Een thuisbatterij, wat is het en wat kun je ermee?
Wanneer is een thuisbatterij interessant? Hoe zit het met de techniek van de batterij?
Een thuisbatterij is een batterij die gebruikt wordt om energie in op te slaan en later te gebruiken in je huis. Het is vergelijkbaar met de batterij van je telefoon, als je de batterij van je telefoon oplaadt dan stop je er energie in om op een later moment te gebruiken.
Echter, thuisbatterijen kunnen veel meer energie opslaan dan je telefoon. Een iPhone heeft bijvoorbeeld een batterij van 15 Wh, wat staat voor 15 watt uur. Een thuisbatterij begint bij zo’n 5000Wh, 5kWh, dat is dus ruim 330 keer meer dan een iPhone!
Een gemiddeld huis in Nederland verbruikt zo’n 10kWh per dag, met een batterij van 5kWh kun je dus je huis een halve dag van energie voorzien.
Batterij types
De meest bekende batterij is de loodaccu, deze oeroude is uitgevonden in 1859. Het is een eenvoudige accu, kan hoge stroomsterkte leveren, is gemakkelijk te recyclen en is relatief goedkoop. Deze kun je terugvinden in je benzine of diesel auto als startaccu. De eerste elektrische auto (1888) reed zelfs op een loodaccu.
Het nadeel van een loodaccu is dat er weinig energie per kg in zit, er zwavelzuur in zit, er giftig lood in zit en bij overladen er een een explosief gas (waterstof) ontstaat (door het vloeibare elektrolyt).
De lithium-ion (li-ion) batterij, die een vlucht nam door gebruik in mobiele telefoons en vaak in consumentenelektronica en elektrische auto’s wordt gebruikt, vooral vanwege de hoge energiedichtheid en lange relatief lange levensduur bij op hoog vermogen laden en ontladen. Het voordeel is dat deze veel energie per kg kan opslaan, geen geheugeneffect heeft, hoog vermogen kan laden en ontladen en een relatief lange levensduur. Een lithium ion batterij mag nooit te ver ontladen of opgeladen worden, omdat dit de capaciteit van de batterij op termijn drastisch doet verminderen of zelfs tot brand kan leiden. De bekendste Li-ionsamenstellingen zijn: lithiumkobaltoxide (LiCoO2) en lithiumionmangaanoxide (LiMn2O4, Li2MnO3 of LiMnO)
De lithium nikkel mangaan kobalt batterij (Li-NMC) is de meest gebruikte batterij in elektrische voertuigen. (En is eigenlijk een lithium ion batterij met nikkel mangaan en kobalt in de kathode). Deze batterij kan veel energie opslaan, net iets meer dan een lithium ijzerfosfaat batterij. De levensduur is echter korter dan van een ijzerfosfaat batterij. De batterij is onder andere terug te vinden in de Hyundai Kona, Nissan Leaf, Jaguar I-Pace, Renault Zoe en de Volkswagen ID.3. Tesla gebruikt een lithium nikkel kobalt aluminium batterij (Li-NCA) in haar elektrische auto’s. De Li-NCA batterij heeft een hogere energiedichtheid dan LiFePO4.
De lithium ijzerfosfaat batterij (LiFePO4) is de meest gebruikte batterij voor thuisbatterijen. (En is eigenlijk een lithium ion batterij met ijzerfosfaat in de kathode). De batterij kan met hoog vermogen opgeladen en ontladen worden, heeft een lange levensduur (veel laadcycli), een hoge energiedichtheid en het belangrijkste is dat deze batterij veiliger en stabieler is dan andere lithium-ion gebaseerde batterijen. De batterij kan in een groter temperatuurbereik opereren dan een lithium-ion of loodaccu en zal hierbij een hogere energiedichtheid behouden. Ze kunnen extreem hoge temperaturen weerstaan en er is weinig tot geen kans op explosies bij overlading, oververhitting, kortsluiting en beschadiging. Dit in tegenstelling tot zowel lithium-ion als lood-zuur batterijen. De batterij is hierdoor wel iets duurder dan een lithium-ion batterij. Zie video:
De lithium ijzerfosfaat batterij is dan ook de veiligste batterij die voor thuisgebruik ingezet kan worden.
De techniek en werking (AC vs DC coupled)
Hoe werkt een thuisbatterij
Een thuisbatterij wordt vaak ingezet om opgewekte zonne-energie op te slaan. Waar normaal de opgewekte zonne-energie terug het net in gaat, gaat het dan de batterij in. Het systeem is op zo’n manier opgezet dat gemeten wordt hoeveel opgewekte zonne-energie er daadwerkelijk terug het net in gaat. Immers, er wordt ook energie in het huis verbruikt door de wasmachine, vaatwasser en verlichting. Stel er wordt 2500 watt opgewekt, er is een verbruik van 500 watt in het huis dan gaat er nog 2000 watt de batterij in. De opgewekte energie wordt eerst in het eigen huis verbruikt en het overschot stroomt daadwerkelijk de batterij in.
Wisselstroom of gelijkstroom?
Er zijn verschillende soorten systemen voor het koppelen van een batterij aan de thuisinstallatie. Je kunt de omvormer van de batterij koppelen aan AC (wisselstroom), dat is je normale huisinstallatie en bekabeling. Je kunt de omvormer van de batterij ook koppelen aan DC (gelijkstroom), zonnepanelen produceren bijvoorbeeld gelijkstroom.
Het voordeel van direct koppelen aan gelijkstroom is dat er geen conversie nodig is, de stroom kan direct vanaf de zonnepanelen de batterij in. Dit is efficiënter, omdat er niet vanaf DC eerst naar AC (in de omvormer van de zonnepanelen) en dan van AC naar DC (in de omvormer van de batterij) en dan weer DC naar AC (om als vanuit de batterij aan het huis wil leveren) omgezet moet worden. Sommige zonnepanelen omvormers bieden een geïntegreerde oplossing voor het aansluiten van batterijen, zogenoemde hybride inverters.
Beide systemen zullen uiteindelijk een DC naar AC koppeling hebben om energie terug te leveren aan het huis of energienet. Er zal dus altijd een conversie plaats moeten vinden, met bijbehorende verliezen.
Batterijbeheer / Battery Management System
Een batterij moet nooit te ver op- of ontladen worden, omdat dit de batterij kan schaden. In het geval van lithium ijzerfosfaat zal het niet voor onveilige situaties zorgen, bij een lithium-ion batterij kan hij zelfs in brand vliegen. Om dit te reguleren wordt vaak een Battery Management System (BMS) ingezet. De BMS houdt in de gaten wat de maximum en minimum spanning is, en zal het laden of ontladen stoppen als dit nodig is. Daarnaast houdt de BMS ook de temperatuur in de gaten, als de batterij te warm óf te koud wordt dan zorgt de BMS dat de batterij afgeschakeld wordt. De BMS komt vaak samen met de batterij, dit is vaak niet iets waar je als consument invloed op hebt of kunt uitoefenen.
Wanneer wordt een thuisbatterij interessant?
Huidige situatie
We kijken toch vooral naar onze portemonnee als het gaat om of een bepaalde oplossing interessant is. Voor nu is een thuisbatterij nog niet interessant, dit komt vooral door twee redenen.
- Prijs: Batterijen zijn nu nog duur. De prijs is de afgelopen 10 jaar enorm gezakt, maar nog steeds zijn ze relatief duur.
2. Salderen: Door de mogelijkheid van salderen, is de noodzaak (incentive) voor het opslaan niet aanwezig. Men kan immers energie terugleveren aan het net, het op een later moment weer uit het net halen en dit tegen elkaar wegstrepen. Dus als je in de zomer 2000kWh opwekt en in de winter 2000kWh verbruikt dan is dat netto 0.
Nabije toekomst
De prijs van batterijen zal in de toekomst alleen maar gaan zakken, door schaalvergroting en nieuwe technieken. Dit zal te vergelijken zijn met hoe de prijsontwikkeling van zonnepanelen is geweest.
Salderen wordt vanaf 2023 versoberd met 9% per jaar. Dit betekent dat als je 100kWh aan het net teruglevert, je daarna nog maar 91% uit het net kan halen om op netto 0 uit te komen. Het jaar erop is dit nog maar 82%, 73%, 64%, 55% tot het punt in 2030, dan gaat het naar 0%. Doordat ook een batterij verliezen kent (vooral als je een AC wisselstroom gekoppeld systeem gebruikt), zal vanaf 2025 een batterij economisch interessant worden.
Waarvoor kun je een thuisbatterij nog meer gebruiken?
EPEX prijzen
Naast eigen gebruik van zonne-energie kan het ook interessant worden om een batterij te gebruiken om hele goedkope stroom uit het net in de batterij te laden. In de nacht is de stroom vaak goedkoper dan overdag, maar soms is ook overdag de stroom goedkoop. Op 8 augustus 2021 was de stroomprijs zelfs negatief, dit betekent dat je geld toe krijgt op het gebruik ervan (excl. wettelijke belastingen en toeslagen, zo’n 16 cent per kWh). In het voorbeeld hieronder betaalde je dus in de avond om 20:00 uur 8.2 cent/kWh + 16 cent belasting/kWh = 24.2 cent per kWh. In de middag om 14:00 uur was dit -7.6 cent/kWh + 16 cent belasting/kWh = 8.4 cent/kWh.
Stel je hebt een batterij van 15kWh en in dit voorbeeld rekenen we met prijzen inclusief belasting en toeslagen. Volladen van deze batterij met 8.4 cent/kWh kost 1.26 euro, in de avond is de gemiddelde prijs zo’n 22 cent/kWh en zou dit 3.30 euro kosten. Echter, omdat deze energie uit de batterij komt betaal je dus alleen de 1.26 euro.
Door verliezen in omzetting (AC/DC), van zo’n 10%, raken we echter 1.5 kWh kwijt. 1.26/13.5 = 9.33 cent/kWh. Nog altijd een verschil van 12,67 cent per kWh, in het voordeel van het gebruik van de batterij.
De prijzen zijn volatiel maar niet zo vaak negatief als in dit voorbeeld. Het afgelopen jaar is dit echter wel vaker voorgekomen dan voorheen. Ook bij andere prijsverschillen kan een batterij al interessant worden.
Off grid
Een andere manier van het inzetten van de batterij kan zijn door de mogelijkheid om energie te behouden zelfs als het stroomnet van de netbeheerder uitvalt. In Nederland komt het gelukkig niet zo vaak voor dat de stroom uitvalt, ons stroomnet is zelfs een van de beste wereldwijd.
Echter, wanneer je bepaalde apparaten hebt die niet uit mogen vallen (computers, besturingselektronica, etc.) kan het interessant zijn om een dergelijke batterij in te zetten.
In zonnige weken kan het zelfs zo zijn dat je volledig onafhankelijk van het grid kan draaien.
Capaciteitstarieven (aansluiting)
In Nederland kennen we voor particulieren een vaste capaciteit per aansluiting. Vaak is dit 1 fase 35 ampère of 3 fasen 25 ampère, waarmee je tussen de 8 tot 17.2kW per aansluiting aan vermogen kan opnemen (of terugleveren). Ons net is echter niet zo ingericht dat iedereen tegelijkertijd het volle vermogen kan opnemen, in het net wordt met een gelijktijdigheid van 1.4kW per huisaansluiting gerekend. Doordat er steeds meer grootverbruikers worden toegevoegd zoals warmtepompen, elektrische auto’s en zoals in deze blogpost beschreven batterijen neemt ook de gelijktijdigheid en het opgenomen vermogen toe.
Hierdoor komt het energienet onder druk te staan en wordt er gezocht naar mogelijkheden om dit in goede banen te leiden. Uiteindelijk willen we allemaal energie gebruiken en moeten we de beschikbare capaciteit eerlijk verdelen. Een mogelijkheid wordt dan dat op piekmomenten de capaciteit beperkt wordt. Een batterij zou in dat geval kunnen zorgen dat als er een capaciteitstekort is, je toch in huis de apparaten kunt gebruiken die je wil omdat dit vermogen door de batterij geleverd wordt.
Hoe wordt de batterij aangestuurd? Hoe werkt dit?
Grofweg zijn er twee manieren hoe een batterij aangestuurd kan worden.
De simpelste manier is optimalisatie van zelfconsumptie door de batterij te koppelen aan een meter die de hoofdaansluiting meet, dit kan middels de slimme meter of een eigen meter. De batterij kijkt dan of er energie van het net wordt afgenomen of wordt teruggeleverd. Als er wordt afgenomen van het net zal de batterij gaan ontladen om te zorgen dat er op het aansluitpunt geen energie van het net wordt afgenomen. Als er wordt teruggeleverd aan het net zal de batterij gaan opladen, om de overtollig geproduceerde energie op te slaan in de batterij.
De complexere manier is het koppelen van de batterij aan een (huis) energie management systeem (HEMS/EMS). Via zo’n systeem krijg je meer controle over de batterij en andere apparaten. Door de inzet van een HEMS is het ook mogelijk om bovengenoemde verschillende manieren om de batterij in te zetten toe te passen, dit is echter wel sterk afhankelijk van de functionaliteiten van het HEMS. Ik heb al eerder een uitgebreide blog post geschreven (in het Engels) over hoe ik zelf een dergelijk systeem gebouwd heb.
Een thuisbatterij of vehicle to grid?
Een elektrische auto is eigenlijk gewoon een enorme batterij op wielen. Je zou dus ook de auto in kunnen zetten voor energieopslag, om het vervolgens daarna weer te gebruiken in huis. Dit heet vehicle to grid of bi-directioneel laden en wordt komende jaren waarschijnlijk steeds normaler. Er zijn nu al auto’s die dit kunnen, zoals de Nissen Leaf, een Renault Zoe of de nieuwe Hyundai Ioniq 5. In Utrecht is een groot project opgestart voor het bidirectioneel laden van auto’s: Vehicle-to-Grid: Utrecht wijst de weg
Dit is uiteraard alleen handig als de auto overdag, als de zon schijnt, thuis staat (of op een andere plek zonne-energie kan laden). Waarschijnlijk is dus een hybride oplossing het meest geschikt. Een kleine thuisbatterij en de auto als grote back-up batterij.
Vaak wordt er gezegd dat de accu van de auto harder slijt bij veelvuldig gebruik zoals bijvoorbeeld vehicle to grid. Echter, het vermogen wat aan een huishouden moet worden geleverd (2 tot 4kW) is veel minder dan de vermogens die komen kijken bij het accelereren. Bij een Hyundai Kona kan dit bijvoorbeeld tot wel 150kW aan vermogen betekenen. Daarnaast wordt de accu ook weer opgeladen als je remt, om de energie niet verloren te laten gaan maar op te slaan in de batterij. Dit betekent dus dat eigenlijk gedurende je hele rit de auto laadt en ontlaadt, met hoge vermogens. De vermogens in een huishouden zijn dus maar een fractie van wat de batterij aan kan, en zullen dus waarschijnlijk ook weinig bijdragen aan de slijtage van de batterij t.o.v. het rijden zelf.
Wel of geen thuisbatterij?
In 2021/2022 is het kopen van een thuisbatterij eigenlijk alleen maar interessant voor de hobbyisten. De markt is nog erg klein, de (aanstuur)techniek nog in de kinderschoenen en de prijzen nog veel te hoog om financieel rendabel te zijn.
Ik verwacht dat vanaf 2025 een thuisbatterij steeds interessanter gaat worden. De prijzen zullen lager liggen, de techniek is volwassener en door wijzigingen in de manier van salderen wordt het alleen maar interessanter.
De grote zonne-energie omvormer fabrikanten zie je al de stap maken naar het integreren van de mogelijkheid tot het aansluiten van een batterij op hun inverters. Dus als je op het punt staat tot het aanschaffen van zonnepanelen, kan deze kleine extra investering nu op termijn misschien je geld besparen en je hoeft niet een extra ruimte te reserveren voor een extra omvormer. Informeer dus naar de mogelijkheden zodra je zonnepanelen wil aanschaffen!
