December 2023

Intelligente energieopslag in een 10 ft container

Flexibele aansturing van 1 MWh op basis van AI

Van buiten oogt hij als een standaard 10 ft zeecontainer. Maar binnenin is een groot aantal LFP-batterijen ondergebracht dat gekoppeld is aan geavanceerde software. Laden en ontladen gebeurt hierdoor niet alleen op basis van vraag en aanbod, maar óók naar aanleiding van marktontwikkelingen, energieprijzen, weersverwachtingen en noodzaak. Deze flexibele en intelligente energieopslag van Big Ass Battery is hiermee een serieus alternatief voor vervuilende dieselgeneratoren, maar tevens een oplossing voor netcongestie, peak shaving, snelladen enzovoorts.

Drie jaar geleden startte Guido de Jong met het uitwerken van een alternatief voor vervuilende dieselgeneratoren. ‘Ik werd onder meer getriggerd door de generatoren die ik tegenkwam tijdens mijn werkzaamheden in de licht-, geluid- en beeldsector. Hoewel de techniek van generatoren zo goed als uitontwikkeld is, en deze oplossingen zeer effectief zijn, blijven het vervuilende apparaten met een hoog geluidsniveau die gebruik maken van fossiele brandstoffen. Omdat ik een opleiding heb in de energietechniek met als richting meet- en regeltechniek en een affiniteit met (batterij)techniek, wilde ik graag een elektrisch alternatief ontwikkelen voor deze vorm van energievoorziening.’

Uitgangspunten

De uitgangspunten van De Jong waren een mobiele oplossing met de hoogste energiedichtheid per m³ die op dit moment mogelijk is. Het mobiele karakter is ingevuld door te kiezen voor een 10 ft container als behuizing. Eenvoudig te transporteren met standaard vrachtwagens en eventueel hijsapparatuur. De hoge energiedichtheid is behaald door een eigen LFP-batterij te ontwikkelen op basis van lithium, ijzer en fosfaat. De Jong: ‘Uiteraard kom je daarmee wel richting de hogere wiskunde, maar met het eindresultaat is 1,5 MWh in een 10 ft container onder te brengen.’
LFP-accu’s maken gebruik van lithium-ijzer-fosfaat LiFe(PO4) als kathode en zijn in 1996 in de VS voor het eerst gebouwd. Voor de toepassing van De Jong hebben deze batterijen enkele kenmerkende voordelen. Zo gaan ze langer mee dan de meeste lithium-ion batterijen en nemen de prestaties bovendien nauwelijks af. Verder is de capaciteit tot bijna 100 procent te gebruiken zonder dat dit de accu beschadigt. Daarnaast hebben deze accu’s een hoge specifieke capaciteit, een goede thermische stabiliteit en goede elektrochemische eigenschappen. Hiermee zijn ze ook brandveilig, wat voor een flexibel te plaatsen accu een belangrijk voordeel is. Tot slot is de oplossing schaalbaar: afhankelijk van de vraag zijn er een of meer containers te plaatsen, gevuld met het benodigde aantal accu’s.

Connectoren voor de opslag van energie.

Software

Met de hardware in de vorm van een 10 ft container en 1,5 MWh aan accucapaciteit was De Jong er voor zijn gevoel nog niet. ‘De technische en technologische ontwikkelingen gaan hard, op vele vlakken’, geeft hij aan. ‘Dat betekent dat oplossingen zoals deze mogelijk al snel verouderd zijn. In deze basisvorm kun je de batterijen ontladen door de energie af te geven aan een gebruiker die op dat moment stroom nodig heeft. Opladen doe je mogelijk vanuit het lichtnet en het liefst nog met duurzame energie. Slimme gebruikers houden er rekening mee om op te laden wanneer er veel zon of wind beschikbaar is en hiermee de energieprijzen laag.’
Hij vervolgt: ‘Maar dan heb je een statische oplossing die je uitsluitend aan en uit kunt zetten en vooral het voordeel biedt off-grid stroom te kunnen leveren. Ik wilde meer; onderscheidend zijn. Het maximale uit zo’n oplossing halen om een bijdrage te leveren aan een duurzame toekomst. Die oplossing moest naar mijn idee in de software liggen die het systeem slim maakt en bijvoorbeeld zelfstandig uitzoekt waar welke afnemers en toeleveranciers zijn gekoppeld. Maar ook autonoom bepaalt wat het beste tijdstip is om te laden. Niet alleen afhankelijk van beschikbare duurzame energie, maar ook op basis van energieprijzen, weersverwachtingen en gebruikerspatronen. Voor de gebruiker zelf moet het overigens wél een aan/uit-oplossing blijven; hij moet niet na te hoeven denken over alle factoren die het beste tijdstip van opladen bepalen, maar dit aan het systeem kunnen overlaten.’

Toepassingen

Inmiddels had De Jong zijn bedrijf opgericht en partners gezocht om te helpen bij het ontwikkelen van de software. ‘De software is bij uitstek bedoeld om het systeem flexibel te maken. Want waar de oplossing – die inmiddels was gedoopt tot Big Ass Battery – in eerste instantie bedoeld was als alternatief voor een dieselgenerator, zijn er nog vele andere toepassingen te bedenken.’ De meest potentiële opties zijn:
• Een volle container maakt het mogelijk om snel elektrische voertuigen te laden, bijvoorbeeld mobiele machines op bouwplaatsen, in de bosbouw of op andere locaties waar geen snellaadmogelijkheden zijn. Vooral in stedelijke gebieden waar uitstoot van de verbranding van fossiele brandstoffen onwenselijk is, biedt de accu mogelijkheden om met een beperkt aantal machines continu door te werken. Ook langs de snelweg kan een behoefte zijn aan snelladers.
• Voor bedrijven kan de energieopslag een oplossing zijn voor load balancing of peak shaving. Het belangrijkste voordeel hiervan is dat overbelasting van het net wordt voorkomen en dat een zwaardere netaansluiting eventueel niet nodig is. Naast de kosten die gepaard gaan met een zwaardere netaansluiting hebben steeds meer bedrijven er immers last van dat ze geen zwaardere aansluiting meer kúnnen krijgen vanwege netcongestie. Boetes en problemen zijn dan te voorkomen door de kortstondige behoefte aan veel energie van de accu te betrekken.
• De opslag is in te zetten om niet pieksgewijs, maar continu extra vermogen te leveren wanneer er onvoldoende beschikbaar is. Het is dan wel belangrijk om zeker te zijn dat de accu’s tijdig zijn bij te laden.
• Eveneens voor bedrijven is er de mogelijkheid om de energieopslag in te zetten als UPS. Een betrouwbare oplossing om de gevolgen van spanningsdips of – uitval te minimaliseren.
• Tot slot zit er toekomst in het aanschaffen van een Big Ass Battery als opslag van eigen energie (pv-panelen) voor eigen gebruik of verkoop. Wanneer het om verkoop gaat, is de accu te gebruiken als een buffer die wordt geladen met goedkope energie – of eventueel zelfs met een negatieve prijs – en deze te verkopen op tijdstippen dat energie juist duur is. Het zou een serieus verdienmodel kunnen zijn voor het mkb.

Container met Fast Charger wordt ingezet voor bijvoorbeeld elektrische voertuigen op bouwplaatsen. Ze kunnen, in korte tijd, een zeer hoog vermogen aan stroom leveren.

Samenwerking

Om de heldere ideeën te vertalen naar een betrouwbare besturingsoplossing, nam De Jong het bedrijf Nobleo in de arm. ‘Het gaat om de koppeling van verschillende systemen en grote hoeveelheden data uit verschillende bronnen die moeten worden gecombineerd om tot een juiste beslissing te komen. Bovendien moet het systeem in staat zijn om op basis van al deze gegevens zelfstandig beslissingen te nemen. Last but not least: Je ontkomt er niet aan dat er verbinding wordt gemaakt met de buitenwereld – bijvoorbeeld om de elektriciteitsprijzen of het weerbericht te volgen. Dit betekent dat je additionele vraagstukken op het vlak van cybersecurity introduceert en die moeten uiteraard serieus worden beantwoord.’
Uiteindelijk is er een samenwerking van drie bedrijven ontstaan: Big Ass Battery, Nobleo en Phoenix Contact. De laatste was al langer leverancier van elektrotechnische componenten die bij energieopslag worden gebruikt. Zij waren ook degene die Nobleo introduceerde als ingenieursbureau dat zich expliciet richt op de meer complexe vraagstukken binnen de hightechindustrie.
Bas de Wit, lead electrical engineer bij Nobleo: ‘We hebben vooral een focus op autonome en intelligente oplossingen waarin AI steeds vaker een rol speelt. Het vraagstuk vanuit Big Ass Battery was toch een uitdaging. Enerzijds omdat de gebruikerskant eenvoudig moest blijven, terwijl de achterliggende intelligentie in staat moest zijn de in- en uitgaande energiestromen zo efficiënt mogelijk te sturen, updates te ontvangen en intelligent te reageren op dynamische situaties. Een mooi voorbeeld hiervan is de aansturing van een warmtepomp wanneer de container aan direct zonlicht blootstaat en hierdoor opwarmt. Slimme algoritmes bepalen dan wanneer de warmtepomp moet worden ingeschakeld om het totale systeem energiezuiniger te maken.’

De Big Ass Battery heeft een goede Levelized Cost of Storage

Automatiseringsplatform

Voor de uiteindelijke realisatie van de aansturing maakte Nobleo gebruik van PLCnext Technology. Dit is een flexibel automatiseringsplatform van Phoenix Contact met enkele kenmerkende eigenschappen. Jan-Willem Steenbergen van Phoenix Contact: ‘Zowel eenvoudige als complexe aansturingen worden traditioneel gedaan met behulp van een plc. Indertijd absoluut een fantastische ontwikkeling, maar met als nadeel dat het een gesloten systeem is en uitsluitend te programmeren met de klassieke plc-programmeertalen. Verder ben je echt beperkt door de softwaretools van de fabrikant van de componenten die je wilt aansturen. Een gesloten systeem heeft natuurlijk ook voordelen omdat plc’s hierdoor veilig en stabiel zijn, maar het maakt het praktisch onmogelijk om de componenten en systemen van verschillende fabrikanten te combineren of functionaliteit toe te voegen wanneer hier vraag naar is.’
PLCnext Technology is ontwikkeld als oplossing voor deze problematiek. Het is een open, op Linux gebaseerd systeem dat is te koppelen aan het internet en de cloud. Cybersecurity is ondervangen door geavanceerde technologieën en bewezen door onder meer TÜV SÜD die een IEC 62443 SL2-certificaat toekende, maar ook via de pentest van het Red Team bij Ordina Cybersecurity & Compliance. Door in een Linux-omgeving gebruik te kunnen maken van hogere programeertalen als C++, ontstaan voor de softwareontwikkelaars een belangrijke mate van flexibiliteit. Zo kunnen verschillende software engineers gelijktijdig programmeren, vanuit één broncode werken, software integreren, testen draaien en versiebeheer toepassen. Met PLCNext Technology is vervolgens zowel de architectuur op te bouwen als de functionaliteit te programmeren. Daarbij bestaat de mogelijkheid om op elk gewenst tijdstip aanpassingen door te voeren of de functionaliteit uit te breiden en zijn de bijbehorende ontwerpen geschikt voor ‘hergebruik’; bij een nieuw type container hoeft de ontwikkelaar niet vanaf scratch te beginnen.

Ambities

Big Ass Battery is als product met een goede Levelized cost of storage (LCoS) (zie kader) uiteindelijk in krap twee jaar ontwikkeld tot marktrijpe oplossing en als bedrijf in een jaar gegroeid van 2 naar 35 mensen. Er is bewust voor gekozen om het systeem zo snel mogelijk in de markt te zetten om aan de slag te kunnen met de praktische ervaringen van de eindgebruiker.
Deze eerste versie leidde al direct tot een sterk toenemende vraag en de ambitie om niet alleen in Nederland, maar in heel Europa te leveren. Zo staan er voor dit jaar 30 tot 40 systemen op de planning en voor volgend jaar het dubbele aantal. Tevens is het bedrijf bezig met het inventariseren van de mogelijkheden om de energieopslag in te zetten als thuisbatterij. Hiervoor worden pilots ontwikkeld, waarbij een jaar lang bij mensen thuis data wordt verzameld om de haalbaarheid van het plan te beoordelen.
Guido de Jong: ‘Het is wel een beetje een rollercoaster, maar een prachtige basis om een bijdrage te leveren aan een betere wereld. Daarbij proberen we aan alles te denken. Zo is de Big Ass Battery zodanig ontwikkeld dat de accupakketten volledig demontabel zijn en de cellen 100 procent te recyclen. Verder voeden we Nobleo continu met ideeën om de batterij nog flexibeler en breder te kunnen inzetten. We willen onder andere ‘over the air’ updates realiseren, data uitlezen om op afstand de systemen te monitoren, maar bijvoorbeeld ook sensoren plaatsen die vastleggen hoe het transport van de accu’s is verlopen. Of een overschot aan energie die niet meer in de batterij past, opslaan in warmteboilers. Er is nog zoveel mogelijk…’

Levelized cost of storage (LCoS)

Energieopslagsystemen hebben de volle aandacht in het kader van de energietransitie. Welke opslagsysteem economisch het beste bij een bepaalde situatie past, is te bepalen op basis van ‘Levelized cost of storage’ (LCoS).
De LCoS wordt meestal uitgedrukt in euro’s of dollars per kilowattuur. In de meest simplistische en traditionele vorm houdt de LCoS-berekening rekening met: investeringskosten per kWh [€/kWh], levensduur van het opslagsysteem [cycli], (ont)laadefficiëntie [%].

Als formule:

LCoS [€/kWh] = investeringskosten [€] / levensduur van het opslagsysteem [cycli] *capaciteit [kWh]* (ont)laadefficiëntie [%]

Bij deze berekening wordt tevens rekening gehouden met de kapitaalkosten van het bouwen en installeren van het systeem, de lopende exploitatie- en onderhoudskosten en alle kosten die gepaard gaan met het buiten gebruik stellen of vervangen van het systeem aan het einde van zijn gebruiksduur.

Tekst: ing. Marjolein de Wit - Blok
Fotografie: Big Ass Battery