Kennisdatabase

Zelfopwek

Wat verstaan we onder zelfopwek? We bedoelen met zelfopwek het kleinschalig, meestal particulier decentraal opwekken van elektrische stroom. Deze stroom kan de zelfopwekker terug in het reguliere stroomnet voeden of zelf gebruiken. Een combinatie is ook mogelijk: een deel zelf benutten en het overschot in het stroomnet laten vloeien. Hieronder volgt een beknopt overzicht met een globale beschrijving. Elke methode is weer in uitvoeriger besproken componenten op te splitsen. Sommige componenten komen in verschillende methodes terug. (noot van de schrijver: de laatste alinea kan komen te vervallen als we met hyperlinks gaan werken.)

Stroomaggregaat

De meest bekende en snelst toegankelijke oplossing. Plug and play. We spreken hier over generatoren met een verbrandingsmotor als aandrijving. Er bestaan aggregaten met een Stirlingmotor, maar die zijn onbetaalbaar. Stoom- en straalaandrijving kan ook, maar ook dat ligt meestal buiten het bereik van de particulier. We onderscheiden noodstroom en continu gegenereerde stroom. Voor noodstroom zijn de brandstof, het verbruik en de levensduur van ondergeschikt belang. De vaste kosten, ofwel de aanschaf daarentegen wel, waarbij de betrouwbaarheid van de gehele installatie gedurende de gebruiksperiode de maatstaf voor de investeringshoogte zou moeten zijn. Voor een particulier is een eenvoudig klein benzineaggregaat voldoende om de belangrijkste verbruikers gedurende korte tijd operationeel te houden. Goedkoop is echter duurkoop. De vele spotgoedkope internetaanbiedingen draaien, op een uitzondering na, ergens tussen de 10 en 200 bedrijfsuren stuk. Voor continu gegenereerde stroom (8 uur per dag is ook als continu te beschouwen) spelen de aanschafkosten een geringere rol ten opzichte van de variabele verbruikskosten. Een lange levensduur is de andere belangrijke factor. Gelukkig gaan kwaliteit en laag brandstofverbruik vaak hand in hand. Kwalitatief goede en zuinige aggregaten kom je vaak tegen op schepen en jachten. De keuze in brandstoffen is groot: van de fossiele brandstoffen komen diesel , aardgas, propaan en LPG in aanmerking. Benzine niet vanwege de hoge verbruikskosten. Verder zijn er voor de puristen de biobrandstoffen: bio-olie, biogas en houtgas. Biodiesel en bio-ethanol laten we buiten beschouwing omdat het EROEI getal (Energy Return On Energy Input) van deze brandstoffen rond de 1 ligt, waarmee ze niet interessant en eerder hypocriet zijn. Bio-olie vraagt om nogal wat landbouwgrondoppervlak, hetgeen de kostprijs opdrijft. Een elegantere oplossing is de olie eerst een nuttige voedseltoepassing te geven en pas de afgewerkte olie te verbranden in een motor. De motor vraagt om enige aanpassingen, zoals het voorverwarmen van de olie, andere afstelling van timing en verstuiverdruk. Ombouwsetjes zijn gewoon in de handel verkrijgbaar. Biogas is zeker een volwaardige brandstof als organisch afval de bron is. Het fermentatieproces is gevoelig en vraagt om een omvangrijke installatie. Alleen weggelegd voor degenen met ruimte, kennis en ervaring. Houtgas is een intrigerende brandstof. Het vraagt om een thermische raffinaderij. Hout is een zeer toegankelijke brandstof, maar het moet op specifieke afmetingen teruggebracht zijn, wil het een bruikbaar schoon gas met constante opbrengst leveren. Voor kleinere vermogens (<5 kWe) is het proces lastig betrouwbaar te krijgen. Vanaf 15 kWe behoeft de installatie geen continue bemanning. Maar dan spreken we niet meer over kleinschalig. Zeker niet gezien de enorme hoeveelheid hout die geoogst en verwerkt moet worden.

WarmteKrachtKoppeling

WKK is een uitbreiding van het hoofdstuk Stroomaggregaat. Zowel de stroom als de vrijkomende warmte krijgen een nuttige toepassing. Van de motor ontneemt men de warmte van koelvloeistof, olie en uitlaat. In geval van houtgas kan men ook de warmte van de houtgasgenerator afnemen. Meestal is elektriciteit bij een WKK het bijproduct. De warmtevraag dimensioneert de installatie. Immers, meestal laat een overschot aan stroom zich eenvoudiger betaald “dumpen”, dan warmte. WKK is een mooie manier om efficiënt om te gaan met brandstof. Helaas zijn de kleine installaties net zo complex als de grote en daardoor minder toegankelijk voor de particulier. Er zijn CV ketels op de markt die ook stroom produceren. Duur, veel onderhoud, storingsgevoelig en herrie zijn veel genoemde nadelen die deze micro WKK’s nog niet erg populair maken. De aanschaf- of bouwkosten van een WKK zijn hoog, terwijl de variabele kosten blijven bestaan. De volgende drie mogelijkheden hebben geen variabele kosten, omdat het “oogstmachines” van gratis energie zijn. Helaas hebben ze één gemeenschappelijk nadeel ten opzichte van generatoren: ze kunnen niet op wens leveren.

Waterkrachtenergie

Voor de gelukkigen die bij een beek of rivier met enig verval wonen, is dit de meest efficiënte manier van eigen stroomproductie. En het is de meest constante onder de “oogstmethodes”. In de lage landen is water genoeg, echter meestal zonder een groot verval. Het is daarom slechts voor een enkeling weggelegd. Het principe is simpel: water stroomt door een turbine en zet het turbinewiel in beweging. Dit wiel drijft een generator aan. De generator kan direct netstroom leveren of een middels een lage spanning accu’s vullen. Een omvormer zet deze lage gelijkspanning om in bruikbare netspanning.

Zonne-energie

Inmiddels de meest verbreide manier van zelfopwek. Zeer toegankelijk vanwege het ruime aanbod, acceptabele prijzen en de “plug, play and forget” oplossing. De zonnepanelen vinden meestal een vergunningsvrije plek op een dak. Een paar kabeltjes trekken en vast stekkeren tussen de panelen en de zogenoemde omvormer. De omvormer maakt van de variërende paneelgelijkspanning een met de netspanning in de pas lopende, iets hogere wisselspanning en zie daar, de zon laat de meter teruguit lopen. Het grote nadeel van zonne-energie is de discontinuïteit. ’s Nachts heb je niets. ’s Winters slechts 10% van de zomeropbrengst. Het is zeker geen onafhankelijke manier van opwekking. Hooguit energieneutraal, gezien door het jaar. Zelfs het opslaan van zonne-energie in accu’s helpt je niet de winter door. En als het stroomnet uitvalt, gaat de omvormer veiligheidshalve op storing en heb je een dak vol panelen, maar geen stroom.

Windenergie

Wind is een constantere factor dan zon. Het waait zomer en winter, dag en nacht. Natuurlijk komen windstille periodes voor, maar deze zijn te overzien. Wel is de woonomgeving en de plek cruciaal. In de stad is windenergie niet interessant vanwege de turbulentie. Er zijn windarme streken, zeker verder landinwaarts. De opbrengst is tot de macht 3 afhankelijk van de windsnelheid. Met andere woorden: een tweemaal zo grote windsnelheid geeft achtmaal zoveel energie. Hoe hoger de turbine,des te meer je van windsnelheid kunt profiteren. Een vergroting van de wiekdiameter geeft kwadratisch meer opbrengst. Maar de hoogte van de turbine en de diameter van de wieken zijn vaak door gemeentelijke regelgeving beperkt en doen zo de menig initiatief teniet. Het aanbod van kant en klare windturbines is klein, hetgeen de prijs niet ten goede komt. Opbrengstcijfers zijn zeer geflatteerd. Zelfbouw is goed te doen voor iemand met twee rechter handen en maakt dat de investering nog ooit terug te verdienen is. Omdat windenergie een redelijk continu aanbod geeft, is buffering in accu’s mogelijk. De drie oogstmethodes zijn de meest “luie” manieren van stroomopwekking, omdat je ze zelf niet hoeft te voeren met brandstof. Een niet onbelangrijke factor. Je kunt kiezen voor een manier die wel om een brandstof vraagt, maar besef dat het dag in dag uit bezig zijn met voederen, bewaken en onderhouden, vroeg of laat gaat vervelen.

Netinvoeding

Ofwel het terugleveren van elektriciteit. Op particulier niveau gaat het in hoofdzaak om het terugleveren van overschotten. Met name de grillige zonne-energieopbrengst maakt hier dankbaar gebruik van. In feite gebruik je het net als een grote buffer. Het is financieel veel efficiënter dan opslag in accu’s, die naast een hoge aanschafprijs ook een eigen -lager- rendement kennen. Netbuffering kost een paar procent rendement, terwijl accu’s maar 50 tot 80% terug geven van wat je erin gestopt hebt. Het salderen van het verbruik kan direct met een ouderwetse draaischijf (Ferraris) meter. Moderne digitale meters registreren verbruik en teruglevering apart. Het wachten is op een wetswijziging, zodat digitale meters verplicht worden en netbeheerders transportkosten niet meer gaan vergoeden…. Bezitters van WKK’s kunnen te zijner tijd, als de slimme meters verplicht worden en stroomtarieven door de dag gaan wisselen, terug gaan leveren als de stroom het duurst is.

Eilandbedrijf

Ook wel autonoom bedrijf genoemd. Alle elektriciteit wordt door de opwekker zelf verbruikt. Een methode die bijna uitsluitend toepassing vindt als aansluiting met het reguliere stroomnet onmogelijk is. Het is een zeer kostbare en complexe manier van opwekking en gebruik, omdat meer dan de in het groot gebruikte componenten nu op microschaal ook aanwezig moeten zijn. Want meestal gokt de gebruiker niet op één manier van opwekken. Waterkracht is de meest constante vorm. Aanvulling met een noodaggregaat samen met een acculader is dan voldoende. Een combinatie van zonne-energie, windenergie en een aggregaat komt vaker voor. Uiteraard altijd met een accupakket als buffer. Het teveel aan zelf opgewekte stroom is op te slaan in accu’s. Is er dan nog sprake van overproductie, dan kan de elektriciteit omgezet worden in warmte. Als zelfs nuttige warmte overbodig is, dan “knijpt”de regelaar de zonnepanelen en dumpt windstroom in verwarmingselementen en koelt deze warmte weg. Autonoom stroom draaien met alleen een aggregaat of WKK kan natuurlijk ook. Maar het betekent een aanslag op de levensduur van motor en generator. Heel goede, kostbare motoren draaien 30.000 uren zonder revisie, hetgeen toch elke 3,5 jaar een vervanging of revisie betekent. De kleintjes met spatsmering draaien na enkele duizenden uren kapot en zijn daarmee alleen nuttig als back-up.

Terugverdientijd

Kleinschalig stroom draaien met een aggregaat laat zich nooit terugverdienen. Een WKK daarentegen wel. Aan schattingen wagen we ons niet. Die is per situatie anders. Geldt trouwens voor alle methodes. Waterkrachtenergie biedt de allerhoogste EROEI en is daarmee waarschijnlijk het snelst terug te verdienen. De prijzen van zonnesystemen zijn de laatste jaren fors gedaald. Terugverdientijden van minder dan 10 jaar zijn mogelijk. Voor kleinschalige windenergie ligt de terugverdientijd behoorlijk hoger en te vaak is de investering nooit terug te krijgen, omdat de windturbine niet op een windrijke plaats kan staan. Over de terugverdientijd van autonome systemen met accu-opslag kunnen we kort zijn: eeuwig. Accu’s zijn kostbaar, slijten en geven een rendementsverlaging van tot wel 50%. Accu’s zijn eerder versleten dan de installatie is terugverdiend.

Conclusie

Zelfopwek is tegenwoordig heel goed mogelijk. Zonnepanelen, windturbines en aggregaten zijn met een druk op de knop verkrijgbaar. Zelfopwek is zelfs rendabel als er sprake is van netinvoeding. Men neemt in dat geval genoegen met een besparing op de stroomrekening of misschien zelfs met energieneutraliteit. Autonoom draaien gaat een stap verder en brengt tevens energieonafhankelijkheid. Maar dat komt wel met een prijs. De installatie is veel complexer en daarmee duurder. Vooral het altijd de gewenste hoeveelheid stroom ter beschikking te willen hebben vraagt om dure opslag of een extra aggregaat. De belangrijkste vraag die een zelfopwekker zich daarom eerst moet stellen is: “Hoeveel kan ik mijn verbruik minderen?” Als zelfopwekking geboren is uit het streven onafhankelijk te willen zijn, dan moet hij beseffen dat hij voor zijn verbruikers (en opwekkers!) evengoed afhankelijk blijft van wat fabrikanten hem leveren. En zo blijft zelfopwek maar een halve oplossing….

Componenten

Motoren, toerenregelingen, motorbeveiligingen

De gebruikte motoren voor aggregaten en WKK’s zijn meestal van het type viertakt. De allerkleinste campingaggregaatjes hebben tweetaktmotoren en zijn slechts goed voor wat noodverlichting en misschien een kleine diepvriezer. Zowel luchtkoeling als waterkoeling komen voor. Waterkoeling is met name interessant in geval van WKK. Zeer kleine motoren met waterkoeling zijn helaas zeldzaam. De grootte van de motor vertaalt zich meestal in het aantal cilinders. Meercilinders zijn voor particulier gebruik meestal overbodig, maar bijvoorbeeld schippers kiezen voor een lange levensduur, minder herrie en een schone spanning. Meercilinders gaan nu eenmaal langer mee dan eencilinders. De meeste eencilinders draaien 3.000 o/min, waardoor ze sneller slijten en veel kabaal maken. Een eencilinder (en zelfs een tweecilinder!) die maar 1.500 o.min draait, heeft een zeer groot vliegwiel nodig om eenparig te draaien en daarmee een strakke spanning te leveren. Zoniet, dan gaan gloeilampen knipperen. Verder onderscheiden we benzinemotoren, gasmotoren en dieselmotoren. Gasmotoren kunnen een benzinemotor als basis hebben of als levensduur van groot belang is, een dieselmotor. De laatste wordt dan voorzien van een lagere compressie en een ontstekingsmechanisme. De dieselpomp vervalt. Alle aggregaatmotoren zijn voorzien van een toerenregeling om het ingestelde toerental en daarmee de spanning en frequentie constant te houden. Meestal zijn dit mechanische inrichtingen met ronddraaiende centrifugaalgewichten. Daalt het toerental, dan slingeren de gewichtjes minder ver naar buiten en duwen zo middels een stang de gasklep of dieselplunjers verder open, totdat het toerental weer op het oude niveau is. Bijna alle industriemotoren -zelfs simpele grasmaaiermotoren- zijn ermee uitgerust. Zelfbouwers die gebruik maken van automotoren lopen tegen een probleem, want automotoren kennen deze regulateurs niet. Een cruise-control schijnt niet accuraat genoeg te zijn. Losse mechanische toerenregelaars zijn lastig te vinden en vragen om extra tijd en moeite om ze op te bouwen en af te stellen. Motoren die veel uren onbewaakt draaien zijn voorzien van een motorbeveiliging die de koelwatertemperatuur en de oliedruk bewaakt. Meestal is het een standaard voorziening, die echter in geval van zelfbouw niet vergeten mag worden. Met een relais en een stopmagneet is het een relatief eenvoudige klus. Zie ook Schema’s.

Generatoren, dynamo’s

Standaard stroomaggregaten zijn bijna zonder uitzondering uitgerust met een synchroon generator. Deze houdt met behulp van een zogenaamde spanningsregelaar de geleverde spanning constant, onafhankelijk van de geleverde stroom. De regelaar varieert daartoe de veldstroom. Moderne generatoren hebben elektronische spanningsregelaars, bij de wat oudere kom je ook traforegelingen tegen. De laatsten werken wat grover, maar zijn erg degelijk. Synchroon generatoren kunnen van het moderne borstelloze type zijn. In de types met koolborstels kennen we twee soorten: stroomafname vanaf het anker middels forse sleepringen en borstels of veldopwekking via het anker door kleine borstels en sleepringen. Borstels zijn onderhevig aan slijtage. Anderzijds bevatten borstelgeneratoren doorgaans erg weinig gevoelige elektronica. De asynchrone motor of kortsluitankermotor is ook als generator te gebruiken. Voor netinvoeding is het de aangewezen manier, omdat de motor rechtstreeks aan het net gekoppeld is. Uiteraard met uitgebreide beveiligingen! Als de aandrijfmotor de asynchrone motor door het nominale toerental heen trekt, dan gaat de laatste als generator werken en stroom leveren aan het net. Komt het toerental beneden het nominale, dan gaat de elektromotor de verbrandingsmotor aandrijven. Als de asynchrone motor voorzien is van de juiste condensatoren, dan kan deze ook als eenvoudige autonome generator werken. Alleen de spanning is wat minder stabiel dan bij een sychroongenerator. Generatoren in kleine windturbines zijn vaak uitgerust met permanente magneten. Nadeel is de afwezigheid van een geregelde veldstroom, waardoor met het toerental ook de spanning toeneemt. Voordeel is de eenvoud en de afwezigheid van een rendement consumerende veldopwekking. Vanwege het laatste is een autodynamo af te raden voor windturbines. Het veld verbruikt continu een kleine stroom, ook als de turbine stilstaat. Voor kleine turbines kan dit een groot deel van de opbrengst teniet doen. Er zijn natuurlijk elektronische oplossingen om dit nadeel te verhelpen. Een ander nadeel van een autodynamo is de benodigde energie vretende overbrenging. De geleverde wisselstroom van een permanent magneet (PM) generator wordt gelijkgericht door een diodebrug. Het accupakket volgt direct na de gelijkrichtbrug en begrenst de geleverde spanning. De accu’s gaan als een rem op de spanning werken, waardoor het toerental van de generator niet veel verder kan oplopen terwijl de stroom richting accu’s vloeit. Bij te sterke wind zou de generator teveel stroom gaan leveren als er geen vermogensbeperking zou zijn in de vorm van wiekverstelling of het uit de wind draaien van de generator.

Bio-olie

Biogas

Houtgas

Zie ook Houtvergassing. Voor zelfopwek is houtgas een keuze die zeer goed overwogen moet zijn. De zelfbouw van een houtgasgenerator kost veel geld en tijd. Kant en klaar bouwplannen zijn er niet. Er zijn Amerikaanse leveranciers die kant en klare installaties compleet met stroomaggregaat leveren; reken op een investering van enkele tienduizenden euro’s. Het mechaniek is maar één aspect. Er zijn flinke hoeveelheden hout nodig. Dit hout moet op de juiste maten afgekort en gezeefd zijn. En gedroogd tot een vochtgehalte van ongeveer 10%. Als vuistregel mogen we stellen dat elke kilo in de buitenlucht gedroogd hout ongeveer 0,8 kWh elektrische en ruim 3 kWh thermische energie brengt. Installaties kleiner dan ongeveer 5 kWe zijn lastig betrouwbaar te krijgen en vragen permanente aandacht van een machinist. Opstellingen groter dan 15 kWe en daarmee amper nog particulier te noemen, kunnen wel zonder continue persoonlijke bewaking. Een 5 kWe installatie is bovendien slechts een fractie goedkoper dan een 15 kWe machine, omdat beide machines dezelfde hoeveelheid onderdelen bevatten. Samengevat is het een manier voor een grootverbruiker die ruim in het hout zit, of voor een purist (masochist?) die houtgas als enige hobby heeft.

Netkoppeling

Warmtewisselaars

Waterkrachtgeneratoren

Zonnepanelen

Windturbines

Omvormers

Accu’s

Ondanks het tegenwoordig ruime aanbod van accu’s gemaakt met behulp van zeldzame metalen, beperkt de zelfopwekker zich meestal tot de aloude loodzuur accu. De prijs/kwaliteit/levensduur verhouding is bij de lood/zuur accu acceptabel. Het nadeel dat ze zwaar zijn telt niet voor stationaire opstellingen. Andere types gaan niet perse langer mee, maar zijn wel wat efficiënter. We kennen ook nog de nikkel/ijzer accu (Edison batterij) die zomaar de honderd jaar meegaat, niet verslijt, maar erg duur en matig efficiënt is. De gelversie van de lood/zuuraccu is tegenwoordig erg in. Ze zouden lang meegaan en onderhoudsvrij zijn. Ze kunnen echter niet tegen langdurige overlading en vragen om speciale spanningsregelaars. De meeste zogenaamde off-gridders kiezen daarom nog steeds voor de aloude loodaccu met vuldop.

Spanningsregelaars

Dataloggen

Schema’s