In het boekje “Energie van brandhout tot zonnecel” schrijft Lucas Reinders een leuk artikel over zonne-energie en de potentie ervan in Nederland. Dit alles in slechts 8 pagina’s. Het leest verrukkelijk, en hij belooft mooie resultaten. Ik ben op zoek gegaan naar wat achtergrondinformatie en deel het totaal met jullie. Op naar de potentie van zonne-energie in Nederland.

Beschikbaarheid

Zonne-energie is populair. Dat weten we allemaal, als we maar eens gaan kijken wat de invloed van zon op de mens is op een mooie zonnige dag. Het geeft ons een positieve energie. Lucas stelt dat we zoveel zonne-energie dagelijks op de aarde krijgen, dat we er slechts 0,01 % van nodig hebben om in onze huidige energiebehoefte te kunnen voorzien. Ik kom zelf op 0,008 %.

Deze zonne-energie kunnen we als zonne-warmte of als elektriciteit afnemen of gecombineerd, de technologie is beschikbaar.

Figuur 1: Elektriciteit uit de zon, middels zonnecellen

Figuur 2: Warmte uit de zon, middels zonnecollectoren

Er zijn natuurlijk ook combinaties mogelijk, bijvoorbeeld een ‘fotovoltaïsch/thermisch PVT systeem’ en ook Concentrated Solar Power.

Figuur 3: Warmte en elektriciteit uit de zon, middels CSP

Figuur 4: Warmte en elektriciteit uit de zon, middels PVT

Efficiency

Wat belangrijk is om de potentie te kunnen bepalen, is om te weten hoe efficiënt de energieopties zijn. Lucas komt met de volgende resultaten, en ik noem alleen die opties die voor Nederland direct van toepassing zouden zijn (dus nu geen CSP):

1. Si-zonnecellen, gangbare panelen: 15 %, maar zijn duur
2. Si-zonnecellen, panelen met dunne laag silicium op plastic: 8 %, en zouden goedkoper moeten zijn
3. zonnecellen gebaseerd op exotische materialen (Indium, Germanium, Arsenicum en Gallium): 30 %
4. dunne-film zonnecellen gebaseerd op exotische materialen: 13 %
5. zonnecellen gebaseerd op nano materialen (titaaloxide): minder dan 10 %, mogelijk goedkoper dan klassieke Si-zonnecellen.
6. PVT, elektriciteitsrendement van 15 % en warmterendement van 40 %, dit is, wel met iets lagere rendementen, ook terug te vinden bij producenten van PVTs.

Technisch potentieel in Nederland

Of zonne-energie (zonnecellen en/of zonne-collectoren) een goede toekomst tegemoet gaat, hangt af van de prijzen van fossiele brandstoffen en van de prijzen van de zonnecel zelf. Eigenlijk zou de vervuiler moeten betalen (zoals de leidraad is van de overheid), wat de prijzen van de fossiele brandstoffen hoger dan die van zonne-energie zou leggen (aldus Lucas), het gebeurt echter niet (voldoende).

Er is veel ruimte nodig om zonne-energie te oogsten; wanneer in Nederland alle gebouwen stelselmatig van zonne-collectoren worden voorzien, dan zou men daarmee meer dan 10 % van de huidige Nederlandse energiebehoefte mee kunnen voorzien.

Zouden de efficiënste zonnecellen (20 % rendement) worden geplaatst op gunstig gelegen Nederlandse daken, dan zou men meer elektriciteit produceren dan de bestaande elektriciteitscentrales in Nederland!

Dit statement van Lucas is te staven met wat ik op internet vind, bij NODE en ECN.

Uitdagingen

Gesteld kan worden dat Lucas’ uitspraak gedeeld wordt door zowel ECN alsook NODE; wanneer alle beschikbare ruimte voor zonnecellen benut zou worden, èn gebruik gemaakt wordt van flink verbeterde opbrengst per paneel (3x zoveel als nu), dan is de gehele Nederlandse energievoorziening van vandaag op te wekken met zonnecellen.

Toch is de uitdaging om ervoor te zorgen dat de efficiëntie van de panelen een factor drie omhoog gaat, van 100-130 Wp/m² naar 300 Wp/m². Ook zullen de kosten per paneel omlaag moeten, volgende NODE met een factor 3, om concurrerend te kunnen zijn met de huidige fossiele brandstofverbranding. De opwekkingsprijs per kWh is dan gelijk aan de huidige opwekkingsprijs met conventionele energiebronnen, die naar verwachting bovendien zal stijgen. ECN: om deze groei te bewerkstelligen is een stimuleringsbeleid van de overheid noodzakelijk, en wel voor tientallen jaren.

ECN stelt daarenboven nog dat buffering geregeld dient te worden (de zon schijnt namelijk niet altijd), evenals demand-side management en supply-side management (voldoende beschikbaarheid van snel regelbaar back-up vermogen).

De toekomst van PV in Nederland

Lucas stelt dat de prijzen van fossiele brandstoffen ertoe doen. Het ECN gaat veel verder in hun rapport en stelt dat PV tot 2030 een lager CO²-reductiepotentieel dan andere duurzame energiebronnen als offshore wind en biomassa, en PV kent relatief hoge kosten voor CO2-emissiereductie, namelijk rond de 600 €/ton (Menkveld, 2002). In het kader van klimaatbeleid is PV voor Nederland op de korte termijn nauwelijks van belang. Op lange termijn kan PV een bijdrage leveren aan de verduurzaming van de elektriciteitsvoorziening.

Het overheidsbeleid kan zich trouwens niet richten op het omlaag krijgen van de prijzen van de componenten, die overigens op wereldniveau worden bepaald; Nederland is daarvoor een te kleine speler. Mee helpen aan efficiency-verbeteringen van de componenten middels stimulatie van R&D en industriële activiteit kan wel, evenals bevorderen van integratie van zonnecellen in bebouwde omgeving (inclusief zonvriendelijke verkaveling bij de ontwikkeling van nieuwbouwwijken).

Voetnoten en achtergrond informatie

Energiebehoefte als deel van zonne-instraling

Uit een webpagina op Kennislink haal ik wat de zon produceert en wat de aarde bereikt. Dit laatste komt neer op 1,7 10¹⁷ Watt.

Uit een webpagina van Node haal ik dat het wereld-energieverbruik in 2005 wel 450 EJ bedroeg. EJ is hierbij Exa Joule ofwel 10¹⁸ Joule (Mega = 10⁶, Giga = 10⁹, Tera = 10¹², Peta = 10¹⁵, Exa = 10¹⁸). Deze hoeveelheid is per jaar. Dus per seconde, om het vermogen Joule per seconde uit te rekenen, moeten we dit getal delen door het aantal secondes in een jaar. Dit komt uiteindelijk neer op 14 TW = 14 10¹² J/s.

Welnu, het aandeel wat wij verbruiken (14 TW) t.o.v. wat binnenkomt van de zon (0,17 EW ofwel ongeveer 170.000 TW) is slechts 0,008 % dus ongeveer 0,01 %.

Efficiency Si-zonnecellen

ECN geeft een mooi overzicht over de rendementen van Si-zonnecellen:“De kristallijn silicium cellen zijn er in twee varianten: monokristallijn en multikristallijn. Cellen van het eerste type hebben een hoger rendement (tussen 15% en 17% van het invallende zonlicht wordt omgezet in elektriciteit), cellen van het tweede type zijn goedkoper, maar hebben een lagere efficiency (tussen 13% en 15%). Dunne-film cellen zijn per oppervlakte-eenheid goedkoper dan kristallijn silicium cellen, maar hebben een lager rendement: tussen 4% en 11%.”. M.b.t. de prijs stelt men: “Het nadeel van een lager rendement komt vooral naar voren bij het benodigde oppervlak om een bepaald elektrisch vermogen te installeren: hoe lager het rendement, hoe meer oppervlakte benodigd is. Per saldo is de prijs per eenheid vermogen van een PV-systeem (watt-piek of Wp) nauwelijks afhankelijk van het gebruikte celtype (de Moor, 2003).”

Efficiency PVT

Ik heb een tabel gevonden die een geheel overzicht geeft van wat er gerealiseerd is aan PVT systemen en wat er gaat komen. De aangegeven rendementen verschillen nogal. Ik zie gemiddeld een 10 % elektrisch- en 50 % warmte-rendement. Het elektrische rendenment is ook te beredeneren; er valt per jaar zo’n 1000 kWh per m² op ons landoppervlak, en per m² krijgen we met de huidige panelen maximaal 100 kWh. Dus totaal 10 %.

Het rendement van een zonnecollector is wellicht ook in te schatten. In een heldere brochure wordt uitgelegd op pagina 8 waar het collectorremendement zoal vanaf hangt (vooral van de afgifte temperatuur). Tevens vind je op pagina 18 een schema, wat aangeeft dat ook de dekkingsgraad belangrijk is in het systeemrendement. Totaal zou het systeemrendement liggen ergens tussen de 20 en 40 %.

Potentie zonnecellen

Op de site van Nederlands Onderzoekscentrum Duurzame Energie (NODE) vind ik een mooi achtergrondartikel over het potientieel: “Met de huidige zonneceltechnologie kan in Nederland ongeveer 100 kWh/m² jaar worden opgewekt. Daarvoor wordt een zonnepaneel geïnstalleerd van 130 Wp/m2; (Wp is de piek-afgifte in watts, bij ‘vol zonvermogen’, op een heldere dag tussen april en augustus). Dit is 10% van de instraling in Nederland, die 1000 kWh/m² bedraagt. Hier liggen nog grote mogelijkheden voor verbetering, want op langere termijn kan dit misschien 30 of 40% worden. Als we alle beschikbare dakoppervlak van woningen, ziekenhuizen, scholen, kantoren, enzovoorts zouden volzetten met zonnepanelen kunnen die met de huidige technologie in ongeveer 30% van onze elektriciteitsbehoefte voorzien. Gebruiken we de technologie van de toekomst dan is het 100%.”

Ook heb ik de site van ECN geraadpleegd. Hier vind ik een mooi rapport Energietechnologieën in relatie tot energiebeleid, wat het volgende stelt: “Het realistisch technisch potentieel voor PV in Nederland op basis van het beschikbare oppervlak wordt in (de Noord, 2003) als volgt ingeschat: een beschikbaar oppervlak van 400 km² in de gebouwde omgeving, en 200 km² voor specifieke PV-centrales op grote grondstukken verspreid over het land. Om deze oppervlaktes beter te kunnen interpreteren is het handig om het vermogen per oppervlakte te weten. Tegenwoordig is het vermogen van 1 m² PV-module 100 Wp. Op de lange termijn (omstreeks het jaar 2050) kan dat 200 tot 300 Wp/m² zijn. Met deze ranges is het mogelijk om het op de lange termijn beschikbare oppervlakte voor PV-systemen om te rekenen in vermogens. Een realistisch technisch potentieel in Nederland variëert zodoende van 80 tot 120 GWp voor PV in de gebouwde omgeving, en van 40 tot 60 GWp voor PV-systemen op land.” Wanneer je het Nederlandse binnenlandse verbruik van 2006 opzoekt op de website van het CBS dan komt dit neer op 112 x 10⁹ kWh.