Energiebuffers verbinden sectoren, maar wat verbindt energiebuffersystemen? Het belang van innovatieve aansluittechniek voor de veilige werking van energiebuffersystemen en voor de realisatie van de All Electric Society.

Energiebuffersysteem accu in containerontwerp

In het kort

Stationaire energiebuffersystemen zijn een onmisbare schakel in de sectorkoppeling. Hun veiligheid en betrouwbaarheid hangen niet in de laatste plaats af van de gebruikte elektrische aansluittechniek. Die techniek zorgt voor een storingsvrije vermogens- en dataoverdracht.

Energiebuffers in de All Electric Society

Het tegengaan van klimaatverandering en het verminderen van geopolitieke afhankelijkheden zijn de belangrijkste kwesties van onze tijd. Het idee van een All Electric Society met daarbinnen sectorkoppeling biedt mogelijke oplossingen. Het gaat erom onze maatschappij, gebouwen, productiefaciliteiten, maar ook mobiliteit en infrastructuur energie- en informatietechnisch in een netwerk te integreren. In de All Electric Society gebeurt dit op basis van hernieuwbare energiebronnen die oneindig beschikbaar zijn en geen schadelijke uitstoot produceren.

Wind- en zonne-energie zijn niet constant beschikbaar. De moderne maatschappij hongert echter constant naar energie, 24 uur per dag. Een stabiele levering kan alleen worden bereikt als er voldoende overtollige energie tussentijds opgeslagen kan worden, zodat die indien nodig op een later tijdstip weer beschikbaar kan worden gesteld – bijvoorbeeld via energiebuffersystemen accu.

Batterijmodule met batterijcellen en balancing-printplaat

Opbouw en werking

Afhankelijk van de capaciteit worden deze stationaire systemen ondergebracht in apparaatbehuizingen, schakelkasten of zelfs containers. De modulaire basisopbouw is echter altijd hetzelfde. Er zijn drie soorten elektrische aansluitingen: de vermogensverbinding, de signaalverbinding en de dataverbinding, die synoniem is voor de overdracht van energiestromen, analoge signalen voor de bewaking en besturing en digitale signalen.

De kleinste eenheid van een batterij-energiebuffer is de batterijcel, het eigenlijke opslagelement. Veel van deze cellen worden gecombineerd in een batterijmodule en elektrisch met elkaar verbonden (vermogen). Een elektronische schakeling zorgt voor een evenwichtige laad-/ontlaadstatus voor alle cellen. Dit wordt cel-balancing genoemd (signalen). Temperatuursensoren bewaken het thermische gedrag van de cellen (signalen).

Batterijhouder met Power Control Unit en batterijmodules

Batterijhouder bestaande uit Power Control Unit op de bovenste positie en meerdere batterijmodules

Verschillende batterijmodules worden gecombineerd tot één bufferkast en op vermogensniveau aangesloten. Alle modules wisselen informatie (data) uit met elkaar en met de controle-eenheid van de bufferkast, de zogenaamde Power Control Unit (PCU). Om bijvoorbeeld externe sensoren aan te sluiten, hebben zowel batterijmodules als PCU's vaak naast vermogens- en data-aansluitingen ook signaalinterfaces.

Modulaire opbouw van het energiebuffersysteem

In het systeem zijn verschillende bufferkasten op de drie eerder genoemde niveaus vermogen, signalen en data onderling verbonden. De overkoepelende besturing op het hoogste niveau is het systeembeheer. Hier komen alle elektrische aansluitingen van de bufferkasten weer bij elkaar. Het bevat ook de externe interfaces van de energiebuffer. De energie wordt via vermogenselektronica uitgewisseld met het elektriciteitsnet. Signalen van verschillende hulpaggregaten komen samen in het systeembeheer, bijvoorbeeld voor het brandblussysteem. Het systeembeheer communiceert met de netwerkbeheerder en met de dienstverleners die toegang hebben tot de buffer via overeenkomstige dataverbindingen.

De bloedsomloop van de energiebuffer

De elektrische aansluitingen binnen de energiebuffer kun je zien als het zenuwstelsel en de bloedsomloop van het systeem. Energiestromen komen overeen met de bloedsomloop, waardoor levensenergie wordt getransporteerd, signalen naar onze zintuigen – bijvoorbeeld voor temperaturen, gassen en optische indrukken. De datalijnen worden gebruikt om informatie uit te wisselen, vergelijkbaar met de zenuwen. Als er iets mis is met zijn bloedsomloop of zenuwstelsel, dan voelt deze persoon zich niet goed en wordt hij ziek. Dit is vergelijkbaar in het energiebuffersysteem. Fouten in de elektrische aansluitingen veroorzaken systeemstoringen en -uitval en kunnen bij een bepaalde constellatie zelfs leiden tot een crash van het hele systeem.

Voorbeeldfouten in de aansluittechniek

Drie voorbeelden laten zien hoe belangrijk aansluittechniek is, te beginnen met de vermogensbedrading:

In veel gevallen wordt een klassieke schroefverbinding gebruikt om batterijmodules op vermogensniveau aan te sluiten. Maar schroefverbindingen kunnen onder ongunstige omstandigheden losraken. Als er omissies optreden bij de eerste aansluiting of bij later onderhoud, zal dit leiden tot een verhoogde overgangsweerstand. Dit komt in het beste geval tot uiting in warmteverliezen, maar in het slechtste geval in ernstige oververhitting, die zelfs tot het in brand vliegen van een buffer en daardoor tot beschadiging van het hele systeem kan leiden.
Een typische signaalverbinding is de aansluiting van een stroomsensorkabel op een printplaat. Die worden vaak rechtstreeks gesoldeerd, met het risico van zogenaamde koude soldeerverbindingen in combinatie met blootliggende kabeleinden. Dit resulteert in onjuiste signaalinformatie, bijvoorbeeld te lage gemeten stromen. Door te hoge laad- en ontlaadstromen veroudert de batterij veel sneller.
Dataverbindingen worden vaak met patchkabels tot stand gebracht, d.w.z. insteekbare kabels. Als men hier niet op de kwaliteit in de zin van bijvoorbeeld nauwe maattoleranties en hoogwaardige contactoppervlakken let, kunnen er fouten optreden tijdens de dataoverdracht. Die leiden tot systeemstoringen of zelfs systeemuitval en in het ergste geval zelfs tot schade aan de hardware.

Aansluittechniek voor energiebuffersystemen

Innovatieve aansluittechnieken voor vermogen, signalen en data voor gebruik in energiebuffersystemen

Aanbevelingen voor de keuze van aansluittechniek

Hoe kunnen de hierboven beschreven fouten, die altijd leiden tot financiële verliezen voor de gebruikers van energiebuffers, worden vermeden? Voor vermogensaansluitingen moeten connectoren worden gebruikt als er geen gedefinieerde installatievoorwaarden kunnen worden gegarandeerd. Dat geldt dus voor vermogensaansluitingen die tijdens installatie en onderhoud moeten worden gemaakt.

Bij het aansluiten van vrije kabeleinden op printplaten kunnen innovatieve aansluittechnieken worden gebruikt in plaats van solderen. Snijaansluitingen vereisen bijvoorbeeld geen voorbehandeling van het adereinde en bieden – net als veeraansluittechnieken – veel comfort en maximale betrouwbaarheid. Bij data-aansluitingen definiëren de omgevingsomstandigheden de vereisten. IP-beschermde dataconnectoren zijn bijvoorbeeld ideaal voor hoge vervuilingsgraden of een vochtige omgeving, onder zware mechanische omstandigheden zijn industriële data-aansluitingen de beste keuze.

Conclusie

Ook voor energiebuffersystemen geldt: wie aan begin van een investering bespaart, betaalt uiteindelijk tijdens het gebruik meer. Bovendien worden deze apparaten en systemen vaak gebruikt in systeemrelevante toepassingen. Om de visie van een All Electric Society te laten slagen, is betrouwbaarheid daarom een belangrijke eigenschap. De elektrische aansluitingen spelen hier een doorslaggevende rol. Ze moeten veel aandacht krijgen.