

150-500

5

7

100-2000

1-10

10 -10

Super capacitor

10-100

1-100

10 -10

Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES)

1000100.000

0,1-3

Tientallen jaren

52

Tientallen jaren

5

7

100500 6003000

50%

Tientallen jaren

Capacitor

1

1

Tientallen jaren

Nano fosfaat technologie

Electrical Energy Storage Unit (EESU)

95%

200900

Uren NB: 3040%/uur 20-30%

90%

NB: secmin

1 –10 200 – 1500 4-20 0,1-10

1500

90%

NB: sec

<1% (schakel electronic a) 0,1%

95%

NB: sec

7 120

3002000

95%

0-5

280

10.00 0

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

Analyse Autarkische woonboot

Recommend Documents