Eén jaar Fotonenboer

Ruim één jaar boeren in de Achterhoek met een geavanceerd zonne-energiesysteem is een succes. Zonne-energie, opgewekt met panelen op het dak van de stallen van een melkveehouderij wordt opgeslagen in een enorme batterij. En er zijn meer plannen. Vanaf 2012 wordt de melkrobot gespoeld met warm water van een zonneboiler. En blauwig LED-licht in de stal is niet alleen zeer zuinig, de boer kan ook beter zien of de koeien nog gezond zijn.

Bij de oprit van het erf staat een melktap. Wie een euro in de automaat gooit, kan ruim een liter melk tappen in een bijgeleverde fles, vers van de koe. Melk, de witte motor. Het melkveebedrijf van Jan Borgman en Erna Roeterdink in het Gelderse Vierakker, bij Zutphen telt ongeveer honderd melkkoeien en een soortgelijke hoeveelheid jongvee. De koeien worden gemolken door twee melkrobots. Het scheelt Borgman de nodige tijd. “Als de koeien druk op de uiers voelen, lopen ze naar de melkrobot toe. De meest productieve koeien sjokken viermaal daags naar de cabine, bij anderen volstaat tweemaal. Ze zijn er aan gewend en worden beloond met wat extra brokjes krachtvoer.”

Loom wachten ze deze ochtend netjes in de rij op hun beurt in de grote ligboxenstal waar een aardig winterzonnetje doorheen schijnt. De melkrobot zoekt met laserpulsjes zelf zijn weg naar de spenen van de koe. Steeds meer boeren, vooral de grotere, nemen toevlucht tot de melkrobot. Het traditionele melken, ’s ochtends in alle vroegte en laat in de middag, behoort op deze bedrijven tot de verleden tijd. De agenda van de boer is minder rigide, en het is beter voor de koe, die immers zelfs bepaalt wanneer het tijd is.

Het unieke aan de robots van Jan Borgman is dat ze min of meer permanent draaien op zonne-energie. Nog mooier is dat deze duurzame energie ook in de avond beschikbaar is. Want een enorm batterijsysteem, kaliber zeecontainer, weet het teveel aan zonne-energie dat overdag is opgewekt tijdelijk op te slaan en af te geven op het moment dat het noodzakelijk is. Vanadium Redox-flow Batterij (VRB) heet het van origine Oostenrijkse systeem.

Batterij laadt en ontlaadt moeiteloos
Ruim één jaar mogen Borgman en Roeterdink zich de eerste ‘fotonenboer’ van Nederland noemen. Fotonen, lichtdeeltjes afkomstig van de zon, worden in de bekende blauwe zonnepanelen met silicium-zonnecellen omgezet in een elektronenstroom. In een proefproject dat in totaal zeven jaar in beslag gaat nemen, testen ze de voordelen van deze stap op weg naar zelfvoorzienendheid in energievoorziening op het boerenbedrijf. Deze chemische energie-opslag werkt naar behoren, zo is de conclusie. “Ik merk er niets van in mijn bedrijfsvoering”, zo vat Borgman samen. “De batterij laadt zich moeiteloos op als de zon schijnt en geeft stroom af als de zon wegvalt. Er treedt geen enkele slijtage op”, voegt Jeroen de Veth van Trinergie toe. De energiespecialist is als projectleider aangesteld door initiatiefnemers Stichting Courage en InnovatieNetwerk. Carel de Vries, programmadirecteur van Courage: “wij zoeken namens de melkveehouderijsector naar grensverleggende vernieuwingen voor de melkveehouderij.De melkveehouder als leverancier van duurzame energie is een van de toekomstbeelden waaraan wordt gewerkt.” . Henk Huizing van InnovatieNetwerk vult aan: “De agrosector heeft alles in zich om van energieverbruiker energieleverancier te worden. Wind en zon zijn de interessantste, want schoonste bronnen. Op dit bedrijf proberen we het zonlicht zo efficiënt mogelijk te oogsten en in te zetten in het bedrijf.” Naast Courage en InnovatieNetwerk (Ministerie EL&I) financiert Provincie Gelderland het innovatieproject. Voor elke geproduceerde kiloWattuur die niet op het bedrijf wordt benut maar aan het elektriciteitsnet wordt geleverd, ontvangt Borgman acht cent.

De Veth opent een kastje aan een wand vol indrukwekkende leidingen en schakelingen. “Dit”, zegt hij, “is het hart van de fotonenboer.” Hij zet een groot flatscreen scherm aan en juist op dat moment breekt de zon door. Het symbool voor de VRB slaat aan en vult zich met elektronen die zojuist door de zon zijn geproduceerd. Tegelijkertijd vermindert de inname van het elektriciteitsnet (stroom van Essent), zo zien we op het scherm. Borgman’s melkrobots verderop in de stal merken er niets van en lopen nu op zonnestroom. Alsof er een educatieve regisseur aan het werk is, schuiven even later wolken voor de zon, vallen de zonnecellen stil en staakt de VRB-batterij de opslag van stroom. Het systeem ‘denkt even na’, en start dan stapsgewijs met het onttrekken van het surplus aan zonnestroom in het reservoir van de VRB. “Het systeem is geprogrammeerd om zoveel mogelijk zelfvoorzienend te zijn en heeft een iteratieve sturing, dat functioneert als een vorm van kritische demping. Anders loopt de regelactie continu achter de feiten aan”, aldus projectleider De Veth. Het ‘zelfdenkende’ kastje met diverse communicatievoorzieningen heeft feitelijk de intelligentie van een smart grid. Voorzien van software die informatie verschaft over de actuele stroomprijs (dagtarief, nachttarief, piekvraag, calamiteitenvraag), zou Jan Borgman in de toekomst de energiebeurs op kunnen gaan. “Kunnen we in piekmomenten in de vraag, bijvoorbeeld op maandagochtend als de BV Nederland opstart, bijdragen aan de extra vraag naar stroom, dan krijgen we gemakkelijk meer dan een kwartje voor een kiloWattuur”, zegt Borgman.
Smart grid (of slim net) wordt gezien als de manier om in de toekomst tienduizenden huizen, kantoren, utiliteitsgebouwen en boerderijen als kleine duurzame energiecentrales in te schakelen bij de energievoorziening. Het openbare net moet dan op een slimme en economische manier omgaan met vraag en aanbod van duurzame energie. Een opslagsysteem als de VRB-batterij en de rekenkracht van de software gaan daarbij een cruciale rol spelen.

Kinderziektes
Het is echter niet louter lof voor de VRB. De batterij kende een paar kinderziekten. “In het begin gaf een sensor in de batterij aan dat er te veel waterstof werd geproduceerd, tamelijk fnuikend voor de stroomopslag”, zegt De Veth. “We zagen overigens geen verandering in de waterstofmeting na het uitzetten van de VRB. Dus konden we na verloop van tijd alleen maar concluderen dat de sensor kapot was.” Dat bleek het geval, maar eer de fabrikant dat met zekerheid had kunnen vaststellen, was het project drie weken verder.

Hetzelfde verhaal geldt voor de pompen, die de geladen elektrolytoplossing naar de chemische cellen transporteren en de daar ontladen oplossing weer terug naar het opslagvat pompen. “De fabrikant had, gezien andere projecten, aanwijzingen dat in de pompen onder bepaalde omstandigheden oxidatie van vanadiumoplossing plaatsvond, waardoor er electrolietoplossing verloren ging”, aldus De Veth. De Oostenrijkse fabrikant Cellstrom leverde nieuwe pompen, maar ook hier was enkele maanden vertraging het gevolg. “In de tussentijd was het niet mogelijk om de pompen uit te schakelen als de batterij geen vermogen hoefde te leveren en daardoor waren de batterijverliezen in die periode onnodig hoog”, aldus De Veth.

Bovenal zijn zowel De Veth als Borgman teleurgesteld dat het totaalrendement van het opslagvat voor zonne-energie niet hoger komt dan een slordige 65 procent. “Daarvan gaat ongeveer acht procentpunt verloren door de omzetting van de batterijstroom (gelijkstroom) in de wisselstroom die nodig is voor bijvoorbeeld de melkrobot.”
Mogelijk is door het langzaam overschakelen op gelijkstroom elektromotoren op de melkveehouderij nog energiewinst te boeken. “In nieuwe versies van de melkrobot zie je al dat de borsteltjes die de uiers schoonmaken op elektromotoren draaien, net als een van de bedieningscilinders op de robot die met lucht beweegt en daardoor de melkunit naar uiers laat zoeken”, weet Jan Borgman. Maar dan nog: er was een rendement van 70 tot 80 procent beloofd. “We zullen er voorlopig mee moeten leven”, zegt Jeroen de Veth berustend. “Het is net als met moderne auto’s. Volgens specifieke testen rijden ze met 3 liter brandstof bijna honderd kilometer, maar in de praktijk van alledag, met zwaardere belasting of korte ritjes, zijn ze niet zo zuinig als is beloofd. Misschien is er met de VRB iets dergelijks aan de hand en belasten we de batterij meer dan door de fabrikant is aangenomen.”

Zonneboilers en LED-verlichting
Niettemin prikkelt ‘de fotonenboer’ de verbeelding en heeft het project het eerste jaar al veel aandacht getrokken. “We schatten dat er toch gauw een mannetje of vierduizend op bezoek zijn geweest”, zeggen de fotonenboeren in de speciaal ingerichte ontvangstruimte bij hun vijfhonderd jaar oude boerderij. Tijdens het VNG-jaarcongres bezochten wethouders en ambtenaren het monumentale landgoed met de supermoderne duurzame snufjes met bussen tegelijk. Scholen, plattelandsvrouwen, geïnteresseerde boeren en mensen uit het bedrijfsleven namen er het afgelopen jaar een kijkje. “Ook opende de eigen kennisinstelling de melkveeacademie hier zijn academisch jaar”, zegt Borgman trots. Behalve de opslag van zonne-energie nog verder in de vingers krijgen staat melkveehouderij ‘t Spieker dit jaar voor nog twee innovaties. Naast de melkrobot vormen ook de koeling van de melk en het schoonmaken en spoelen van melktanks en melkrobot majeure energieposten. En daar gaan Jan Borgman en Erna Roeterdink wat aan doen. “Allereerst nemen we twee zonneboilers van elk 500 liter in gebruik”, zeggen ze. De techniek daarvan is simpel. De zonnewarmte verwarmt het koude water in de buizen, dat vervolgens verder wordt opgewarmd tot meer dan tachtig graden.

Het unieke aan dit nog nauwelijks in de landbouw toegepaste principe is dat het bij het Achterhoekse bedrijf om een vacuümbuiscollector gaat. “Doordat een deel van de buizen vacuüm zijn, is het warmteverlies in het systeem behoorlijk lager”, zegt De Veth. “Ook op een zonnige winterse dag met tien graden vorst kan de zon dan nog gemakkelijk water verwarmen tot boven de zestig graden Celsius.” Het water dat de zonneboiler wordt ingevoerd, heeft eerst een rondje langs de melkkoeling afgelegd. Daardoor heeft het de energie uit de warme, versgemolken melk onttrokken, waardoor deze alvast een beetje is gekoeld. Een energiezuinige warmtepomp koelt de melk verder af en het licht opgewarmde water wordt in de boiler verder opgewarmd.

Een andere slimme noviteit is de toepassing van LED-verlichting in de stal. Uit onderzoek blijkt dat goede verlichting de melkproductie van de koe, vooral in de winterperiode, behoorlijk kan verbeteren. Zestien uur licht en acht uur donkerte is ideaal voor de koe. Maar dat is nog niet alles. “LED-verlichting in het blauwige spectrum werkt goed op de hormoonhuishouding van het dier”, zegt De Veth. Daar komt nog bij dat de boer de koe in het blauwige licht beter kan inspecteren doordat er een beter contrast is tussen roodtinten, waardoor bijvoorbeeld kleine ontstekingen beter zichtbaar worden. Dergelijke verbetering van de observaties in de stal is dus ook een pluspunt voor de gezondheid en het dierenwelzijn. In het voorjaar vindt in de stal een praktijkproef plaats met vier van dergelijke LED-lampen. Als alles goed verloopt, kunnen in de loop van 2012 de energiekosten van ’t Spieker verder dalen. De Veth heeft berekend dat er in dat geval van de totale elektriciteitsbehoefte van circa zestigduizend kWh nog slechts negen à tien duizend kWh hoeft te worden gekocht van energiebedrijf Essent.

Jan Borgman en Erna Roeterdink zijn, zoals ze zelf zeggen ‘op orde’. “Als straks de melkquota vervallen, kunnen we zonder al te veel extra kosten doorgroeien naar 140 melkkoeien”, zeggen ze. Ze geloven in een duurzame toekomst voor de melkveehouderij. Enthousiast verhalen ze van mestvergisting die voor een belangrijk deel in de warmtebehoefte van het bedrijf kan voorzien. “Ruimte is in Nederland een probleem. En waar is ruimte genoeg? Juist, op de daken van de stallen van boerderijen. Zonne-energie, en ook mestvergisting worden een must in de landbouw van de toekomst. Zonder subsidie. De veehouderij kan een netto energieproducent worden, net zoals de moderne kassen al energiecentrales zijn.” Daar komt de post binnen. Op de mat ligt een enveloppe van het energiebedrijf met een voorlopige prognose van de maandkosten voor 2012. Borgman en Roeterdink scheuren de enveloppe open. “Vijfentwintig euro per maand”, lachen ze. Het gaat de goede kant op. Bij de uitgang staat straks niet alleen het zelftapsysteem voor melk, misschien is er over een paar jaar wel een tweede pomp, waar buurtbewoners hun elektrische auto kunnen snelladen met zonnestroom. Of waar de nieuwe generatie boeren op ’t Spieker, twee zoons van 12 en 13 jaar straks hun elektrische scooter volgooien. In de Achterhoek wordt een zonnige toekomst voorzien, met melk ‘de witte motor’.

’t Spieker’ Melkveehouderij Vierakker
Jan Borgman en Erna Roeterdink hebben in Vierakker (gemeente Bronkhorst, Achterhoek, Gelderland) honderd melkkoeien en negentig stuks jongvee. Ze beschikken over een melkquotum van 890 duizend kilogram. De koeien eten voornamelijk gras dat Borgman maait op de 56 hectare grond om de boerderij. Dat gras mengt hij onder meer met maïs, bierborstel en sojaschroot. Daarnaast koopt hij krachtvoer in. Het bedrijf (inclusief woonhuis) heeft ongeveer 60 duizend kWh stroom per jaar nodig. De zonnecellen en VRB voorzien nu in 42 duizend kWh. Na de aanleg van de zonneboilers komt er nog eens een kleine achtduizend kWh duurzame energie bij. Met LED-verlichting is nog een reductie van drieduizend kWh mogelijk. Dan resteert nog slechts zevenduizend kWh die van het energiebedrijf moet worden betrokken. ’t Spieker heet de monumentale, meer dan vijfhonderd jaar oude boerderij die op een terp is gebouwd als bescherming tegen het toenmalige woeste water uit de IJssel. Het uit het Duits afkomstige woord staat voor ‘opslag’, vermoedelijk van graan. Met de opslag van zonne-energie is de naam van de boerderij ook helemaal treffend voor duurzame doelen in het moderne tijdsgewricht.

De vanadium redoxflow batterij (VRB)
Opslag van duurzame energie is voorlopig een probleem. Ook als het niet waait of de zon niet schijnt, moet er immers energie beschikbaar zijn. Er bestaan verschillende systemen die deze energie in een accu of batterij kunnen opslaan. De lithium-ion batterij, bekend van mobiel en lap-top, wordt veel toegepast. “Het is bewezen technologie, maar verliest bij intensief gebruik vrij snel capaciteit”, zegt Jeroen de Veth, projectleider van de fotonenboer. In het project Fotonenboer van Stichting Courage wordt het surplus aan zonne-energie dat niet direct in het bedrijf kan worden gebruikt, ‘weggezet’ in twee vaten. Ze bevatten een electrolyt-oplossing (zout) van het metaal Vanadium. “Het bijzondere daaraan is dat het metaal zowel twee, als drie als vierwaardig kan zijn, waardoor dezelfde oplossing kan worden gebruikt voor zowel het negatief als het positief geladen deel van de batterij. Door deze eigenschap kunnen de twee vaten met vanadiumoplossing de door de zon geproduceerde elektronen tijdelijk binden. Tijdelijk, want op zonne-arme momenten moet opgeladen vanadiumbatterij zijn energie weer afgeven.
Chemisch gezien gaat het opladen als volgt: door de energie van het zonlicht worden aan de positieve kant van de batterij elektronen losgemaakt en verandert eenwaardig (1+) Vanadiumdioxide met waterstof-ionen in tweewaardig (2+) Vanadiumoxide en water. Tegelijkertijd gaat deze elektronenstroom naar de negatieve kant van de batterij waar Vanadium 3+ verandert in Vanadium 2+. Bij het ontladen (als dus stroom in het bedrijf nodig is) loopt deze reactie precies andersom.

“Doordat er in deze chemische cellen een membraan is aangebracht dat alleen protonen doorlaat, komt er buitenom door de draad een elektronenstroom opgang en is de opgeslagen zonne-energie weer beschikbaar.”
Vanuit de vaten wordt er steeds opgeladen elektrolyt naar de chemische cel gepompt. Daarna wordt de ontladen elektrolyt teruggepompt naar het vat, en dit in eindeloze herhaling zonder dat er grondstof verloren gaat. De cellen zijn steeds per setje van 28 gestapeld tot een ‘stack’. Het systeem telt tien stacks en heeft bij vijftig procent lading een gegarandeerd vermogen van 10 kW .

Redacteur: René Didde