Technisch Onderzoek. Bijlage 3 bij Zonnestroom en cultureel erfgoed. februari 2015

Technisch Onderzoek Bijlage 3 bij ‘‘Zonnestroom en cultureel erfgoed’’ februari 2015

Technisch Onderzoek Bijlage 3 bij ‘‘Zonnestroom en cultureel erfgoed’’ februari 2015

Eerste druk Provincie Fryslân, Leeuwarden, februari 2015 Opdrachtgevers: Provincie Fryslân Secretariaat de Waddeneilanden Gemeente Leeuwarden

Voorwoord Zonne-energie gaat in de toekomst voor een belangrijk deel in onze energie-behoefte voorzien. Dat is de boodschap die ik vanuit het lectoraat Zonnestroom en Vervoer aan NHL Hogeschool zal uitdragen. Echter, mijn interessegebied gaat niet alleen uit naar zonne-energie. Ik ben opgeleid als Industrial Design Engineer, heb interesse in duurzaamheid en bovenal: ik kijk om me heen en probeer realistisch te zijn. De vraag die Theun ter Velde en Nils Treffers in dit rapport proberen te beantwoorden (‘Doen zonnecellen afbreuk aan de waarden van monumenten en beschermde stads- en dorpsgezichten?’) is daarom relevant. Technisch is het zeker mogelijk om een belangrijk deel van onze energie-behoefte met zonne-energie te voldoen. Maar als antwoord geven zij dat niet alleen de technische haalbaarheid aangetoond dient te worden, maar dat er ook rekening gehouden dient te worden met cultuurhistorische waarden en dat het sociale kader waarin het vraagstuk zich bevindt, geïdentificeerd dient te worden. Wat de heren Ter Velde en Treffers siert is dat ze in dit rapport vanuit een bouwkundig perspectief toch in staat zijn de knelpunten weten te benoemen waarbij het in het (succesvol) productontwerp om gaat. Het feit dat een product enkel wordt geaccepteerd als deze goed functioneert én geaccepteerd wordt, komt duidelijk in dit werk naar voren, doordat ze vanuit verschillende perspectieven en disciplines inzicht geven in de zin en onzin van de toepassing van zonne-energie. De resultaten in dit rapport kunnen tot een goede afweging leiden voor het wel of niet plaatsen van zonne-energie systemen in of op monumentale stads- en dorpsgezichten. Samengesteld uit drie rapporten, waarbij elke geïnteresseerde met gevarieerde achtergrond zijn informatie kan halen, biedt dit werk een goed overzicht van de voors en tegens van zonne-energie in ons monumentale erfgoed. Lector dr. ir. Tim Gorter, lectoraat Zonnestroom en Vervoer, NHL Hogeschool

5

Verklarende woordenlijst

Zonnepanelen en de techniek erachter zijn eigenlijk relatief eenvoudig te begrijpen. Het is echter vaak moeilijk de terminologie te snappen waardoor men zich kan vergissen. Om een duidelijk beeld te geven van de gebruikte terminologie volgt hieronder een overzicht van termen die worden gebruikt met een korte omschrijving. Zonne-uren Een zonne-uur betreft het aantal uur dat er 1000W/m2 op het horizontale oppervlak valt. Kortom, als er op een dag 3 kWh/m2 aan instraling is, komt dit overeen met 3 zon-uren: 3 kWh/m2 / 1 kW/m2. STC Het begrip STC staat voor Standaard Test Condities en verteld iets over de getallen die gegeven worden op de product bladen. Afhankelijk van de locatie op de wereld kunnen de standaard test condities worden omgerekend naar de werking ter plaatse. Standaard Test Condities zijn in het leven geroepen om tot een uniforme benadering te komen. Gemiddeld verbruik Met het gemiddeld verbruik word het verbruik bedoeld van een gemiddeld Nederlands huishouden. In dit rapport word aangehouden dat het verbruik van een Nederlands huishouden ligt op 3250 kWh. Wattpiek De eenheid wattpiek is een aanduiding waarmee word aangegeven wat het vermogen is die een zonnepaneel onder Standaard Test Condities. Efficiëntie De efficiëntie van een zonnepaneel bepaalt hoeveel vermogen een zonnepaneel kan omzetten ten opzichte van stralingssterkte van de zon. Het rendement van gangbare zonnepanelen die op de markt zijn ligt rond de 15 tot 20 procent.

Horizontale instraling Met de horizontale instraling wordt bedoeld de hoeveelheid energie die de zon per vierkante meter instraalt per uur op het horiznontale vlak. Salderen Het verrekenen van de aan het net terug geleverde stroom tegenover de van het net verbruikte energie. Zonnecellen Eén losse zonnecel die in zijn meest vrije vorm kan worden verwerkt tot een aaneenschakeling van zonnecellen, genaamd een module. Zonnemodules De aaneenschakeling van meerdere zonnecellen die beschermd worden door een onder- en/of bovenlaag. Dit kan in de meest vrije vorm variëren van een harde plaat tot een klein flexibel paneel.

7

Inhoudsopgave Voorwoord

Verklarende woordenlijst

1.

Inleiding 10

2. Toepassing 12 2.1 Aanbrengen van producten 12 2.2 PV-producten 13 3. Tool 15 3.1 Gebruik van de tool 16 3.2 Werking van de tool 20 3.3 Onderbouwing van het stroomschema 22 3.4 Doorontwikkeling van de rekentool 26 4.

Toekomst 28

5.

Conclusies 32

6.

Aanbevelingen 33

9

1. Inleiding Aanleiding Wat zijn de mogelijkheden voor PV op cultureel erfgoed? Deze vraag is vanuit de technische kant te beantwoorden door te kijken naar de verschillende parameters die invloed hebben op de opbrengst. Door de steeds verschillende situaties moet er gekeken worden naar een standaard aanpak. Hiervoor zal eerst een beeld nodig zijn van de verschillende mogelijkheden voor de toepassing van PV. Vervolgens zal er een standaard berekening opgesteld moeten worden om zo de verschillende producten naast elkaar te kunnen zetten. Als toevoeging is het handig overzicht te hebben van de beschikbare producten.

10

Dit rapport is het resultaat van een onderzoek dat uitgevoerd is als onderdeel van het rapport ‘‘Zonnestroom en cultureel erfgoed’’. Het is een technische onderbouwing voor de toepassing van PV op of bij bestaande bebouwing. In het rapport word veel aandacht besteed aan het inzichtelijk maken van de techniek door middel van stroomschema’s, visualisaties en afbeeldingen. Het doel van het rapport is inzichtelijk maken van de technische kant van PV en een uniforme berekening te leveren die gebruikt kan worden in de discussie voor het toepassen van PV op cultureel erfgoed.

11

Leeswijzer In hoofdstuk 2 worden de verschillende toepassingsmogelijkheden en producten beschreven. Vervolgens wordt in hoofdstuk 3 de ontwikkeling van de tool uitgelegd, onderbouwd en mogelijkheden aangedragen voor de doorontwikkeling ervan. Ten slotte wordt in hoofdstuk 4 een blik in de toekomst geworpen over de verwachte ontwikkelingen van PV.

Figuur: 1.01

Weergave van de complexe transitie van stroom

2. Toepassing Dat er onderhand veel verschillende soorten producten voor zonnecellen zijn is niet onbekend. In dit hoofdstuk wordt gekeken naar de verschillende manieren waarop zonnecel producten toegepast kunnen worden.

2.1 Aanbrengen van producten PV-producten kunnen grofweg op drie verschillende manieren toegepast worden: reversibel op het gebouw toevoegen, irreversibel op het gebouw toevoegen of los van het gebouw plaatsen (figuur 2.01).

12

Paneel De meest voorkomende PV-producten zijn zonnepanelen. Tegenwoordig zijn ze in allerlei kleuren verkrijgbaar. Ook zijn er semi-transparante panelen waarbij slechts een gedeelte van het paneel zonnecellen bevat. Pv-panelen zijn geschikt voor vrijstaande, toegevoegde en geïntegreerde toepassingen.

Cultureel erfgoed De manier waarop zonnecellen toegepast kunnen worden, is grotendeels afhankelijk van de situatie. In de bouwwereld kan hiervoor het beste een onderverdeling gemaakt worden tussen nieuwbouw en bestaande bouw. Cultureel erfgoed valt bij voorbaat onder bestaande bouw. Naast het feit dat het gebouw al een bepaalde oriëntatie en dakhelling heeft, speelt ook de cultuurhistorische waarde een rol. Door de vormvrijheid, eigen esthetische waarde en de helling en oriëntatievrijheid zijn vrijstaande zonnemodules in dit geval vaak het meest aantrekkelijk. Integreren of toevoegen van zonnecellen is moeilijk te verantwoorden bij het verlies van cultuurhistorisch waardevol materiaal. Er zijn mogelijkheden om zonnecellen toe te voegen waarbij deze zo gemonteerd worden dat het gebouw in oude staat is te herstellen. De keuze voor deze laatste optie is alleen te verantwoorden als de toevoeging geen of nauwelijks afbreuk doet aan de waarde van het cultureel erfgoed.

Reversibel toevoegen PV toevoegen op een gebouw is momenteel de meest bekende vorm. Meestal zijn dit de blauwe panelen die worden voorzien van een aluminium frame die gemonteerd worden aan het gebouw. Het voordeel van deze methode ten opzichte van integratie is dat het paneel puur gebouwd is voor het opwekken van energie en daarom vaak goedkoper en efficiënter is dan geïntegreerde PV. Een nadeel van de deze toepassing is dat de visuele impact van deze toevoeging vaak als ‘‘rommelig’’ ervaren wordt.

Bouwproduct PV wordt ook geïntegreerd in bouwproducten. Bijvoorbeeld in dakpannen of panelen die ook als waterkerende laag functioneren. Deze producten zijn vaak duurder, maar besparen weer op de aanschaf van het vervangde bouwproduct. PV als bouwproduct is geschikt voor een geïntegreerde toepassing. Flexibel paneel Ook wordt PV uitgevoerd op een flexibele ondergrond. Het resultaat is een flexibel paneel met meer ontwerpmogelijkheden. Het grootste voordeel is dat complexere vormen hiermee van zonnepanelen kunnen worden voorzien. Flexibele panelen zijn geschikt voor vrijstaande, toegevoegde en geïntegreerde toepassing.

2.2 PV-producten

Los van het gebouw plaatsen Het voordeel van vrijstaande PV-producten is het eigen frame en dat deze, los van het gebouw, een gunstige oriëntatie kan krijgen. Er is geen beperking aan de afmetingen van een gebouw en de vrije plaatsing biedt bovendien meer vormvrijheid.

Zonnestraling wordt in een zonnecel omgezet tot elektriciteit. De zonnecellen zelf zijn uitermate kwetsbaar en praktisch gezien nauwelijks bruikbaar. Om ze geschikt te maken voor buitengebruik, moeten ze worden beschermd met bijvoorbeeld een glasplaat. Er zijn momenteel verschillende soorten PV-producten met verschillende materialen, vormen en toepassingsmogelijkheden. (figuur 3.02).

Irreversibel toevoegen of integreren Denk bijvoorbeeld aan PV geïntegreerd in dakpannen of in een lantaarnpaal. Het voordeel van integreren is de esthetische inpassing. Bij bouwmateriaal wordt er bovendien bespaart op de aanschaf van twee nieuwe elementen. Een nadeel aan integreren is dat het voor bestaande bouw rekening moet houden met de gegeven oriëntatie en dat de oude bouwmaterialen vaak vervangen moeten worden.

Figuur: 2.01

Reversibel aan het gebouw toevoegen Los van het gebouw toevoegen Irreversibel aan het gebouw toevoegen

Totaalproduct PV wordt niet alleen als ‘‘extra’’ toegepast. Een aantal producten zoeken juist naar de toepassing van PV als product op zich. Dit geeft de mogelijkheid om de PV een eigen esthetiek mee te geven. Een voorbeeld hiervan is de ‘Smartflower’ die als een bloem open klapt en de zon volgt voor een optimale rendement. Totaalproducten kunnen als toegevoegde of geïntegreerde toepassing geplaatst worden. Figuur: 2.02

Schetsen van verschillende bestaande mogelijkheden.

13

3. Tool

Voor de berekening van de potentiële opbrengst is er onderzoek gedaan naar de verschillende factoren die invloed hebben op de opbrengst van een paneel. Uit het onderzoek is naar voren gekomen dat er behoefte is aan een uniforme berekening die voor ieder product toegepast kan worden. Deze tool kan vervolgens gebruikt worden als handvat voor de discussie over de toepassing van zonnepanelen.

14

In dit hoofdstuk is er een onderscheid gemaakt tussen; -- Het gebruik van de tool -- Het gebruik voor de discussie -- De werking van de tool -- Doorontwikkeling van de tool Gebruik van de tool De tool is ontwikkeld voor het gebruik door leken die inzicht willen krijgen in het effect van de toepassing van verschillende typen panelen. Hierbij is gestreefd naar het minimaliseren van de input waarbij toch een volledige onderbouwde berekening wordt geleverd. De tool neemt de kennis van de technicus over en zorgt voor het transformeren van de technische data in voor de leek tastbare getallen. De tool is momenteel alleen in Nederland toepasbaar en gaat uit van het gemiddelde weer, variaties in het weer die kunnen optreden zijn dus niet meegenomen. Minimale input

TOOL

Bruikbare output

Input per product -- Toepassing (Vrije constructie, plat dak, hellend dak, dakpan) -- Oppervlakte van de module (lengte x breedte = m2) -- Opbrengst van de module onder STC (W of WP) -- Prijs van het product (€ / Wp) of (€ / module) -- Afnemende efficiëntie van de module (% / Jaren) -- Hellingshoek (°) -- Oriëntatie (°)

-- Beschikbare dak oppervlakte (m2) Output per product -- Kostprijs van de investering (€) -- Terugverdientijd in jaren -- Rendement van de investering in % per jaren -- Benodigde m2 voor het behalen van Nederlands gemiddelde verbruik Gebruik voor de discussie Een kenmerk van de discussie over het wel of niet toepassen van zonnepanelen zijn de verschillen in jargon. De technische mensen hebben hun focus liggen op de getallen. Beeld-denkers focussen op de invloed op de ruimte. De leveranciers denken alleen aan het zo goed koop mogelijk ontwikkelen van een goed product. De eigenaar van het pand wil zijn eigen energie opwekken en zo veel mogelijk salderen. Om de discussie te kunnen voeren is dus inzichtelijk nodig in elkaars kennis. Deze tool moet dienen ter verduidelijking op het technische gebied.

15

3.1 Gebruik van de tool De tool is ontwikkeld ten behoeve van het inzichtelijk krijgen van de verschillende producten. Door middel van de tool wordt duidelijk waar de verschillen tussen de producten tot uiting komen. Aan de hand van opgevraagde gegevens van leveranciers en producenten zijn de volgende panelen met elkaar vergeleken en doorgerekend.

Afbeelding

Afbeelding

17

16 Afmetingen Oppervlakte

Figuur: 3.05 Regulier paneel 1245 mm x 635 mm 0,791 m2


Figuur: 3.07 Flexibel paneel 3052 mm x 367 mm 1,12 m2

120 WP

Maximale opbrengst (WP)

65 WP

140 WP

120 WP

12,6 %

Efficiëntie (%)

8,2 %

13,0%

10,7%

Efficiëntie na gebruik Jaar ... / % Jaar .../ %

90 % na 10 jaar (aanname) 80 % na 25 jaar (aanname)

90 % na 10 jaar (aanname) 80 % na 25 jaar (aanname)

Prijs € / WP

€ 0,36

€ 0,50

90 % na 10 jaar (aanname) Tabel: 3.08 80 % na 25 jaar (aanname) € 1,50

Afmetingen Oppervlakte

Figuur: 3.01 Slides 1822 mm x 473 mm 0,625 m2

Figuur: 3.02 Zonnepan 468 mm x 356 mm 0,104 m2


Piek vermogen (WP)

90 WP

13 WP

Efficiëntie (%)

14,4 %

12,5 %

Efficiëntie na gebruik Jaar ... / % Jaar .../ % Prijs € / WP Figuur: 3.04

90 %, na 10 jaar (aanname) 80 %, na 25 jaar (aanname) € 1,00 - € 2,25

Tabel met een overzicht van producten en beschikbare gegevens.

90 %, na 10 jaar (aanname) 80 %, na 25 jaar (aanname) € 2,85

90 % na 10 jaar (aanname) 80 % na 25 jaar (aanname) € 0,38

Figuur: 3.09

Tabel met een overzicht van producten en beschikbare gegevens.

18

Cases

20 m2, helling 40°, orientatie Zuid



Investering

20 m2, helling 40°, orientatie Zuid € 4,230,-

20 m2, helling 40°, orientatie Zuid € 5.914,-

20 m2, helling 40°, orientatie Zuid € 8.103,-

Cases

Investering

€ 11.087,-

€ 12,378,-

€ 5.563,-

Terugverdientijd (Financieel)

15 jaar

17,5 jaar

5 jaar


6 jaar

6,5 jaar

12,5 jaar

Rendement (Financieel)

2,19 %

1,37 %

10,40 %


7,69%

9,57 %

3,15 %

Opbrengst energie jaar 1

2954 kWh

2564 kWh

2583 kWh


1686 kWh

2681 kWh

2198 kWh

Oppervlakte nodig t.b.v. gemiddeld verbruik

22,00 m2

25,35 m2

25,16 m2


38,55 m2

24,24 m2

29,57 m2


20 m2, helling 20°, orientatie West 18 jaar




20 m2, helling 20°, orientatie West 7,5 jaar




1,10 %

0,43 %

7,79 %


5,52%

7,13 %

1,83 %


2511 kWh

2180 kWh

2196 kWh


1433 kWh

2279 kWh

1868 kWh


25,89 m2

29,82 m2

29,60 m2


45,36 m2

28,52 m2

34,80 m2

Cases

Tabel: 3.10

Vervolg op tabel met een overzicht van producten, hier aan toegevoegd zijn onderbouwde berekeingen in een standaard situatie.

Cases

Tabel: 3.11

Vervolg op tabel met een overzicht van producten, hier aan toegevoegd zijn onderbouwde berekeingen in een standaard situatie.

19

3.2 Werking van de tool De uitwerking van de tool is gecontroleerd op zijn functioneren door verchillende technici. Achteraf is er een stroomschema opgesteld om ook voor de leek inzichtelijk te maken welke invloeden er spelen. De input die ingevuld moet worden is geel van kleur. De uitkomsten zijn groen van kleur. Voor een nadere onderbouwing moet gekeken worden naar de volgende pagina’s, waar alle onderdelen uit het stroomschema nader worden toegelicht.

Oriëntatie ( ° )

Hellingshoek ( ° )

Efficiëntie omvormer (%)

Piekvermogen paneel (WP)

Prijs per WP (€ / WP)

Prijs per paneel (€)

Instraling zon (kWh / m2 / jaar)

Afnemende efficiëntie paneel (% / jaar)

Verloop besparingen (kWh/jaar)

20 Besparingen per jaar ( € / jaar )

Investering (€)

Dak oppervlakte (m2)

Aantal panelen (st.)

Prijs montage (€)

WP installatie (WP)

Prijs van panelen totaal (€)

Levensduur omvormer (jaren) Afname rendement na periode van levensduur (WP)

Investering jaar 1 (€)

Inflatie (%)

Stroomschema van de berekening van de terugverdientijd in jaren.

Herinvestering na levensduur omvormer (€)

Bepalen omvormer (Max W)

Figuur: 3.13

Stroomschema van de berekening van de totale investering

21 Prijscorrectie (%)

Investering totaal (€)

Figuur: 3.12

Montage per m2 (€)

Efficiëntie paneel (%)

Bepalen omvormer (Max W) Prijs per kWh (€)

Terugverdientijd (Jaren)

Oppervlakte paneel (m2)

3.3 Onderbouwing van het stroomschema Om inzicht te krijgen in de gegevens die aan elkaar gelinkt zijn in het stroomschema worden alle gegevens hieronder toegelicht. Bij deze gegevens kunnen standaardwaarden horen maar er kunnen ook variabelen optreden.

Verloop besparingen Alle eerder genoemde onderdelen hebben invloed op het verloop van de besparing op de energierekening.

Oriëntatie De oriëntatie is de hoek ten opzichte van het zuiden. Deze hoek is bepalend voor de optimale stand van het zonnepaneel; hoe zuidelijker georiënteerd, hoe optimaler de opbrengst is. In Nederland is dit het zuiden maar als men kijkt naar Australië dan is het daar het noorden.

Prijs per kWh Met de prijs per kilowattuur wordt hier bedoeld; de prijs die de energiemaatschapij aan zijn klanten doorrekend. Wettelijk is vastgesteld dat Nederlandse burgers kunnen salderen voor hetzelfde bedrag als waarvoor ze stroom kopen. Hierbij moeten de energieopbrengsten wel gelijk zijn aan het energieverbruik. Als deze post wordt overschreden dan wordt er een door de energieleverancier vastgestelde prijs uitbetaald per kWh.

Hellingshoek De hellingshoek is de hoek tussen de horizon en de stand van het paneel. Panelen in Nederland behalen, afhankelijk van de stand van de zon per seizoen, hun optimale rendement met een hoek van 30° tot 40°.

22

Efficiëntie omvormer Afhankelijk van het type omvormer en het vermogen van de omvormer ondervinden de omvormers een verlies tussen de ingekomen energie en de uitgaande energie. Dit verlies heeft te maken met de vrijkomende warmte die van de omvormer komt bij het omzetten van de 12 of 24 volt gelijkstroom naar de 220 volt wisselstroom. Instraling zon De instraling van de zon is afhankelijk van de locatie op de aarde. Daar waar de zon loodrecht op het aardoppervlak valt, is de instraling het hoogst. Dit vindt voornamelijk rond de evenaar plaats. Voor deze instraling zijn door de NASA cijfers vastgesteld aan de hand van langjarig gemeten gemiddelden. Afnemende efficiëntie paneel Door de jaren heen neemt de effiëntie van een zonnepaneel af, afhankelijk van de leveranciers wordt er een garantietermijn vastgesteld om deze waarden te beschermen. Veelal wordt er een garantie gegeven op de opbrengst na 10 jaar en na 25 jaar. Efficiëntie paneel Zonnepanelen zijn op dit moment nog niet in staat om alle energie die uit de zon komt om te zetten naar bruikbare energie. De energie die een paneel kan opwekken is afhankelijk van de efficiëntie. Des te hoger de efficiëntie des te hoger de opbrengst.

Besparing per jaar De besparing per jaar is afhankelijk van alle eerder genoemde posten. In de beginjaren ligt de besparing in kWh hoger dan later. Deze afname aan besparing heeft te maken met het aftakelen van de zonnepanelen en het hieraan verbonden rendement. Investering De investering die nodig is voor de zonnepanelen is verdeeld in twee groepen; de investering in jaar 1 en de herinvestering. Aan de hand van de verschillende kostenposten kunnen deze investeringen worden uitgerekend. Terugverdientijd De terugverdientijd is afhankelijk van de investeringen per jaar en de investeringen in het eerste jaar gecombineerd met de herinvestering. De uitgewerkte tool geeft een grafiek met de investeringen en de herinvesteringen verminderd met de besparing op de energiekosten. Piekvermogen paneel De hoeveelheid wattpiek per paneel is mede bepalend voor het maximale vermogen van het systeem en dus de maximale energie-opbrengst. Als de wattpiek hoog ligt is vaak de investering groter maar zal de terugverdientijd wel afnemen.

Prijs per Wp De kostprijs van panelen wordt vaak uitgedrukt in euro’s per wattpiek. Deze prijs kan vervolgens eenvoudig aan de hand van de wattpiek per paneel worden doorgerekend naar de prijs per module. De prijs per wattpiek wordt tegenwoordig vaak gebruikt voor de vergelijking van de panelen, dit is echter onterecht aangezien er verschillende technieken bestaan met verschillende afmetingen waardoor de prijs per wattpiek per vierkante meter kan verschillen en voor sommige producten gunstiger uit kan komen. Oppervlakte paneel Het oppervlakte van het paneel is nodig voor het berekenen van het maximaal aantal panelen op het beschikbare oppervlakte. Het oppervlakte van het paneel wordt berekend door de buitenmaaste lengte met de breedte te vermenigvuldigen. Dakoppervlakte Het beschikbare dakoppervlakte bepaalt de ruimte die geschikt is voor de zonnepanelen. Aan de hand van het dakoppervlakte en het oppervlakte van de panelen kan de hoeveelheid panelen worden berekend. Montage prijs De prijs voor de montage is afhankelijk van de toepassing. Wordt het systeem rechtstreeks op het dak bevestigd dan zullen de kosten aanzienlijk lager liggen dan wanneer het systeem zelf onder een hoek moet worden geplaatst. Daartegenover staat ook dat als er een aparte constructie gebouwd moet worden de kosten extreem zullen toenemen. Hier zal rekening mee gehouden moeten worden. Prijs per paneel De prijs per paneel is een vermenigvuldiging van het aantal wattpiek per paneel met de prijs die per wattpiek voor het paneel wordt betaald. Aantal panelen Het aantal panelen is de deling van het beschikbare oppervlakte door de oppervlakte per paneel.

Prijs montage De prijs van de montage is de vermenigvuldigging van de prijs per vierkante meter met het totale oppervlakte. Daarbovenop komen de initiële kosten die gemaakt worden bij aanvang van de werkzaamheden. Prijs van panelen totaal De totale prijs van de panelen is de vermenigvuldiging van de prijs per paneel en het aantal panelen er op het dakvlak geplaatst kan worden. WP installatie Het aantal panelen en de hoeveelheid wattpiek zijn bepalend voor de totale hoeveelheid vermogen die de installatie kan opwekken. Deze hoeveelheid is weer bepalend voor de omvormer. Bepalen omvormer De omvormer kan bepaald worden aan de hoeveelheid wattpiek van de installatie. Hierbij wordt gebruik gemaakt van de wattpiek van de installatie en de beschikbare omvormers met hun maximale belasting. Levensduur omvormer De omvormer is een prijzig element in de investering met een kortere levensduur dan die van de zonnepanelen. De omvormer zal dus gedurende de terugverdientermijn vervangen moeten worden waardoor dit leidt tot een herinvestering. Afname rendement na periode van levensduur Het rendement van de zonnepanelen neemt af gedurende het gebruik; hierdoor zal het maximaal opgewekte vermogen ook afnemen. Door deze afname kan mogelijk, wanneer de omvormer vervangen moet worden, worden volstaan met een lichtere omvormer. Bepalen omvormer (herinvestering) Om te bepalen welke omvormer nodig is op het moment van de investering is een exponentiële functie in het leven geroepen die rekent aan de hand van twee ingevoerde punten. Aan de hand van deze punten kan het rendement na een bepaalde periode worden vastgesteld.

23

Investering jaar één De investering in het eerste jaar is bepalend voor de hoeveelheid vermogen die nodig is om de investering te kunnen doen. Aan de hand van de hoogte van deze investering kan worden gekeken naar de mogelijkheden voor de financiering hiervan. Inflatie Als gekeken wordt naar het complete plaatje van de investering in het opwekken van zonne-energie, dan moeten eventuele herinvesteringen hierin opgenomen worden. Van deze herinvesteringen zijn de prijzen op dit moment bekend maar er moet rekening worden gehouden met veranderingen van de economie, met andere woorden inflatie. Prijscorrectie Gedurende de periode waarin de herinvestering gedaan moet worden zal naast de inflatie ook de prijs van de omvormer veranderen. Voor deze prijsverandering is een verwachte prijscorrectie in het leven geroepen.

24

Herinvestering na levensduur omvormer De herinvestering na de levensduur van de omvormer is afhankelijk van de prijs van de omvormer die weer bepaald wordt door het gecorrigeerde rendement. Deze prijs wordt vervolgens vermenigvuldigd met de inflatie en de prijscorrectie waardoor de kosten van de herinvestering in beeld worden gebracht. Het is wel zo prettig dat je weet wat je in de toekomst staat te wachten. Investering totaal De totale investering bestaat uit de kosten van de investering in jaar één in combinatie met de kosten van de herinvesteringen die verricht moeten worden.

Figuur: 3.14

Het strand van Ameland

25

3.4 Doorontwikkeling van de rekentool

26

De rekentool is bruikbaar voor het berekenen van de verwachte energieopbrengst, maar voor meer nauwkeurige berekeningen kan nog het één en ander aangevuld worden. Door de verbeterfactoren in beeld te brengen kan de rekentool in de toekomst verder worden uitgewerkt. Onderdelen die verder uitgewerkt kunnen worden zijn; -- Het inspelen op het afnemende rendement van de zonnepanelen, met de herinvestering die gedaan moet worden in de omvormer. Hier omheen zijn ook nog tal van vraagstukken die invloed hebben op deze factor namelijk; • Wanneer een duurdere omvormer wordt gekocht waarmee de WattPiek van de installatie niet wordt bereikt. Kan deze dan positieve invloed hebben op de levensduur van van omvormer? • Wanneer een duurdere omvormer wordt gekocht waarmee de WattPiek van de installatie niet wordt bereikt. Kan deze dan invloed hebben op de hoeveelheid energie die uit het systeem komt? -- Uniforme productbladen aanmaken om zo de database te vullen met data van leveranciers en producenten, dit moet op meerdere gebieden gebeuren om zoveel mogelijk opties en combinaties mogelijk te maken; • Zonnepanelen • Omvormers • Optimalisaters -- Meer gegevens toevoegen over de wijze van montage, meer aangedragen mogelijkheden integreren en door middel van terugkoppeling de gegevens blijven aanpassen. -- Meer visualisaties laten plaatsvinden in de berekeing, zo kan de leek ook worden geholpen zonder verstand te hebben van zonnepanelen. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het selecteren van een dakvorm en aan de hand van nummers/letters getallen laten invullen. -- Verschillende mogelijke uitkomsten en verschillende opties voor zonnepanelen in een overzicht naast elkaar kunnen zetten en zo af kunnen lezen wat op financieel en energetisch gebied de beste investering is. -- Momenteel is de duurzaamheid van zonnepanelen nog een ontastbaar begrip, zitten er bijvoorbeeld; wat zijn de verschillen in gebruikte grondstoffen in verschillende typen zonnepanelen en hoe verhoudt de energetische en milieu-impact van deze grondstoffen per paneel zich tot elkaar? Aan

-------

de hand van de gebuikt materialen voor de fabricage van het zonnepaneel kan gekeken worden naar de duurzaamheid van het paneel. Ook de energie die nodig is voor het fabriceren van een zonnepaneel is niet meegenomen in de berekening. In de toekomst zou de energetische terugverdientijd meegenomen kunnen worden in de berekening. De vervangingswaarde moet worden opgenomen in de berekening wanneer een zonnecel-dakpan aangekocht wordt. Door niet een losse dakpan en paneel te kopen, kan de prijs gereduceerd worden. De invloed van de temperatuur op het rendement van het paneel. Het terugsalderen van de stroom, de terugsaldeergrens en wat er gebeurt als je niet mag terugsalderen. Het kunnen invoeren van je stroomverbuik en aan de hand van deze gegevens het benodigde oppervlakte invullen. De invloeden van direct en indirect licht, hoeveel energie wekt een zonnecel op wanneer er geen direct licht op valt?

27

Figuur: 3.15

Schermkopie van de huidige input en output van de rekentool

4. Toekomst

28

Het opwekken van (bruikbare) elektrische energie uit zonne-energie is een nieuwe technologie die nog volop in ontwikkeling is. In de laatste jaren is de efficiëntie enorm gestegen en zijn prijzen flink gedaald. De studenten Theun ter Velde en Nils Treffers hebben mij gevraagd om een stuk te schrijven over verwachte trends in zonne-energie voor hun rapport 'Zonnecellen op cultureel erfgoed'. Geschiedenis Om naar de toekomst van zonne-energie te kijken, is het verstandig iets over het verleden te weten. De opwekking van energie uit zonne-instraling is al reeds in de jaren 50 van de 19e eeuw aangetoond. Echter, toentertijd was er nog weinig bekend over halfgeleiders en praktische toepassing daarvan. Pas een eeuw later, met de echte ontwikkeling en toepassing van halfgeleider materialen, bleek een restproduct uit de chip-industrie geschikt als grondstof voor zonnecellen. Zeer puur silicium bleek een goede kandidaat voor opwekking van energie uit zonnestraling. Met de opkomst van de ruimtevaart zijn andere halfgeleider materialen (en combinaties) daarvan, ontdekt en ontwikkeld, om met zo min mogelijk oppervlak, zoveel mogelijk energie op te wekken voor buitenaardse toepassingen. Het spreekt voor zich dat kosten nog moeite gespaard werden om dit voor elkaar te krijgen. Dit heeft ertoe geleidt dat in de loop der jaren verschillende technologieën ontwikkeld zijn om zonne-energie op te wekken, zowel voor aardse als buitenaardse toepassingen. De meest bekende zonneceltechnologie is gebaseerd op kristallijn silicium: de typische glas laminaat panelen die op daken van huizen geïnstalleerd zijn. Dergelijke kristallijn silicium cellen hebben anno 2015 een efficiëntie van maximaal 22%. Een minder bekende variant is de dunne film technologie. Dunne zonnecellen in een flexibel laminaat zijn ontwikkeld om meer flexibiliteit en vorm vrijheid te creëren voor zonnepanelen. Deze technologie haalt efficiënties van rond de 18%. Hoofdzakelijk voor de ruimtevaart worden zogeheten 'multi-junction' cellen geproduceerd: zonnecellen opgebouwd uit lagen van verschillende halfgeleiders met een efficiëntie richting de 45%. Deze laatste variant is extreem duur; in de orde grootte van 100 euro per vierkante centimeter in vergelijking met 100 euro per vierkante meter voor dunne film technologie.

Huidige markt Momenteel bestaat de markt van zonne-panelen voornamelijk uit glas laminaten met kristallijn silicium cel technologie (85%). De overige 15% wordt hoofdzakelijk bezet door dunne film technologie en een fractie daarvan bestaat uit multi-junction technologie voor aardse toepassingen. Omdat zonnepanelen van kristallijn silicium over het algemeen een aanvaardbare prijs/prestatie verhouding hebben, is de markt voor deze panelen enorm gegroeid en productie, voornamelijk in China, is exponentieel gegroeid de laatste jaren. Dit heeft ertoe geleid dat deze modules flink in prijs zijn gezakt, waardoor de populariteit nog meer is toegenomen, waardoor meer afname ontstond, waardoor de productie groeide enzovoorts en zo verder. Een zonne-energie systeem bestaat echter niet alleen uit zonne-panelen, maar is een combinatie van panelen, maximum powerpoint trackers, één of meerdere inverters en montagesystemen. (Een maximum powerpoint tracker optimaliseert het vermogen van de zonnepanelen). De combinatie van deze componenten bepaalt de prijs en de werkingsgraad van het complete zonne-energie systeem. In 2012 bedroegen de kosten voor aanleg van een compleet zonne-energie systeem, inclusief vergunningen, voor een particuliere woning ongeveer 70% in de Verenigde Staten. De overige 30% waren de kosten voor de zonnepanelen zelf. Ontwikkelingen De voorgaande informatie is een goede basis om iets te zeggen over de ontwikkelen of trends op het gebied van zonne-energie. Waar vroeger de zonnepanelen de duurste component waren in het zonne-energie systeem, is nu de apparatuur en componenten in de periferie het duurste. De verwachting is dat dat aandeel in prijs wel iets zal zakken, maar het is onwaarschijnlijk dat installatie kosten (manuren) en materiaalkosten flink gaan zakken van conventionele componenten in Nederland. Een verwachte ontwikkeling in constructiematerialen voor zonnepanelen is het gebruik van (bio-)composiet materialen in plaats van aluminium, wat niet alleen de kosten kan reduceren, maar ook de energetische impact van het systeem.

Dunne film technologie Als we kijken naar de zonnecel technologie zelf, zijn er interessante ontwikkelingen op het gebied van dunne-film technologie. Dunne film cellen worden over het algemeen geassocieerd met lage kosten en ook een lage efficiëntie. Echter, nieuwe modules op basis van Copper-Indium-Gallium-Selenide halen efficienties van rond de 18% (soms zelfs beter dan amorf-kristallijn silicium) en de prijs is minder dan de helft van kristallijn silicium panelen. De verwachting is dat in de toekomst deze modules meer toegepast gaan worden. Hetzelfde geldt voor Cadmium-Telluride dunne film panelen. Deze celtechnologie belooft een relatief hoge efficiëntie voor dunne film panelen, echter de component 'cadmium' heeft in het verleden nogal wat controverse veroorzaakt in het verlengde van batterijen op cadmium basis. Over het algemeen zijn er wat beperkingen aan het gebruik van dunnefilm cellen en dat heeft met de fundamentele eigenschappen van de materialen te maken. Nieuwe materiaalcombinaties en productiemethoden kunnen wellicht met weinig kosten tot hoge opbrengsten en/of efficienties leiden, maar momenteel zijn er weinig kandidaten die zeer hoopvol zijn en hoge kans hebben op bijvoorbeeld verdubbeling van de efficienties en halvering van de kosten. Kristallijn silicium In het geval van kristallijn silicium, zijn er ontwikkelingen gaande op het gebied van encapsulatie. Kristallijn silicium heeft een relatief hoge efficiëntie en de kosten zijn relatief laag. Echter, de cellen zijn zeer breekbaar en worden daarom goed beschermd in een glas laminaat paneel met aluminium omlijsting. Standaardisering en exponentiele groei in productie heeft tot een standaard paneel geleidt wat weinig flexibiliteit in gebruik vertoond. Nieuwe ontwikkelingen in het inpakken van deze cellen zal in de nabije toekomst leiden tot kristallijn silicium verpakt in kunststof laminaten (een ontwikkeling die momenteel binnen NHL Hogeschool bij het lectoraat Zonnestroom en Vervoer plaatsvindt). Het inpakken van kristallijn silicium cellen in kunststof heeft als voordeel dat de productiekosten omlaag kunnen, zowel energetisch als financieel. De modules zijn semi-flexibel, waardoor een grotere vormvrijheid mogelijk wordt. Wellicht dat modules op basis van kristallijn silicium in de nabije toekomst nog

iets dalen, maar het theoretische efficientieplafond is haast bereikt (rond de 25%). Recente ontwikkelingen waardoor het kleurbeeld van de cellen aangepast kan worden (dus niet blauw-achtig, maar een andere kleur) zonder dat de efficiëntie sterk terug loopt, kan de acceptatie van zonne-cellen, in combinatie van innovatieve inpakmethodes sterk verbeteren. Multijunction In de ontwikkeling van multijunction cellen, de meest kostbare zonnecellen met een hoog rendement richting de 45%, zijn nog veel verwachtingen. Nieuwe technieken en kennis van halfgeleiders doet wetenschappers voorspellen dat in de nabije toekomst cellen met een omzettingsefficiency van rond de 60% haalbaar zijn. Om de kosten beheersbaar te houden voor dit type cel, zijn modules ontwikkeld waarbij een zeer klein cel oppervlak wordt beschenen met geconcentreerd zonlicht (soms tot wel 1000x concentratie). Op die manier zijn hoge efficienties te behalen in de opwekking van zonne-energie, met gebruik van weinig cel oppervlak en dus lagere kosten. Het nadeel van dergelijke systemen is wel dat bij gebruik van lenzen of ‘concentrators’ de module altijd naar de zon gericht moet staan, waardoor het gebruik van zonnevolg systemen de enige optie is. Nieuwe ontwikkelingen van zonne-cellen Een recente ontwikkeling in de zonnecel industrie zijn de anorganische cellen. Zonnecellen op basis van polymeren. Deze zonnecellen zijn zeer goedkoop te produceren (een paar eurocent per cel), maar efficienties zijn nog zeer laag (rond 2%). De prognoses voor dit type zonnecel lopen sterk uiteen. Sommigen beweren dat de toekomst van de zonnecel hier ligt, anderen zeggen dat het nooit rendabel kan zijn met kristallijn silicium. De voordelen zijn de goedekope productieprocessen en de lage energie-behoefte tijdens het proces. Een nadeel is dat organische cellen veel sneller degraderen dan anorganische cellen. Een ander type zonnecel wat wellicht nog gaat doorbreken zijn Perovskite zonnecellen. Deze cellen worden vervaardigd uit een samenstelling van metalen. Een variant gebaseerd op lood heeft in de afgelopen 5 jaar een enorme groei doorgemaakt, waardoor efficienties in laboratorium omgevingen rond de 19% gehaald worden. Onlangs heeft een team wetenschappers aangetoond dat deze cellen ook van gerycled lood uit auto-batterijen vervaardigd kunnen worden.

29

Integratie De verwachting is dat in de nabije toekomst, niet alleen kristallijn silicium, maar ook dunne film cellen als integraal onderdeel van eind-producten worden ingepakt. Denk bijvoorbeeld aan prefab constructiedelen waar zonnecellen deel van de constructie zijn of aan boten, waarin de zonnecellen als een naadloos geheel reeds in dak of dek zijn geintegreerd. Jarenlang is alleen fundamenteel onderzoek gedaan naar zonne-energie, met focus op verbeteren van de efficienties van de cellen en het ontwikkelen van nieuwe halfgeleiders. Sinds een paar jaar, en de verwachting is dat deze ontwikkeling zich doorzet, wordt er meer onderzoek gedaan naar de praktische toepassing van zonnecellen, maar ook aesthetische waarde, toepassingsdomeinen en optimalisatie door omgevingsvariabelen te verbeteren.

30

Slot Ondanks dat er veel potentie zit in zonne-energie, is het van belang in te zien dat de zon, optimaal gezien, niet meer dan 1400W/m2 kan opleveren. In het uiterste geval dat 100% van dat vermogen omgezet kan worden, zit er een duidelijke grens aan wat er maximaal opgewekt kan worden. Het is van belang dat de energievraag van de toepassing aansluit bij het aanbod van zonne-energie. Dus gekeken naar dunnefilm technologie, kristallijne cellen en multijunction panelen kan er respectievelijk 5x, 4x en 2x meer zonne-energie opgewekt worden. Alle beetjes helpen, maar een Tesla S kan er niet op rijden. Dat ligt niet aan de zon, maar aan de Tesla… Lector dr. Ir. Tim Gorter, lectoraat Zonnestroom en Vervoer, NHL Hogeschool

Figuur: 4.01

Natuurgebied oerd op Ameland

31

32

5. Conclusies

6. Aanbevelingen

Het hoofddoel van het rapport was de technische kant van PV inzichtelijker te maken en een berekening te leveren. Uitgangspunt hierbij was het inzichtelijk maken aan de hand van visualisaties, stroomschema’s en afbeeldingen. De informatie die dit rapport geeft kan vervolgens gebruikt worden in de discussie over het toepassen van PV op cultureel erfgoed.

Het technische onderzoek wat is in zijn totaliteit niet compleet, dit heeft er mee te maken dat technologische ontwikkelingen zich sneller voordoen dan dat kennis zich kan verspreiden. Om te zorgen dat dit rapport na afloop van het onderzoek bij kan dragen aan de doorontwikkeling van de markt zijn er een aantal aanbevelingen.

Als er gekeken wordt naar de toepassingen van PV zijn er verschillende mogelijkheden. Er zitten echter grote verschillen in de benodigde oppervlaktes en de financiële terugverdientijd, dit heeft met name te maken met de afmetingen van de panelen. Interessant aan deze verschillen is dat het standaard rechthoekige paneel niet altijd de beste optie is voor het gebruik. Dit heeft te maken met de opbrengst per vierkante meter die lager ligt dan die van andere producten. Bij de afweging tussen verschillende producten moet dus verder gekeken worden dan de financiële opbrengst. De energetische opbrengst is uiteindelijk leidend voor de besparing op energiekosten.

Verspreiding van kennis Er moet worden gekeken naar een mogelijkheden voor het sneller verspreiden van kennis. Momenteel is er bij zonnepanelen weinig overzicht van verschillende producten en hun eigenschappen. Dit komt voort uit het steeds veranderen van de markt. Er zijn nieuwe producten beschikbaar, er worden nieuwe technieken ontwikkeld of er gaan bedrijven failliet. In de toekomst zou deze kennis beter beschikbaar moeten worden. Deze kennis van belang is voor de samenleving. Een mogelijke optie hiervoor is het ontwikkelen van een kennisplatform, die zou daarnaast kunnen bijdragen aan de volgende onderwerpen; -- De actuele kennis en ervaringen delen met eigenaren, ontwerpers, adviseurs en overheden. -- Het creëren van nieuwe stageplekken voor studenten -- Nieuwe onderzoeken opstarten of een bijdragen leveren aan huidige onderzoeken. -- Het noorden van Nederland verder op de kaart zetten op het gebied van duurzame energie.

De rekentool geeft inzicht in de financieringskosten, de terugverdientijd en de energieopbrengst. Deze feiten kunnen worden meegenomen in de discussie over de toepassingsmogelijkheden van PV op cultureel erfgoed. Aan de hand van deze feiten kan worden vastgesteld of bepaalde keuzes financieel haalbaar zijn of ondersteuning nodig hebben om financieel uit te kunnen. De rekentool kan nog verder doorontwikkeld worden om zijn nauwkeurigheid te vergroten. Voor suggesties wordt verwezen naar Hoofdstuk 3.4 - Doorontwikkelen van de rekentool. De rekentool is momenteel alleen gebruikt voor het onderzoek, in de toekomst zou deze idealiter ook beschikbaar komen voor woningeigenaren.

33

Literatuurlijst Verslagtechnisch Elshof, Drs. M. & Pieters, Drs, I. (2006) Een goed onderzoek, ThiemeMeulenhoff: Utrecht/Zutphen 2013 Hogeweg, R. (2004) Een goed onderzoek, ThiemeMeulenhoff: Utrecht/ Zutphen Inhoudelijk Harrewyn, A. ENECO (2014) Zonnepanelen voor dummies, pearson bv: Amsterdam Hanergy (2014) Datasheets Smartroof (2014) Neosolpan

34

https://eosweb.larc.nasa.gov/sse/ (Geraadgpleegd op 2 december 2014) http://www.solarshop-europe.net (Geraadgpleegd op 12 december 2014) http://www.westlandsolar.nl/ (Geraadgpleegd op 12 december 2014) http://www.wenergy.nl/ (Geraadgpleegd op 13 december 2014) http://www.hanergysolar.nl (Geraadgpleegd op 15 december 2014)

Technisch Onderzoek. Bijlage 3 bij Zonnestroom en cultureel erfgoed. februari 2015

Recommend Documents