Er was eens een tijd dat PV systemen werden ontworpen om zoveel mogelijk energie uit het zonnepaneel te krijgen. Dat deden we door de piekopwek in de zomermaanden zo groot mogelijk te krijgen: Een ideale hoek naar de zon, pal op het zuiden, een grote omvormer, dikke DC en AC kabels, en voor de zekerheid een grote aansluiting op het net. Dat was toen heel nuttig want zonnepanelen waren duur. We wilden de laatste kWh er uit melken. Record-opbrengsten van meer dan 1000 kWh per geïnstalleerde kWp worden bereikt. Hoera!
Deze obsessie voor hoge piekproductie zien we nog steeds terug in de huidige subsidieschema’s. Kleinverbruikers mogen ‘salderen’ – de opgewekte energie tijdens piekmomenten mag weggestreept worden tegen de verbruikte energie op elk willekeurig moment. Grote zonnevelden krijgen SDE+ subsidie voor elke geproduceerde kWh – of dit nu tijdens een piek gebeurt of niet. Aansluitkosten zijn ‘gesocialiseerd’ – de kosten om de piekproductie af te voeren hoeft de eigenaar niet te betalen maar worden omgeslagen over alle huishoudens. Hiermee stimuleren overheid en netbeheerders nog steeds, bij zowel particulieren als bij grootzakelijke zonneveld ontwikkelaars, het opwekken in grote pieken.
De keuzes van toen dreigen nu echter als een boemerang weer terug te komen: Zonne-energie wordt in de retoriek van de netbeheerders steeds vaker als ‘vervuiler’ van het net bestempeld die weinig uren maakt, weinig energie opwekt en ondertussen wel het elektriciteitsnet bezet houdt. Zo schreef het NRC onlangs “Regio’s verkiezen dure zonne-energie boven wind”. Dit artikel triggerde mij om eens cijfermatig naar het probleem van het opwekken in grillige pieken te kijken.
Is de kritiek eigenlijk wel terecht? Heeft de kritiek niet vooral betrekking op de ontwerpkeuzes van toen? En niet zozeer op de zonne-energie zelf? Kunnen we met andere, slimmere ontwerpkeuzes deze kritiek niet eenvoudig ombuigen? Met andere woorden: Kunnen we van zonne-energie een betrouwbare, stabiele energiebron maken?
Het goede nieuws is: Ja dat kan. Het is zelfs heel erg eenvoudig. En het kost niet eens geld. De sleutel tot het succes zit hem in het gebruiken van een veel kleinere omvormer. Zonne-energie installaties met kleinere omvormers leveren namelijk iedere dag bijna evenveel energie, ongeacht het weer. Geen vervuilende piek-opwek meer. Tegelijkertijd wordt er stevig bespaard op de kosten van omvormer én op de kosten van de netaansluiting, waardoor de besparingen zelfs groter zijn dan de verliezen. Een duidelijke win-win.
Hieronder tonen we een grafiek om dat te onderbouwen. We hebben daartoe eerst het effect van een kleinere omvormer op de energieproductie en op het aantal vollasturen doorgerekend. Het blijkt dat je omvormers gemakkelijk kunt halveren zonder dat dit tot een noemenswaardig verlies van energieproductie leidt. Zodra je ze nóg kleiner dan 50% maakt begin je wel wat energieproductie te missen. Vervolgens hebben we de kosten van de opgewekte energie bepaald in drie scenario’s, met steeds een eenvoudige aanname van 25 jaar lineaire afschrijving en 2,5% financieringskosten.
Scenario “Vroeger”. Dit scenario gaat over de tijd waarin de ontwerpregels en subsidieschema’s zijn ontstaan. Zonne-energie systemen kostten toen nog 2 €/Wp. Systemen werden vooral aangebracht op bestaande aansluitingen. Het leverde dus niets op om de aansluiting kleiner te maken…
Scenario “Nu”. Dit gaat over de huidige tijd. Grootschalige zonne-energie systemen kosten inmiddels nog maar €0,70/Wp. Daarvan kosten de omvormer, DC bekabeling en aansluiting samen ongeveer €0,20/Wp. Nu kun je dus wel degelijk wat besparen door een kleinere aansluiting te kiezen! Het optimum ligt ergens bij een omvormer dimensionering van 60%. Hiermee worden al 1500 vollasturen gehaald terwijl je slechts 2.5% van de opgewekte energie verliest. We zien inderdaad dat ontwikkelaars van grootschalige zonnevelden steeds vaker voor een omvormer en aansluiting van deze maat kiezen. Zo maakte Enexis en Liander ondanks de resultaten van hun pilot rond ‘inperking’ van zonnevelden bekend: 30% lagere aansluitwaardes met slechts 2% energieverlies.
Scenario “Straks”: De kosten van het zonne-energiesysteem dalen verder tot €0,40 terwijl de kosten van de DC bekabeling en aansluiting juist verder zullen stijgen tot €0,30/Wp. In deze tijd is de keuze voor een kleine omvormer & aansluiting een absolute no-brainer. Een nieuwe vuistregel zal worden: Kies een omvormer gedimensioneerd op 20-30% van het zonne-energie vermogen. Vollasturen van rond de 2500 liggen dan in het normale bereik. En dat voor slechts enkele eurocent per kWh!
Kortom: Er was eerst een tijd dat we dachten dat we zonne-energie moesten gebruiken om energie in grillige pieken op te wekken. Daarna kwam een tijd dat we erachter kwamen dat het opwekken in grillige pieken helemaal niet handig was. Tot slot zullen we er achter komen dat je zonne-energie ook zónder grillige pieken kunt opwekken. En we leefden nog lang en gelukkig.
Het conversierendement ofwel de efficiëntie van een zonnepaneel geeft aan welk percentage van de energie uit het zonlicht wordt omgezet in elektriciteit.
Aan de ene kant is het rendement zomaar een getal dat niet echt van belang is. Zonlicht is namelijk gratis en ruimschoots voorradig. Wat maakt het dan uit hoeveel procent je precies omzet? Een percentage van gratis is immers nog altijd gratis? Aan de andere kant is het rendement wel degelijk van belang: Hoe hoger het rendement, hoe meer energie je kunt opwekken met een vast aantal zonnepanelen. Dat is vooral handig wanneer de ruimte voor zonnepanelen schaars is.
Hoe hoog is het rendement van zonnepanelen dan eigenlijk? Hier is geen exact antwoord op te geven omdat er zoveel soorten en types zonnepanelen bestaan. Op dit moment worden er bijvoorbeeld nog steeds zonnepanelen verkocht met een rendement van ongeveer 5%. Deze zonnepanelen vinden hun weg dan ook voornamelijk in toepassingen met dubbel ruimtegebruik, waar ruimte niet schaars is. Tegelijkertijd worden er ook zonnepanelen verkocht met een rendement van 23%. Die zonnepanelen worden dan ook vooral toegepast op plekken waar er wel degelijk een beperkte ruimte en een hoge energievraag is. Het gemiddelde rendement van de gehele industrie zit ergens tussen die twee uitersten in. Iedereen die het uitrekent zal andere verdeelsleutels hanteren en daardoor net weer op een ander getal uitkomen.
In de grafiek hieronder hebben we enkele bronnen naast elkaar gezet:
De Photon Module Database hield tussen 2001 en 2013 alle rendementen van alle zonnepanelen ter wereld bij. Het gemiddeld hiervan is weergegeven en zou een behoorlijk betrouwbaar getal moeten zijn.
De Topsector Energie stelde in December 2017 een Roadmap Systemen en Toepassingen op met daarin een gedetailleerde prognose van de rendementsontwikkelingen.
De ITRPV roadmap wordt opgesteld door de toekomstverwachtingen te enquêteren bij wereldwijd opererende zonnepaneel productiebedrijven.
We zien in de grafiek een duidelijk opwaartse trend waarin het gemiddelde rendement ieder jaar met ongeveer 0,4 procentpunt toeneemt. De getoonde roadmaps stoppen bij een gemiddeld rendement van 22.5% in 2030. Kan het nog verder gaan dan dat? Jazeker. Er zitten diverse technologieën in het vat waarmee rendementen boven de 30% haalbaar moeten zijn. De industrie is inmiddels groot en volwassen genoeg om enkele van deze technologieën door te ontwikkelen en op te schalen. Het is daarom mijn eigen verwachting dat de trendlijn van stijgende rendementen de komende 20 jaar zeker nog niet zal verzadigen.
Op naar in een industrie gemiddeld zonnepanelen rendement van 35% in 2050!
In deze tijd kunnen we niet om het coronavirus heen. De intensive care heeft maar een beperkte capaciteit. Het is tijdrovend en duur om deze capaciteit te verhogen. Door allerlei maatregelen proberen we ervoor te zorgen dat de piekbelasting van patiënten daar onder blijft: “Flatten the curve”.
Er is hier een duidelijke parallel met zonnevelden in het buitengebied te trekken: Het elektriciteitsnet in buitengebieden heeft een beperkte capaciteit. De zonnepanelen zorgen voor een piekbelasting op dit net. Het is tijdrovend en duur om deze capaciteit te verhogen. Maar hoe kunnen we déze piekbelasting dan eigenlijk afvlakken? Hoe werken we hier aan een ”Flatten the curve”?
De energiecoöperatie Weert Energie opende vorig jaar een zonneveld in het buitengebied van Weert, mét batterij-opslag. Onlangs is in samenwerking met Enpuls een praktijkproef gestart die de aandacht trok van enkele kranten, podcasts en nieuwsbrieven. In deze praktijkproef wordt de batterij ingezet om de productiepiek in op te slaan: “Peak shaving” wordt dit in duurzame energie jargon genoemd, maar het is in wezen niets anders dan “Flatten the curve”.
Is dit een serieuze mogelijkheid, ook voor andere zonnevelden in het buitengebied? Ik denk zelf van wel. Er zijn twee belangrijke redenen waardoor het plaatsen van een batterij bij een zonneveld in het buitengebied steeds aantrekkelijker wordt. Ten eerste de kosten. Een batterijen plaatsen is nu al goedkoper dan een netverzwaring uitvoeren, en batterijen worden ieder jaar weer 10% goedkoper. Ten tweede de opbrengsten. De flexibilisering van de elektriciteitsmarkt zal ervoor zorgen dat stroom die je ‘s avonds levert vanuit een batterij veel meer opbrengt dan stroom die je op het piekmoment levert direct vanuit de zonnepanelen. Een batterij zou daarom in de toekomst best wel eens tot de standaardapparatuur van een zonneveld in het buitengebied kunnen gaan behoren.
Laten we ons echter nu vooral nog op die eerste “Flatten the curve” richten en samen het coronavirus verslaan. Blijf allemaal veilig en gezond!
Een mooie zomerdag op het strand. Je staat op voor een wandelingetje op je blote voeten. Au, wat is dat zand heet! Deze situatie ken je misschien wel uit eigen ervaring. De zon kan het zand stevig opwarmen, tot meer dan 60˚C. Hoe zit dat met de zonnepanelen op je dak? Worden die ook zo gevaarlijk heet? En kunnen de materialen op je dak daar eigenlijk wel tegen?
Het antwoord op die en vele andere vragen kunnen we vinden in de meetgegevens van de SolarBEAT onderzoekslocatie van TNO. Op die plek wordt een veelvoud van innovatieve zonne-energie oplossingen 24 uur per dag, 365 dagen per jaar doorgemeten. In de grafiek hieronder (met dank aan Minne de Jong!) staat een vergelijking tussen de gemeten temperatuur van een zonne-dakpan en van een gewone dakpan. Dit zijn niet zomaar willekeurige gegevens, deze gegevens stammen van de heetste dag van het zonnigste jaar ooit gemeten: 27 juli 2018. De gegevens geven dus een goed beeld van de maximale temperatuur die je zou kunnen verwachten.
Wat zien we precies? Net als het zand op het strand kunnen zonnedakpannen behoorlijk heet worden: Bijna 70˚C! Maar: Dit is op zich helemaal niks nieuws. Gewone dakpannen, die al 3000 jaar lang onze daken versieren, worden zelfs nog heter dan zonnepanelen!
Hoe kan dit waar zijn? Simpel. Hedendaagse zonnepanelen absorberen circa 90% van de zonnestraling, maar slechts 70% daarvan wordt in warmte omgezet. De overige 20% wordt omgezet in elektrische energie en gebruikt in ons huis of elders in het elektriciteitsnetwerk. Dakpannen absorberen ook ongeveer 90% van het invallende licht. Ze kennen echter geen elektrische energieconversie. Gewone dakpannen zetten alle zonnestraling om in warmte en worden dus een stuk heter dan zonnepanelen.
De eerste les die we hieruit kunnen trekken? Zonnepanelen worden niet veel heter dan dakpannen en we hoeven ons niet specifiek zorgen te maken over de temperatuurontwikkeling op ons dak. De tweede les? Laten we zo snel mogelijk zandkorrels met energieconversie uitvinden… dan kunnen we eindelijk comfortabel op blote voeten over het hete zand lopen!
Soms worden zonnepanelen en elektrische auto’s als ‘vervuilers van het netwerk’ neergezet. Het netwerk zou de piekbelasting van zonnestroom productie niet aan kunnen. Het netwerk zou de piekbelasting van elektrische auto’s die tegelijk opgeladen willen worden niet aankunnen. We zouden voor miljoenen en miljoenen de netwerken in de woonwijken moeten gaan verzwaren om dit probleem te ondervangen.
Vandaag duiken we in een veel elegantere oplossing voor dit probleem: De slimme laadpaal. Dit is een laadpaal die de auto kan op- én ontladen om zo het netwerk te stabiliseren. Er wordt volop mee geëxperimenteerd, bijvoorbeeld in de Utrechtse wijk Lombok en bij de Johan Cruijff ArenA. Een internationaal onderzoeksrapport noemt de slimme laadpaal zelfs dé grote doorbraak die het energiesysteem in staat zal stellen om grote hoeveelheden zonne- en windenergie op te nemen.
Kan het echt zo belangrijk worden? Even wat kentallen. Een gemiddeld huishouden verbruikt per jaar 3650 kWh aan stroom, ofwel 10 kWh per dag. De toekomstige elektrische auto’s hebben een batterij met een capaciteit van zeker 100 kWh. Dit betekent dat een huishouden ruim een week kan leven op een volle auto-batterij! Andersom bekeken betekent dit ook dat er overdag maar enkele auto’s in een wijk op de oprit hoeven te blijven staan om de zonnestroom opwek van die wijk op te kunnen slaan.
Om inzichtelijk te maken wat een slimme laadpaal kan betekenen heb ik hieronder drie elektriciteitsprofielen gesimuleerd:
Het grijze profiel betreft de wijk van het verleden, zonder zonnepanelen en zonder elektrische auto’s. Het hobbelt wat op en neer met een piekverbruik van minder dan 1 kW per huishouden.
Het roodbruine profiel betreft het horror-scenario van de toekomst: Ongecontroleerde zonnestroom productie overdag en elektrische auto’s die allemaal tegelijk ’s avonds volgeladen willen worden. De pieken liggen nu op 5 kW. Help! Het netwerk moet 5x zo groot worden!
Het groene profiel betreft het droomscenario van de toekomst: Zonnepanelen, elektrische auto’s en slimme laadpalen. Je ziet dat dit scenario het woord ‘piekbelasting’ helemaal niet meer voorkomt! In plaats daarvan is er continu een zeer betrouwbare productie van minder dan 1 kW. Het huidige netwerk blijkt nu wel degelijk sterk genoeg om alle zonne-energie opwek en al het verbruik van de elektrische auto’s te kunnen faciliteren!
Wat kunnen we hier nu van leren? Het lijkt verstandig om het stimuleren van elektrische auto’s hand-in-hand te laten gaan met het inzetten op slimme laadpalen. Uitsluitend elektrische auto’s vanaf 2030? Dat is een geweldig idee! Maar dan wel graag tegelijk met een ontmoedigingsbeleid voor de ‘domme’ laadpaal en een stimuleringsbeleid voor de ‘slimme’ laadpaal!
Het AD kopte afgelopen september “Topzomer voor bezitters van zonnepanelen: Bijna een record-oogst!”. Dit lijkt een normaal bericht. Totdat je verder in het verleden gaat graven. Dan blijkt er toch iets raars aan de hand te zijn.
Een jaar eerder schreef de NOS namelijk al “2018 een droom-jaar voor zonnepanelen eigenaren“.En nog een jaar eerder schreef het Solar Magazine “Opbrengst zonnepanelen 2017 stevent af op jaarrecord”. Tot slot schreef de Technische Unie al in 2016 “voor het tweede jaar op rij werd er door zonnepanelen negen procent meer zonnestroom geproduceerd dan de voorgaande jaren.”.
Wat is hier aan de hand? Hebben we werkelijk jaar in jaar uit een ‘bovengemiddeld jaar’? Of klopt het gemiddelde eigenlijk gewoon niet?
De onderstaande figuur toont de zonne-instraling in De Bilt van 1 januari 1960 tot en met 20 december 2019. We zien dat er inderdaad iets opvallends aan de hand is: Van 1960-2000 lag de gemiddelde instraling op ongeveer 960 kWh/m2. Daarna hebben we een serie van maar liefst 19 (!) opeenvolgende jaren met een ‘bovengemiddelde opbrengst’. Een van de jaren (2018) lag zelfs meer dan 3 keer de standaarddeviatie boven het ‘oude’ gemiddelde.
Het KNMI heeft een reden gevonden voor de toegenomen zonneschijn: Door de klimaatverandering hebben we steeds vaker een zuiden- en oostenwind, en steeds minder vaak een westen- of noordenwind. Dit heeft minder wolken en meer zonuren tot gevolg. Het ‘oude’ gemiddelde van 960 kWh/m2 is dus niet meer geldig in ons nieuwe klimaat en moet eigenlijk gewoon vervangen worden door een ‘nieuw gemiddelde’ van 1040 kWh/m2. Dat scheelt meteen weer in het aantal krantenberichten over topjaren en topzomers.
In de business case berekening van een investering in zonnepanelen blijft het wel een lastige keuze… Ben je een rationele statisticus en reken je met het nieuwe gemiddelde van 1040 kWh/m2? Of ben je bang dat de trend ook zo weer kan omkeren en reken je gewoon nog met het oude gemiddelde van 960 kWh/m2? Voor sommige projecten kan dit net de doorslag betekenen om het juist wel of juist niet te doen… Grondige kennis van weer- en klimaatmodellen is nodig om de juiste inschatting te maken.
De conclusie van dit verhaal? Er is niets zo veranderlijk als het weer, maar voorlopig verandert het in elk geval wel de goede kant op.
Jaarlijkse instraling in De Bilt van 1960 tot en met 2019
We zijn geneigd dit als een technische vraag te zien met een verhandeling over productiekosten en conversierendementen. Maar de financiële parameters (tegen welk bedrag leen je het geld en over hoeveel jaar schrijf je het systeem af) zijn minstens zo belangrijk.
Het antwoord hangt er dus maar net vanaf welke bril je op zet. Welk financieel rendement wil je halen? En hoe lang laat je de zonnepanelen liggen? Er is een groot verschil tussen deze getallen van project tot project.
In de grafiek hieronder tonen we de historische ontwikkeling van de zonnestroom kostprijs voor drie verschillende ‘brillen’ die je op kunt zetten:
“Consumenten”: Er wordt geld tegen actuele spaarrente van de eigen spaarrekening gehaald en de zonnepanelen blijven de volledige technische levensduur op het dak liggen.
“PV projectontwikkelaar”: Er wordt geld tegen actuele zakelijke rentepercentages geleend en de zonnepanelen worden na 15 jaar afgevoerd en vervangen.
“Korte termijn investeerder”: Er wordt geld tegen een hoge interne rendementseis geleend en de zonnepanelen moeten binnen 5 jaar terugverdiend zijn.
De grafiek toont de spectaculaire afname van de zonnestroom kostprijs: Van meer dan €2,00/kWh in 1990 tot minder dan €0,10/kWh nu. Maar óók toont de grafiek de grote spreiding in de getallen. Een consument die zegt “Ik wordt slapend rijk van mijn zonnepanelen! Het is verreweg de goedkoopste energiebron op aarde!” heeft gelijk want hij produceert voor €0,02/kWh. Maar een op korte termijn winst ingestelde investeerder die zegt “Zonnepanelen zijn veel te duur. Slechte investering.” heeft óók gelijk want hij produceert zelf zonnestroom voor €0,20/kWh.
De belangrijkste vraag die hieruit volgt is natuurlijk: Welke bril zet jij zelf op?
De kostprijs van zonnestroom door de jaren heen, voor drie verschillende zienswijzen
Op 1 juli 2020 gaat de BENG norm in voor alle nieuwbouw. BENG staat voor “Bijna” Energie Neutrale Gebouwen. Maar hoeveel is nu eigenlijk “bijna”?
De BENG-3 score zegt welk percentage van de energie in een gebouw duurzaam opgewekt moet worden. Een energieneutraal gebouw zou dus een BENG-3 score van 100% hebben. En nu komt het…. de BENG-3 eis voor een kantoorgebouw is vastgesteld op…. tromgeroffel… 30%…???
Als je in de eerste alpenrit afstapt, heb je de Tour de France dan “bijna” uitgereden? Als je na 13 kilometer hijgend neerploft, heb je de marathon dan “bijna” uitgelopen? Als je in het casino twee derde van je inzet verspeeld, heb je dan “bijna” quitte gedraaid? Als je met 200 km/u geflitst wordt op de A2, heb je je dan “bijna” aan de snelheidslimiet gehouden? Als de aarde 6˚C opwarmt, hebben we de afgesproken 2˚C limiet dan “bijna” gehaald? Nee natuurlijk niet!
Het moge duidelijk zijn dat gebruik van het woord “bijna” hier absoluut niet op zijn plaats is. Van de andere kant, de afkorting BENG is wel leuk gevonden en bekt een stuk beter dan het hiervoor gebruikte systeem van EPC. Als oplossing voor dit probleem stel ik de hieronder gepresenteerde “B-schaal van BENG” voor. Met deze schaal kunnen we de afkorting BENG door de jaren heen blijven gebruiken, maar zetten we mensen niet op het verkeerde been met het woordje “bijna”.
En meteen maak ik dan maar van de gelegenheid gebruik om de sector uit te dagen het eerste “Belachelijk Energie Neutrale Gebouw” te realiseren!
Bovenstaande opmerking wordt nogal eens als excuus gebruikt… Niemand had kunnen voorzien dat het elektriciteitsnet zo snel verzwaard moest worden, niemand had kunnen voorzien dat er bestemmingsplannen rond het gebruikt van zonne-energie opgesteld moesten worden, niemand had kunnen voorzien dat daken stevig genoeg moesten zijn om het gewicht van zonnepanelen te kunnen dragen, niemand had kunnen voorzien een kolencentrale enkele jaren na de bouw al niet meer rendabel zou zijn, etc. etc.
Maar klopt dat eigenlijk wel? Is het inderdaad zo dat de zonne-energie sector ‘ineens’ zo snel gegroeid is? En had niemand dit kunnen voorzien? Wanneer je met een analytische blik naar de cijfers kijkt komt een ander beeld naar voren…
Volgens het CBS groeide zonne-energie van 1 MWp in 1990 tot 4.414 MWp in 2018. Speciaal voor dit soort trends over meerder grootte-ordes is door wiskundigen in de 17e eeuw de ‘logaritmische schaal’ bedacht. Ieder hokje in deze schaal staat voor een 10x zo groot getal.
Als je de CBS gegevens op deze manier bekijkt zie je dat de groei eigenlijk heel constant is, en dat een goede wiskundige 20 jaar geleden al had kunnen voorspellen hoeveel zonne-energie we nu in Nederland geïnstalleerd hebben staan!
Mogen we het excuus dan niet meer gebruiken? Jawel hoor, een mens kan immers niet alles weten. Maar dan liever wel met een nuancering: “Zonne-energie groeit zo snel, dit had niemand kunnen voorzien – Behalve een goede wiskundige!”
Zonne-energie vermogen in Nederland (bron: CBS) op een logaritmische schaal uitgezet tegen de tijd. De stippellijn toont een trend van 34,5% groei per jaar.
