De basis: capaciteit en vermogen van een thuisbatterij
Kleine of grote fles met smalle of wijde hals
Zelf vind ik de analogie met een kleine of grote fles met smalle of wijde hals mooier:
- De capaciteit is als de grootte van een fles: hoe groter, hoe meer water erin kan. Gemeten in liters inhoud. Een pakje appelsap heeft een kleinere capaciteit dan een 2-liter-melkcontainer.
- Het vermogen vergelijk ik met de grootte van de flessenhals waar het vocht doorheen moet. Hoe groter de diameter daarvan, hoe sneller je het sap of de melk eruit kunt laten stromen, bijv. in liter per minuut. Het rietje in het drinkkartonnetje heeft een kleiner vermogen dan de wijde opening van de 2-liter-container.
Met een thuisbatterij is het simpel voorgesteld net zo.
- De capaciteit van een thuisbatterij in kilowattuur of kWh is de maat voor hoeveel elektrische energie de batterij maximaal kan bevatten;
- Het vermogen in kilowatt of kW is de maximale snelheid waarin die elektriciteit eruit gehaald of erin gestopt kan worden.
En wat betekenen termen als spanning, stroomsterkte en energie dan? De werkelijkheid is dat het voltage samen met de ampère het vermogen bepalen. (Voltage maal ampère is vermogen).
In de flessenanalogie is dus eigenlijk de stroomsterkte in ampère de diameter van de flessenhals en of er in de fles geknepen wordt, de spanning in volt. Denk maar aan je kind dat hard knijpt in z’n pakje appelsap, dan spuit het uit het rietje.
Tabel: Wateranalogie elektriciteitstermen
| Elektrische term | Eenheid | Water Analogie |
| Energie | kWh | Totale hoeveelheid water in de fles vaak ook capaciteit genoemd |
| Vermogen | kW | Stroomsnelheid van het water (bijv. liters/seconde) |
| Spanning | Volt (V) | Druk van het water; spuit het uit het rietje als je knijpt of niet? |
| Stroomsterkte | Ampère (A) | Volume water dat per seconde kan stromen (debiet) |
| Capaciteit | Ah | Totale hoeveelheid water (andere maat voor energieopslag) |
Voorbeeld: capaciteit en vermogen bij een waterkoker en een warmtepomp
Stel je hebt een thuisbatterij van 1 kWh. Met die 1 kWh capaciteit kan je bijvoorbeeld een waterkoker met een vermogen van 1000 watt (=1 kW) een uur oftewel 60 minuten vol laten draaien.
Als je een warmtepomp met 10 kW vermogen hebt zal deze diezelfde thuisbatterij tien keer zo snel leegtrekken: in 6 minuten. Dit onder de voorwaarde dat de omvormer van de thuisbatterij dit vermogen óók kan leveren, want misschien heeft die een kleiner vermogen. De omvormer is immers de flessenhals van de batterij.
Laten we teruggaan naar de verschillende doelen waarvoor je een thuisbatterij zou willen nemen.
Verhouding capaciteit en vermogen thuisbatterij
De capaciteit van een thuisbatterij zit hem in het aantal batterijmodules. Het vermogen zit hem in de zwaarte van de omvormer en indirect in je netaansluiting en of dit een 1-fase- of 3-fase-aansluiting is. Dat is de flessenhals van het net.
Een hele grote capaciteit van 22 kWh op een 1-fase-aansluiting met ook een kleine 2 kW omvormer snijdt geen hout: het zou eeuwen duren om de batterij te vullen. Alsof je een olympisch zwembad met een tuinslang vult.
En andersom, een kleine thuisbatterij van bijv. 3 kWh op een 3-fase aansluiting met een omvormer van 9 kW is ook uit verhouding: dan is de batterij in een mum van tijd vol. Alsof je een opblaaskinderbadje vult met een brandslang.
De verhouding 3:1 is standaard: een thuisbatterij met een capaciteit van 3 kWh heeft een omvormer nodig met een vermogen van 1 kW, etc. Maar dat is nog niet het hele verhaal. De c-rate en de efficiency van de omvormer worden bepaald door het percentage waarop de omvormer moet draaien bij gevraagd vermogen.
C-rate: de snelheid waarmee batterijcellen geladen of ontladen kunnen worden
De c-rate geeft aan in hoeveel tijd een batterijcel geladen of ontladen kan worden. De ‘c’ in c-rate staat voor capacity of capaciteit. Soms is de c-rate gelijk voor zowel laden als ontladen, meestal niet. De c-rate gaat dus over de cellen in een thuisbatterij. De c-rate van een batterij als geheel bestaat niet, al praat men er vaak wel zo over.
De c-rate geeft aan hoe snel een batterij theoretisch kan laden of ontladen ten opzichte van haar capaciteit. Dat bepaalt dus vooral de verhouding tussen vermogen en capaciteit:
- Een lage c-rate betekent dat de omvormer van de batterij ontworpen is voor langduriger, rustiger laden en ontladen. Ideaal voor zelfverbruik;
- Een hoge c-rate betekent dat de omvormer van de batterij kortdurend hogere vermogens aankan. Let op dat woordje ‘kortdurend’. Ideaal voor snel onbalans-handelen.
C-rate en piekbelasting
Bij onbalanshandel wordt vrijwel nooit langdurig met maximaal vermogen geladen of ontladen, maar juist met korte pulsen van enkele minuten. In dat soort situaties is dus vooral het piekvermogen bepalend voor het resultaat, niet de c-rate. De c-rate bepaalt dan meer hoelang de batterijcellen dat vermogen kunnen volhouden voordat ze vol of leeg zijn.
- Een c-rate van 1 geeft aan dat de volledige capaciteit in 1 uur van nul naar 100% kan gaan.
- Een c-rate van 0,5 geeft aan dat dit 2 uur kost.
C-rate laden en ontladen verschillend?
Als fabrikanten in hun specificaties de c-rate al benoemen, dan is het vaak één getal voor zowel laden als ontladen. Maar als we (versimpeld) naar de chemie van een batterij kijken dan gebeurt er het volgende:
- Bij het opladen gaan er ionen van de kathode naar de anode.
- Als de batterij bijna vol is duurt het langer vóór alle ionen een plekje hebben gevonden, zoals je op een volle parkeerplaats wat langer rondrijdt vóór je een leeg plekje tegenkomt. De c-rate neemt dus af, naarmate de SoC stijgt;
- Bij het ontladen gaan ionen weer terug van de anode naar de kathode.
- Naar analogie van de parkeerplaats, waar je meteen kunt wegrijden, kunnen de ionen de anodekant gemakkelijk weer verlaten. Dus de c-rate blijft min of meer gelijk bij welke SoC staat dan ook;
- In werkelijkheid zal, bij een zeer lage SoC kleiner dan 10%, door lagere spanning en hogere weerstand ook de c-rate verlaagd worden.
Invloed van de c-rate op de laadtijd, verhouding capaciteit en vermogen
Je let in eerste instantie op de capaciteit (grootte fles) en vermogen (diameter hals). Achter de schermen speelt de c-rate in het vermogen voor langdurig laden of ontladen een grote rol. De c-rate speelt in de piekbelasting geen rol: kortstondig, denk aan enkele minuten, kan de omvormer van de batterij een hoger piekvermogen aan dan de c-rate theoretisch toestaat.
Voor het laden of ontladen over een langere periode (1–2 uur of meer) bepaalt de laagste van de twee waarden (de zwakste schakel in de ketting), c-rate of omvormer-vermogen, de snelheid waarmee de batterij van 0% naar 100% zou kunnen gaan.
Voorbeelden van de impact van de c-rate op de laad- en ontlaadtijd
Om het allemaal nog wat duidelijker te maken volgen hier vier combinaties van thuisbatterijcapaciteit, vermogen en c-rate en de impact op de laadtijd.
Zonder rekening te houden met een eventuele beperkende factor van de c-rate (in feite reken je dan met c-rate=1), denk je dat een thuisbatterij met een grootte van 10 kWh en een 5 kW vermogen omvormer er 2 uur over doet om van 0% naar 100% te laden.
Stel je nu voor dat de c-rate = 0,2. In de verhouding 10 kWh capaciteit tot 5 kW vermogen van 2 staat tot 1, staat die c-rate van 0,2 dus in de weg. De werkelijke laadtijd is nu 5 uur:
Stel je nu voor dat de c-rate = 1. In de verhouding 10 kWh capaciteit tot 5 kW vermogen van 2:1, staat die c-rate van 1 dus niet in de weg. De werkelijke laadtijd is nu 2 uur. Ook een c-rate = 0,5 was al voldoende geweest voor de laad- of ontlaadtijd van 2 uur:
Stel je nu voor dat de c-rate = 1 blijft maar het vermogen toeneemt. In de verhouding 10 kWh capaciteit tot 10 kW vermogen van 1:1, staat die c-rate = 1 dus niet in de weg. (Als in dit geval de c-rate niet 1 maar 0,5 zou zijn, zou de c-rate weer wel in de weg zitten en de laadtijd weer toenemen naar 2 uur). De werkelijke laadtijd bij de c-rate = 1 is nu 1 uur:
BMS voorkomt te hoge c-rate piekbelasting
Wat betreft slijtage: langdurig boven de nominale c-rate laden of ontladen kan op termijn leiden tot snellere slijtage, maar dat gebeurt in de praktijk niet. De omvormer en de batterij-BMS begrenzen het vermogen automatisch om dat te voorkomen. In normale bedrijfsvoering blijft het systeem dus altijd ruim binnen de veilige marges.
Is groot vermogen thuisbatterij met hoge c-rate dan ideaal?
Het antwoord op de vraag hierboven is: niet per se. Voor het handelen op de onbalansmarkt is meer snelheid beter. Als je thuisbatterij sneller reageert met een hoog vermogen bij een c-rate die dit toestaat, verdien je meer.
Maar een thuisbatterij met hoog vermogen die een groot deel van de tijd in eigenverbruik draait, werkt heel inefficiënt. In het kort zit dat zo: 80 à 90% van de tijd verbruik je thuis niet meer dan 400 watt per uur. Een omvormer wordt, als deze draait onder 50% van zijn maximale vermogen, erg inefficiënt. Erg inefficiënt betekent dit: je hebt dan bijv. 180 watt nodig uit je batterij om 100 Watt te kunnen leveren aan je huis. Je verliest 80 watt van de 180 watt in de omvormer! En dat 80% van de tijd.
Zie voor meer uitleg in de paragraaf ‘Voorbeeld: verliezen bij 100 watt ontladen’.
Ideaal zou dus één thuisbatterij met hoog vermogen en c-rate voor handelen zijn, en een andere batterij met laag vermogen en dito c-rate voor efficiënt eigen gebruik om de kosten van levering aan het net te vermijden of te verlagen.
Stel, je begint enthousiast met een hoog vermogen thuisbatterij maar de markt voor onbalans valt weg (te veel erg grote bedrijven en batterijparken stabiliseren genoeg) – en die tekenen zijn er al -, dan kun je geen winst meer halen op deze markt.
Dus als die markt wegvalt en je bent genoodzaakt om je thuisbatterij op zelfvoorziening in te zetten dan heb je een duurdere thuisbatterij met te veel vermogen en verlies je stroom aan een inefficiënt proces.
Niemand kan in de toekomst kijken maar ik zou niet alleen op het onbalans-paard wedden.
De moraal van het verhaal: let op de c-rate in verhouding tot capaciteit en vermogen.
Thuisbatterijen met hoge vermogens werken zeer inefficiënt als ze onder de 50% van hun maximale vermogen moeten werken. Voor handelen of goedkoop inkopen zijn hogere vermogens wel weer belangrijk.
Oplossingen: balans tussen hoog vermogen handelen en efficiëntie eigen gebruik?
Ideaal zou natuurlijk een thuisbatterij zijn die bij lage consumptie efficiënt blijft doordat er maar een klein deel van het vermogen van de omvormer aangesproken hoeft te worden, en dat deze toch op hoog vermogen in korte tijd kan kopen en verkopen. Daar zijn ook oplossingen voor. Namelijk door twee of meerdere systemen met elk een eigen kleine omvormer aan elkaar te koppelen. Je krijgt dan het beste van twee werelden!
- Capaciteit 2 x 5 kWh, vermogen (2x 2kW) en c-rate (0,2). Op basis van het vermogen van 4 kW en de capaciteit van 10 kW zou je deze thuisbatterij als geheel in 2,5 uur vol kunnen laden. Helaas gooit de c-rate van 0,2 roet in het eten. De c-rate van 0,2 bepaalt dat het volledig laden of ontladen van 0 naar 100% 5 uur duurt. Dus rustig laden in 5 uur. Als je wil handelen, kun je wel bijv. kortstondig in het kwartier met onbalans of lage dynamische prijzen 1 kWh laden met 4 kW vermogen van de omvormer zonder dat de c-rate in de weg zit. En de batterij blijft erg efficiënt in eigen gebruik: als er 400 watt gevraagd wordt, gaat de ene helft van het batterijsysteem met het vermogen van 2 kW op 20% van het vermogen draaien;
- Capaciteit 2 x 5 kWh, vermogen (12 x 0,64 kW = 7,68 kW) en c-rate (0,7). Op basis van het vermogen van 7,68 kW en de capaciteit van 10 kW kan deze thuisbatterij als geheel in 1,3 uur volgeladen worden. De c-rate van 0,7 is daarmee in overeenstemming. Als je wil handelen, kun je met hetzelfde vermogen wel bijv. kortstondig in het kwartier met onbalans of lage dynamische prijzen bijna 2 kWh laden met 7,68 kW vermogen van de omvormers zonder dat de c-rate in de weg zit. En de batterij blijft erg efficiënt in eigen gebruik: als er 400 watt gevraagd wordt, gaat één deel van het batterijsysteem, met een vermogen van 0,64 kW, op 60% van dat vermogen draaien.
Moraal van het verhaal: weet waarvoor je de thuisbatterij wil inzetten en stem de verhouding capaciteit, vermogen en c-rate daarop af!
Stapelbare batterijen verhogen alleen de capaciteit met een extra module zonder het vermogen van de omvormer uit te breiden. Maar je kunt natuurlijk ook twee kleine thuisbatterijmodules met elk een eigen omvormer neerzetten. Bij laag eigen gebruik in de nacht, draait maar één van de twee omvormers, om de 400 watt efficiënt uit de batterij te halen.
Extra capaciteit die per extra batterij-module hun eigen omvormer meebrengen verhogen ook de efficiëntie van je eigen verbruik terwijl de handelscapaciteit toeneemt. Of andersom: omvormers die uit vele kleine omvormers bestaan, zijn én efficiënt voor eigen gebruik en snel voor handelen.
Nominaal, piek, laad- en ontlaadvermogen
En om het nog wat ingewikkelder te maken: vaak gebruiken fabrikanten in hun datasheet één waarde voor het vermogen van de batterij. Dan is dan meestal het gemiddelde nominale vermogen. Maar of dat dan over het laadvermogen gaat, of over het ontlaadvermogen, of over beide – dat blijft onduidelijk. Bovendien heb je naast het nominale vermogen ook nog het piekvermogen: het maximale vermogen dat de batterij gedurende een korte tijd kan leveren, zoals bij het opstarten.
Vermogen en rendement: Round Trip Efficiëntie (RTE) energieverlies
Weinig mensen beseffen dat de efficiëntie van omvormers sterk afhangt van de verhouding tussen hun vermogen en de hoeveelheid die ze leveren. Onder de 50% van het vermogen daalt de efficiëntie dramatisch, met tientallen procenten.
Meer algemeen: Als een omvormer met hoog nominaal vermogen relatief weinig watt levert, dan gaat er veel energie verloren.
Uit de dataset van Schlemminger et al. via HTW Berlin, blijkt dat huishoudens 80 tot 90% van de tijd minder dan 400 W aan vermogen nodig hebben. Alleen tijdens pieken bij bijv. koken of het gebruik van de warmtepomp, is er ineens veel meer vermogen nodig.
De RTE, de Round Trip Efficiency, geeft aan hoe efficiënt in procenten een thuisbatterij is. De RTE van een thuisbatterij wordt altijd bij optimale omstandigheden in de datasheets opgenomen. En dus niet voor de 80% van de tijd dat je thuisbatterij op een laag pitje draait.
Lees hier meer over in het hoofdstuk over ‘Round Trip Efficiency, de RTE’.
