Binnen vijf jaar iedereen zonnepanelen? Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van PV kunnen voor een forse prijs reductie gaan zorgen.

Zonnepanelen nog te duur in Nederland

De meeste mensen met stopcontact vinden zonnepanelen nog te duur. Dat is begrijpelijk: de terugverdientijd van de verkrijgbare zonnepanelen ligt tussen de 10 en 20 jaar ligt, en dat is aan de lange kant. Aangezien de meeste mensen niet heel idealistisch zijn, en op de korte termijn denken, worden zonnepanelen nog heel weinig aangeschaft.

Wat bepaalt de terugverdientijd (tvt) van een zonnepaneel?

Ik ga uit van netgekoppelde PV systemen. De terugverdientijd van een zonnepaneel hangt af van verschillende factoren:

• de aanschafprijs van het zonnepaneel + converter
• de omzet-efficientie van het zonnepaneel waarmee licht wordt omgezet in electriciteit
• de hoeveelheid zonlicht gemiddeld per jaar, waaraan het zonnepaneel wordt blootgesteld. Dit is afhankelijk van de plaats van het paneel.
• de KiloWattHour (KWH) prijs van de elektrische energie die wordt geleverd door het electriciteitsbedrijf waarmee men een contract heeft
• de salderingsregels van het elektriciteitsbedrijf
• overheidssubsidie. Bijvoorbeeld, de Duitse overheid geeft de terugleverende zonnepaneelbezitter een extra vergoeding per geleverde KWH (feed-in tarif)

De terugverdientijd van een zonnepaneel zal korter worden naarmate:

• de aanschafprijs lager wordt
• de omzet-efficiëntie toeneemt
• de jaarlijkse hoeveelheid zonlicht hoger is, bijvoorbeeld in de zuidelijke Europese landen
• de KWH prijs van de conventioneel opgewekte stroom uit het stopcontact hoger wordt
• de salderingregels garanderen dat de terugleverende consument een redelijke vergoeding krijgt, i.t.t. een onredelijk lage vergoeding.
• overheidssubsidies hoger zijn

Ivm technische innovaties gedurende de laatste decennia is de aanschafprijs van zonnepanelen gedaald en de efficiëntie gestegen, terwijl de tarieven van elektriciteitsbedrijven aanzienlijk zijn gestegen.
Daarom is de kostprijs van zonnestroom in met name de zonnige Europese landen zoals Italië nu al vergelijkbaar met de kostprijs van stroom van grote electriciteitsbedrijven. Mits er gunstige salderingsregels bestaan, zou de terugverdientijd van de huidige zonnepanelen in Zuid Europa hoogstens 5 jaar zijn.

Hoeveel winst maak je op zonnepanelen?

Dat hangt af van de terugverdientijd, de levensduur en het energetisch vermogen van het zonnepaneel. Alle zonnestroom geleverd na de terugverdientijd is puur winst, afgezien van eventuele reparaties zoals een kapotte converter. Hoe langer de levensduur van het zonnepaneel, des te meer winst haal je op je zonnepaneel. Zonnepanelen van kristallijn silicium kunnen wel 30 jaar meegaan, maar amorf silicium zonnepanelen gaan hooguit 15 jaar mee. Maar nogmaals, ondanks de winst die zonnecellen opleveren na ongeveer 15 jaar, beginnen de meeste mensen er nog niet aan om uiteenlopende redenen.

De economische en energetische efficiëntie van energievoorzieningen: kent u ze?

Een energievoorziening heeft een bepaalde energetische efficiëntie en een economische efficiëntie.
Je zou zeggen dat dit op hetzelfde neerkomt, maar deze efficiëntie kunnen sterk verschillen voor een en dezelfde energievoorziening.

De energetische efficiëntie van een energievoorziening is de hoeveelheid energie die de energievoorziening levert in een bepaalde periode, gedeeld door de hoeveelheid energie die hiervoor benodigd was (geïnvesteerd moest worden) voor die bepaalde periode. Er is ook zoiets als de ‘energetische terugverdientijd’ van een energievoorziening: het tijdsbestek waarin de voorziening evenveel energie levert als van te voren nodig was om de voorziening te realiseren.

De economisch efficiëntie van een energievoorziening is het quotiënt van de baten en kosten in valuta eenheden gedurende een bepaalde periode van gebruik van de energievoorziening. Dit is ook wel bekend als de “prijs/prestatie verhouding”.

Een zonnecel met een hoge energetische efficiëntie kan een relatief lage economische efficiëntie hebben ivm te hoge productiekosten (nog geen opgeschaalde produktiecapaciteit voor dit type zonnecel, en gebruik van zeldzame en dure stoffen om de zonnecel te realiseren).

Er is een chronisch gebrek aan objectieve cijfers over energetische en economische efficiëntie t.a.v. allerlei uiteenlopende energievoorzieningen, zoals kerncentrales, olie/kolen/gas centrales, windmolens, waterkrachtcentrales, getijde centrales, geothermische centrales, zonnepanelen, etc … Het blijft om deze reden heel moeilijk voor beleidsmakers en investeerders om optimale beslissingen te nemen over subsidies en investeringen t.a.v. energievoorzieningen. Het becijferen van deze efficiëntie is vaak zeer complex en vergt veel kwantitatief onderzoek, denk maar eens aan de energetische/economische gevolgen van milieu effecten. Mede hierdoor kunnen captains of industry een te rooskleurig (of juist ongunstig) beeld scheppen van een bepaald type energievoorziening waarmee enkel het belang wordt gediend van een minderheidselite. De consument kan dus door zijn onwetendheid gemakkelijk gemanipuleerd worden tot consumentenslaaf die veel te veel betaalt voor de geconsumeerde energie.

Bestudeer eens de website van ECN: ecn.nl. Daar kan je het een en ander nalezen over de economische efficiëntie van zonnepanelen, maar vrijwel niets over de efficiëntie van windmolens en kerncentrales. Hetzelfde kan gezegd worden over een publicatie van het KNAW (Koninklijke Nederlandse Academie van Wetenschappen) over energieconversie technologieën: het bevat geen cijfers over efficiëntie en prognoses hierover, en kan daarom niet dienen als een leidraad t.a.v. nog uit te stippelen beleid, zie de publicatie Duurzaamheid duurt het langst.

Met de komst van de zonnepanelen kan de vicieuze cirkel van onwetendheid worden doorbroken. Het berekenen van de efficiëntie van zonnepanelen is relatief makkelijk. Volgens het ECN (Energieonderzoek Centrum Nederland) levert de conventionele zonnecel 10 keer meer energie dan nodig voor de productie. Een energetische efficiëntie van 10 dus. Dit gegeven leidt tot een informatiebehoefte naar de efficiëntie van andere type van energievoorzieningen. Allerlei consumenten en belangenorganisaties zouden duidelijke vragen kunnen stellen aan de energie industrie en de overheid.

Belangrijke zonnepaneel trends voor de toekomst

Ivm de stijgende olieprijzen zal de KWH prijs voor conventioneel opgewekte stroom stijgen. Ook energie uit kolen wordt duurder, bijvoorbeeld als gevolg van milieu maatregelen zoals het afvangen van kooldioxide. Dit heeft een gunstig effect op de tvt van zonnepanelen, maar dit betekent nog geen verbetering van het energetisch/economische rendement van onze energievoorzieningen. Belangrijkere tvt factoren zijn uiteraard de kosten en de omzettingsefficiëntie van zonnepanelen. Lagere kosten en hogere omzettingsefficiëntie betekenen in veel gevallen een verbeterde energetische- en economische efficiëntie.

Een opsomming van trends wat betreft kostenreductie en omzettingsrendement verbetering:

1. Fabrikage van goedkoper solar-grade silicium, waarbij het tekort aan solar-grade silicium wordt opgelost

Zie informatie over 6N Technology en RSI Silicium Products.

‘Solar grade’ silicium is silicium met een zuiverheid van 99,9999% (6 negens). Op dit moment produceert enkel de IC (Integrated Circuits) industrie zuiver silicium. De IC industrie maakt silicium met zuiverheid van 99,999999% (8 negens), dus honderd keer zuiverder dan nodig voor zonnepanelen. Wereldwijd zijn er slechts 5 van dergelijke silicium fabrieken. Voor meer informatie hierover, kun je vinden in een presentatie van RSI Silicon

De gloednieuwe silicium fabrieken van 6NSilicon en RSI-Silicon produceren enkel solar grade silicium wat minstens een factor 3 goedkoper is dan IC grade silicium. Ook het energetische rendement van zonnepanelen wordt hierdoor een stuk beter: de productie van solar grade silicium is veel minder energie intensief.

De vraag naar solar-grade silicium is de laatste jaren enorm toegenomen door de ontluikende PV markt. De productiecapaciteit van silicium fabrieken is onvoldoende, en is er sprake van een solar-grade silicium tekort. Dit drijft de prijs van zonnepanelen kunstmatig omhoog. Men bouwt niet snel een ‘IC’ grade silicium fabriek erbij, vanwege de hoge kosten, maar de veel goedkopere solar-grade silicium fabrieken kunnen gemakkelijk het toenemende silicium tekort opvangen. Het bouwen van een solar-grade silicium fabriek bedraagt zo’n 50 miljoen dollar, en dat is 10 keer goedkoper dan een “IC” grade silicium fabriek van zo’n half miljard dollar. Aangezien de zonnepaneelmarkt groot genoeg is geworden (dankzij subsidies), zijn de investeringen in de solar-grade silicium fabrieken binnen enkele jaren terug verdiend.

Met de komst van de fabrieken van 6NSilicon en RSI-Silicon dit jaar zal de prijs van silicium zonnepanelen op termijn fors dalen

2. Ontwikkeling van dunne film silicium zonnepanelen, tandem cells en verbeterde electroden

Er is steeds minder silicium nodig om een zonnepaneel te maken. Moderne zonnepanelen hebben een steeds dunnere laag silicium, tot dat het zelfs een dunne film is geworden (thin film silicon PV cells). Aangezien silicium het kostbaarste ingrediënt is van de zonnecel, zal hierdoor de kostprijs zakken en is er minder energie nodig om dunne film Si panelen te maken. Het productieproces van dunne film silicium lagen is relatief eenvoudig. Verwacht mag worden dat het omzettingsrendement van dunne film Si zonnepanelen lager is dan bij conventionele Si zonnepanelen. Ik heb geen gegevens kunnen vinden over de optimale Si laag dikte waarbij de energetische efficiëntie geoptimaliseerd is.

De twee electroden (top- en back-electroden) kunnen ook nog doorontwikkeld, verbeterd en kosteneffectiever gemaakt worden. Een goede top-electrode moet goed elektrisch geleidend zijn, en als het even kan ook transparant zijn. Deze electrode kan de maximale stroom van een zonnepaneel beperken, wat kan leiden tot een lagere omzettingsefficiëntie bij veel zonlicht. Nanosolar heeft een goedkope doch zeer goede transparante top-electrode ontwikkeld die 5 tot 10 keer meer stroom kan leveren dan andere type top-electroden.

Dunne film lagen kunnen gemakkelijk ‘in tandem’ aangebracht worden, waarbij meerdere zonnecellen op elkaar worden gestapeld, om zodoende het omzettingsrendement te verhogen. Zie bijvoorbeeld de Thin film Si Solar modules van Oerlikon. De Oerlikon micromorf cel gebruikt 2 fotogevoelige lagen, waarbij de ‘onderste’ gevoelig is voor infrarood licht, wat tot 50% meer energie oplevert.

3. Antireflectie laag

Rensselaer Polytechnic Institute ontwikkelde een antireflecterende laag, zodat geen zonlicht meer wordt gereflecteerd door een zonnepaneel (gemiddeld 1/3 van al het zonlicht) en onder vrijwel alle invalshoeken wordt geabsorbeerd. Dit verhoogt het omzettingsrendement van een zonnepaneel. De nanotube coating van Rensselaer is ongetwijfeld heel duur, maar er bestaan ook goedkope en economisch toe te passen antireflectiematerialen waarmee tot 25% meer energie omzetting wordt behaald. Een zonnepaneel met antireflektie coating hoef je niet meer op de zon te richten.

4. Ontwikkeling en productie van niet-silicium gebaseerde zonnepanelen: GaAs/GaInP, CdTe/CdS, CIGS en plastic zonnepanelen

GaAs/GaInP (Gallium Arsenide/Gallium Indium Fosfide) zonnecellen hebben een hoog omzettingsrendement rond de 30% of meer, worden vaak gebruikt bij solar races, maar zijn een stuk duurder dan de silicium zonnecellen. CdTe/CdS (Cadmium Telluride / Cadmium Sulfaat) zonnepanelen van Calyxo zijn een spin-off van ramen met coating, worden op een glazen ondergrond aangebracht, maar hebben hooguit 8% omzettingsrendement. CIGS (Copper-Indium-Gallium-Selenium) zonnecellen worden sinds vorig jaar door nanosolar.com geproduceerd en hebben een redelijk omzettingsrendement van 15%. Deze zonnepanelen zijn momenteel heel goedkoop, vanwege het simpele ‘print’ productie proces waar geen hoogvacuum meer aan te pas komt.. De fotogevoelige CIGS laag kan in groot volume worden geprint. De totale energie capaciteit van alle nanosolar CIGS panelen die in een jaar tijd worden geproduceerd, is gelijk aan die van enkele conventionele energiecentrales. Het is de vraag of de wereldvoorraden Gallium, Arsenide, Cadmium, Tellurium, Indium en Selenium voldoende zijn om iedereen van GaAs/GaInP, CdTe/CdS en CIGS panelen te voorzien. Voor silicium panelen is dit geen vraag: silicium is het op 1 na meest voorkomende element op aarde. Het is belangrijk om het energetisch rendement en economische rendement te vergelijken van GaAs/GaInP, CdTe/CdS en CIGS zonnepanelen met de conventionele silicium panelen. Nanosolar bewijst dat het mogelijk is om een niet op silicium gebaseerde zonnepaneel met succes op de markt te brengen, maar voor hoelang? Plastic zonnepanelen zijn ook in ontwikkelingen, maar hebben nog een te laag omzettingsrendement (5% hooguit) om aantrekkelijk te zijn voor de markt. Daar gaat verandering in komen.

5. Gebruik van geconcentreerd zonlicht

De hoeveelheid fotogevoelig materiaal van een zonnecel kan worden teruggebracht door gebruik te maken van kleine lenzen aan het zonnepaneel oppervlak die het zonlicht eerst concentreren. Het lensmateriaal is goedkoper dan bijvoorbeeld fotogevoelig materiaal met een hoge omzettingsefficiëntie. Dat betekent kostenreductie. Niet erg duidelijk is het welke impact dit heeft op de energetische en economische efficiëntie en de levensduur. Het Nederlandse bedrijf Scheuten Solar past deze techniek toe: glasplaten van kleine glasbolletjes met lenswerking, in combinatie met het lichtgevoelige CIGS.

Minder bekend: geconcentreerd zonlicht kan ook toegepast worden bij de productie van solar-grade silicium, of andere materialen zoals glas. Een grote parabolische spiegel kan voldoende hitte opwekken om te benutten bij productiestappen die hoge temperaturen vereisen, en kan een elektrische oven vervangen. Eventueel kan dit ook met Fresnel lenzen. Er zijn haalbaarheidsstudies gedaan naar het maken van solar-grade silicium op deze manier, en het blijkt mogelijk te zijn. De energetische/economische efficiëntie van zonnepanelen zou hiermee drastisch verbeterd kunnen worden. Een woestijngebied met zand en zon zou dus een prima plek kunnen zijn voor glas- en silicium fabrieken.

6. “Regenboog” zonnecellen uit silicium: quantum dots

Het golflengte gebied van het licht dat een standaard silicium zonnepaneel kan benutten is tamelijk beperkt. Bijvoorbeeld, de helft van alle zonne energie bestaat uit infrarood licht (lange golflengte) waarvoor een zonnepaneel niet gevoelig is. Het ligt voor de hand om zonnepanelen te ontwikkelen die gevoelig zijn voor een groot golflengte gebied: een ‘regenboog’ zonnepaneel. De al genoemde tandem zonnecellen bestaat uit verschillende lichtgevoelige lagen waarbij iedere laag voor een verschillend golflengtegebied gevoelig is. Het gebruik van verschillende dure niet-silicium lichtgevoelige lagen in een tandem cel ligt voor de hand, maar de grote uitdaging is om een silicium gebaseerde regenboog zonnepaneel te ontwikkelen die weer relatief goedkoop zal zijn. Een veelbelovende ondekking is de zogenaamde silicium ‘quantum dot’: de silicium laag wordt opgedeeld in hele kleine eilandjes van silicium op nanoscopische schaal. Eén zo’n silicium eilandje heet een ‘quantum dot’, omdat het quantum gedrag van electronen in de quantum dot verschilt met het quantum gedrag van electronen in een gewone silicium laag. Met name het licht uit het korte golflengte gebied (violet) kan benut worden door quantum dot silicium zonnepanelen. Vanwege de quantum dots worden er per korte-golflengte foton meerdere electronen ‘in geleiding’ gebracht, terwijl er normaal maar één electron per foton in geleiding wordt gebracht. Een nog op te lossen probleem is het ontsnappen van de geleidingselectronen uit de quantum dot eilandjes naar de zonnepaneel electrodes. Dit zou via ‘quantum tunneling’ moeten gebeuren. Behalve de technische problemen die nog opgelost moeten worden, is het de vraag hoe hoog de massaproduktiekosten van quantum-dot zonnepanelen zullen worden.

7. Onderzoek hergebruik van zonnepanelen

Hoeveel energie kost het om een afgedankt zonnepaneel te recyclen? Studies tonen aan dat dit minder is dan het maken van een zonnepaneel uit ruwe grondstoffen. Op den duur kan de prijs van zonnepanelen ook om die reden zakken.

8. Verticale integratie van zonnepaneel productie.

Indien alle productiestappen van ruwe grondstoffen tot eindproduct door één en dezelfde bedrijf wordt uitgevoerd, kunnen die productiestappen beter geïntegreerd worden, en de totale kosten gereduceerd worden. Het maken van solar-grade silicium door een zonnepanelen fabriek is hiervan een voorbeeld. Het hergebruik van zonnepaneel materiaal gaat ook prima samen met verticale integratie. Enkele zonnepaneel fabrikanten zijn hiermee bezig.

Er zijn ongetwijfeld nog meer trends te benoemen, en hopelijk heb ik de belangrijkste trends hier opgesomd.

Aanbevelingen aan overheid en investeerders

Het Nederlandse bedrijfsleven zou een aantal solar-grade silicium fabrieken moeten gaan financieren, maar dan wel een goedkope van 50 miljoen die zich binnen anderhalf jaar terugverdient. Dit zou een stevige impuls kunnen betekenen voor de Nederlandse industrie en zonnepaneel markt. De grondstof is is overal aanwezig en ieder land of regio kan een aantal van dergelijke fabrieken bouwen. Er zijn al enkele zonnepaneel bedrijven in Nederland gestart; een aantal silicium fabrieken zouden een prima aanvulling zijn.

Willen we nog kerncentrales? Even een rekensommetje: voor een nieuwe kerncentrale moet 8 miljard worden neergeteld. Als je 2 miljard besteedt aan 40 silicium fabrieken (40×50 miljoen = 2 miljard) , waarbij één zo’n fabriek dezelfde productie capaciteit als één van de 6 wereldwijde silicium fabrieken die er momenteel zijn, en je zou de overige 6 miljard besteden aan zonnepaneel fabrieken, dan kan je binnen enkele jaren heel Nederland onder een laag zonnepanelen bedekken.

De overheid zou belastinginkomsten onafhankelijk moeten maken van energievormen zoals brandstoffen (benzine/diesel/LPG). Er bestaat al jaren een voorkeursbehandeling door de overheid voor conventionele energievoorzieningen, en met name voor de “belastbare” energievoorzieningen, zoals fossiele brandstoffen, waarbij geen onderscheid gemaakt wordt op schadelijke milieu effecten. Zo heeft LPG relatief weinig impact op het milieu (geen roetdeeltjes), maar wordt er relatief veel belasting op geheven. Ook het verhaal over ‘rooie diesel’ spreekt boekdelen. Waarom zou de overheid haar melkkoetjes weg doen? Een hervorming van het belastingstelsel kan uitkomst bieden. De overheid zou enkel het gebruik van een infrastructuur (wegen/waterwerken) moeten belasten, want het is met name de infrastructuur die via de overheid wordt gefinancierd en onderhouden. Wel een kilometer heffing, maar geen jaarlijkse wegenbelasting en brandstofaccijns.

De overheid int ook nog eens milieubelasting op stroom en gas, ivm het “CO2 gebaseerde broeikas effect”, wel zo’n 200 euro per jaar per huishouden. Dit wordt tegenwoordig “energie belasting” genoemd (in het verleden ecotax genoemd). Over zonneschijn en wind kan de overheid geen belasting heffen, maar wel op stroom (grijze en groene). Het is onrechtvaardig dat de consument wordt gestraft voor schadelijke milieu effecten die weer het gevolg zijn van investeringsbeslissingen waar de consument geen enkele invloed op heeft kunnen uitoefenen, zoals bijvoorbeeld de aanbouw van de nieuwste kolencentrales. En ook al kiest de consument voor groene stroom; hij betaalt evengoed de energie belasting. De overheid zou de milieubelastingsplicht naar het bedrijfsleven moeten verleggen. Momenteel bevordert de overheid vervuiling, omdat het principe ‘de vervuiler betaalt’ niet wordt gehanteerd. Hoe het zou moeten zijn: de consument zou de tarieven van concurrerende energieproducenten moeten kunnen vergelijken, waarbij de vervuilende producent extra belasting betaalt aan de overheid ter compensatie voor indirecte milieu gerelateerde kosten. De vervuilende producent kan vervolgens deze milieubelasting doorbelasten naar de consument in de vorm van hogere energieprijzen. Hierdoor ontstaat er een relatief gunstige prijs voor duurzaam opgewekte energie, en bijvoorbeeld de tvt van zonnepanelen wordt hierdoor korter. Voor autobrandstoffen idem dito: geen belasting meer op ‘brandstof’, maar enkel milieubelasting opleggen aan de vervuilende industrie. Dan worden biobrandstoffen goedkoper voor de consument.

De Nederlandse overheid zou er op moeten toezien dat gehanteerde salderingsregels eerlijk zijn. Veel netwerkbeheerders en energiebedrijven hebben het salderen inmiddels ‘geregeld’, maar is het ook eerlijk geregeld?

En dan nog een paar tips: in plaats van een AmroBank “bail-out” had de overheid een kolossaal bedrag kunnen besteden aan een silicium/zonnepanelen infrastructuur, die ons allemaal tot in de lengte van dagen van gratis energie hadden kunnen voorzien, en dat zou pas een mega impuls voor de economie zijn geweest. Hetzelfde geldt voor de peperdure defensie industrie die nodig is om vooral geopolitiek te bedrijven (veilig stellen van energiebronnen en energiemiddelen, zoals oliepijplijnen in Afghanistan).

Conclusie

De zonne-energie technologie ontwikkelt zich snel. De PV markt is een van de snelst groeiende markten ter wereld. Subsidies, ingesteld door bevlogen politici zoals Herman Scheer, hebben die groei en evolutie gestimuleerd. De nieuwe solar-grade silicium fabrieken zouden niet zijn opgestart bij een te kleine markt, vanwege de terugverdientijd van deze fabrieken. Binnen 5 jaar bereikt zonnestroom ook in West-Noord Europa ‘grid-parity’, dwz het wordt even goedkoop als conventioneel opgewekte stroom, en zal de tvt van zonnepanelen een jaar of 3 zijn. Dit staat in schril contrast met prognoses van het KNAW die slechts over 50 jaar grid-parity voorspelt (zie de publicatie Duurzaamheid duurt het langst). Zelfs de prognose van bedrijfsadviseur Ebel Kemeling (tijdens het WISE Jubilieum voorspelde hij grid-parity voor West-Noord Europa over 12 jaar) is onjuist. Het is de vraag of zonnepanelen die niet uit silicium bestaan op hele grote schaal economisch kunnen worden toegepast, vanwege de wat zeldzame stoffen die worden toegepast. Het belastingstelsel van de overheid is achterhaald en bevordert achteruitgang van ons milieu. Ondanks de privatisering van de energie sector heeft de overheid heeft een natuurlijke marktwerking verstoord dmv dit verouderd belastingstelsel, en laat de consument betalen voor vervuilende industrie. Dit belastingstelsel moet zo spoedig mogelijk worden herzien.