Februari 2021
‘Nieuwe pv-technologie gaat onze energiesystemen fors veranderen’
TU Delft baart wereldwijd opzien met baanbrekende pv-innovatie
De benutting van zonne-energie zit de laatste jaren stevig in de lift. Met een geïnstalleerd vermogen van meer dan 10 GWpiek beginnen pv-installaties een substantiële bijdrage te leveren aan de verduurzaming van onze energievoorziening. Maar we staan pas, niet alleen qua aandeel in de opwekking, maar ook qua mogelijkheden, aan het begin van een ontwikkeling. Dat blijkt bijvoorbeeld uit de baanbrekende pv-innovatie die de tu Delft eind 2020 heeft gepubliceerd.
Vooral de laatste 5 jaar heeft fotovoltaïsche zonne-energie een forse groei doorgemaakt. ‘Nederland heeft op dit moment een van de snelst groeiende markten voor pv in Europa’, zegt prof.dr.ir. Miro Zeman, hoogleraar aan de tu Delft. Hij is al ruim 30 jaar werkzaam aan deze technische universiteit en is op dit moment voorzitter van de afdeling Electrical Sustainable Energy (ese) bij de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica. Samen met zijn collega’s van de afdeling Photovoltaic Materials and Devices (pvmd) stond hij aan de basis van veel ontwikkelingen op het gebied van pv-cellen en pv-technologie. Zo ontwikkelde hij een methode om de efficiëntie van zonnecellen te optimaliseren, waardoor inmiddels ruim 50 procent van de wereldwijd verkochte zonnepanelen de door hem bij tu Delft ontwikkelde technologie bevat. De laatste jaren is zijn scope een stuk breder geworden, omdat hij ook werkt aan innovaties die ons energiesysteem stabieler en beter bestand tegen fluctuaties maken. ‘De ontwikkelingen gaan erg snel. Als we puur naar zonne-energie kijken, dan verwacht ik dat we pas aan het begin staan van een enorme groeicurve. Daarom is het erg jammer dat we in Nederland geen producent van zonnecellen hebben. Daarvoor zijn we afhankelijk geworden van producenten in het verre oosten. Maar ik heb wel de hoop dat dit in de toekomst nog verandert.’
Overheidssturing
Dat we in ons land, maar ook elders in Europa, geen zonnecellen maken, heeft volgens Zeman vooral te maken met het ontbreken van steun en sturing door de overheid. ‘In Europa is de instelling dat we dit aan de markt moeten overlaten. Maar juist een industrie voor zonnecellen moet snelheid kunnen maken. In China bouwen fabrikanten, met steun van de overheid, in 3 maanden een nieuwe fabriek voor zonnecellen. Hier moeten we lange en kostbare aanbestedings- en vergunningsprocedures doorlopen. Terwijl deze industrie juist heel goed hier zou passen.’
‘De productie van zonnecellen is bijna 100 procent geautomatiseerd. We hebben alleen een klein aantal hoogopgeleide ingenieurs nodig, en die kunnen we hier opleiden. Omdat transportkosten – en dus niet de arbeid – in de toekomst in grote mate bepalend worden voor de kostprijs van zonnecellen, ben ik ervan overtuigd dat met de fors groeiende volumes een industrie voor zonnecellen in Nederland of Europa rendabel is.’
Het belangrijkste van photovoltatronics is de eigenschap om verschillende disciplines bij elkaar te brengen
Rendement
Op de tu Delft is een grote groep onderzoekers en afstudeerders van zeventig tot tachtig mensen bezig met verschillende innovaties waarvan Zeman de resultaten, zo zegt hij, bij voorkeur in ons land zou willen produceren. ‘Met de huidige kristallijnsilicium-zonnecellen zitten we in de buurt van hun maximale, theoretisch omzettingsrendement van 29,4 procent. Het Japanse bedrijf Kaneka heeft al een zonnecel gedemonstreerd met een rendement van bijna 27 procent. De huidige commerciële modules halen al een rendement van 20 procent. Over 5 jaar zijn we in staat om met kristallijnsilicium modules met een opwekrendement van 23 tot 25 procent te maken. Daarom zijn wij op dit moment een programma gestart waarmee we een techniek ontwikkelen die dat theoretisch rendement van 29,4 procent gaat overtreffen. Dit doen we met de zogeheten tandem-pv; waarbij we modules samenstellen die uit twee gestapelde pv-cellen bestaan, zowel kristallijnsilicium als perovskiet dunnefilm-pv-cellen. Hiervoor werken we samen met tu Eindhoven, amolf en de Universiteit van Amsterdam. Dit programma wordt gefinancierd door de nwo en ontvangt steun van Shell en een aantal andere bedrijven. Uiteindelijk zullen we met deze technologie een rendement van meer dan 30 procent kunnen realiseren.’
Innovatieve technologie
Toch is het rendement van zonnecellen uiteindelijk niet het meest belangrijk voor de consument of eindgebruiker, zo relativeert Zeman zijn eigen uiteenzetting over de zoektocht naar een steeds hoger rendement. ‘Academici, maar ook fabrikanten, streven naar een zo hoog mogelijk, theoretisch rendement. Dat is boeiend, maar die rendementen meten we bij zeer gestandaardiseerde omstandigheden. Omstandigheden die je in de praktijk bijna nooit, of slechts een klein aantal uren per jaar, haalt.’
‘Voor de eindgebruiker is het veel belangrijker om te weten hoeveel elektriciteit een module per jaar opwekt. Je kunt beter modules met een rendement van 15 procent op een zeer zonnige plek installeren dan dat je straks een module met hypermoderne pv-cellen met 25 procent rendement op een plek installeert die een deel van de dag in de schaduw ligt.’ Daarmee raken we aan een onderwerp waarvoor de onderzoekers van de tu Delft recentelijk zeer belangrijke innovaties hebben gepresenteerd. Zij baarden wereldwijd opzien met een innovatieve technologie die straks kan helpen om de effectiviteit van zonnecellen en -modules, maar ook de inpasbaarheid ervan in onze energiesystemen, met grote sprongen vooruit te helpen.
Draagvlak
‘Het ruimtebeslag van zonnepanelen begin een ‘heet’ thema te worden. Nu investeerders hebben ontdekt dat je met zonnepanelen geld kunt verdienen, worden grote pv-parken aangelegd. Het accent lijkt te verschuiven van gebouwgekoppelde systemen naar systemen op de grond, omdat die systemen op dit moment goedkoper en vaak ook eenvoudiger te realiseren zijn. Maar net als met windenergie, wekken grootschalige zonneparken in het buitengebied in toenemende mate weerstand op, zeker als het ten koste gaat van het open landschap of natuurschoon.’
‘Om het draagvlak voor zonne-energie bij de consument niet te verliezen, moeten we goed kijken waar we pv-systemen installeren. Uiteindelijk moet het een balans zijn tussen gebouwgekoppelde en grondgebonden systemen. Als we er dan voor kunnen zorgen dat zonnepanelen ook op minder gunstige plekken of onder minder gunstige omstandigheden goed presteren, dan kunnen we veel barrières weghalen om pv toch op meerdere gebouwen te installeren. Mede om dat te kunnen doen, hebben wij onze nieuwe technologie ontwikkeld.’
Photovoltatronics
Die innovatieve technologie heet ‘photovoltatronics’ en is door de tu-onderzoekers vorig jaar november in het wetenschappelijke tijdschrift Energy & Environmental Science gepubliceerd. Het is een technologie en tegelijk een onderzoeksgebied waarin intelligente pv-cellen en digitale informatietechnologie worden gecombineerd. Het doel van photovoltatronics is de opwekking van elektriciteit, maar tegelijk ook het gebruik van die elektriciteit te maximaliseren, vooral in de gebouwde omgeving. ‘Bij photovoltatronics maken wij gebruik van het feit dat zowel fotonen als elektronen dragers zijn van zowel energie als informatie. Zo kunnen we modules ontwerpen en uiteindelijk ook produceren die gelijktijdig elektriciteit opwekken, maar ook informatie uitwisselen en rechtstreeks communiceren met bijvoorbeeld energiesystemen’, vertelt Zeman. De introductie van de term photovoltatronics en ook de principes van deze technologie waren wereldwijd eerder nog niet bekend, voordat de tu Delft zijn wetenschappelijke publicatie lanceerde. ‘Voor november was er niets over dit onderzoeksgebied te vinden op internet. En als je nu op Google gaat zoeken, zal je zien dat de wetenschappelijke wereld er al breed over discussieert. We hebben echt een nieuwe dimensie aan de pv-technologie toegevoegd die onze energiesystemen een extra dimensie en een sterke impuls gaat geven.’
Schaduwwerking
‘De mooiste plek voor pv-systemen is toch wel de gebouwde omgeving, omdat je dan de opwekking en benutting van energie direct bij elkaar brengt. Alleen heb je bij gebouwen ook met schaduwwerking te maken. Eén van de eigenschappen en voordelen van photovoltatronics is dat we hiermee kunnen zorgen dat zonnepanelen, zodra ze deels in de schaduw komen, toch op een zo hoog mogelijk vermogen elektriciteit blijven leveren.’
‘Op dit moment keldert het opwekvermogen van een traditioneel paneel direct, zodra een klein deel van het paneel in de schaduw ligt. Met photovoltatronics kunnen we – even simpel gezegd – zorgen dat alleen de cellen die in de schaduw liggen tijdelijk worden uitgeschakeld, maar de rest van de cellen op vol vermogen elektriciteit blijven leveren. Dat komt omdat we met photovoltatronics van de zonnecel ook een sensor maken. Hij voelt en weet als het ware zelf of hij in de schaduw ligt, en kan een signaal aan de besturing afgeven. En die zorgt dan dat de cellen onder schaduw tijdelijk worden uitgeschakeld. Met deze techniek wordt het interessanter om hele façades met panelen te bedekken. Want de besturing kan door die slimme cellen het vermogen van het systeem permanent optimaliseren.’
Disciplines
Het belangrijkste van photovoltatronics is de eigenschap om verschillende disciplines bij elkaar te brengen die van belang zijn voor onze energievoorziening. De ingebouwde intelligentie, de energieopslagcapaciteit en (draadloze) communicatie zitten straks allemaal in dezelfde zonnecel. Daarmee is het zonnepaneel, zo geeft Zeman aan, niet meer slechts een passief productiemiddel van elektriciteit, ‘maar zorgt de technologie ervoor dat zonne-energie juist een hele actieve rol kan spelen binnen onze energiesystemen, maar eigenlijk in onze hele samenleving.’ De Delftse hoogleraar wijst op de mogelijkheden om zonnecellen in ramen te integreren die vervolgens tegelijk de toetreding van daglicht, de koeling en zonwering van een gebouw reguleren.
‘De energiesector is conservatief. Het duurt lang voordat beheerders en exploitanten van onze energiesystemen bijvoorbeeld nieuwe vormen van intelligentie aan hun systemen toevoegen. Dat is een extra reden waarom photovoltatronics een cruciale rol kan vervullen. Juist met hulp van de elektronica en dataverwerkingssoftware voegen we een stuk intelligentie aan zonnecellen toe. We hoeven daarvoor niet meer af te wachten of netbeheerders en installateurs de vereiste intelligentie ontwikkelen die nodig is om onze energiesystemen robuuster, zelfsturend en stabieler te maken. In de toekomst zit dit al automatisch in de pv-systemen die met onze technologie zijn uitgerust.’
‘Met photovoltatronics kunnen we zorgen dat alleen de cellen die in de schaduw liggen tijdelijk worden uitgeschakeld’
Octrooien
De mogelijkheden zijn heel breed, vertelt Zeman. In het artikel in het wetenschappelijk magazine heeft het team van de tu Delft vijf onderzoeksgebieden op een rij gezet, waar kansrijke oplossingen met photovoltatronics te behalen zijn. ‘Voor twee oplossingen hebben wij inmiddels octrooien aangevraagd en zijn we ook met prototypes aan de slag’, vertelt Zeman. ‘Of en wanneer die oplossingen in de praktijk zichtbaar worden, heeft veel te maken met de kostprijs. Marktpartijen zullen altijd afwegen of de intelligentie die wij toevoegen, en de investering die daarvoor nodig is, terug te verdienen is in de extra energieopbrengst. Maar wij denken dat er veel kansen zijn om de kosten te drukken en de technologie heel snel rendabel te maken.’ Zeman hoopt wel dat er ook Nederlandse bedrijven zijn die met de tu Delft deze mogelijkheden verder willen onderzoeken. ‘We zijn in gesprek met fabrikanten die zonnepanelen maken. En gelukkig kunnen wij op de tu Delft zelf onze eigen zonnecellen produceren. We staan zelfs op het punt om onze infrastructuur te upgraden en nieuwe machines aan te schaffen waarmee we ook zonnecellen van 15x15 cm kunnen produceren, de meest gangbare afmeting in de zonnepanelenindustrie. Nu hebben we nog machines die cellen van 10x10 cm produceren. Deze maand moet ons bestuur toestemming geven om die investeringen te doen.’
Batterij
Zeman benadrukt nog maar eens dat de intelligentie die zij nu aan zonnecellen toevoegen, belangrijker is dan puur voor de pv-industrie. ‘Ik kijk inmiddels naar de voordelen voor ons totale elektriciteitssysteem. Nu zie je dat er problemen ontstaan in wijken en regio’s doordat energienetten niet bestand zijn tegen de fluctuaties of de enorme groei van decentrale opwekking. Juist met intelligente zonnecellen kun je veel van die problemen voorkomen en ondervangen.’
‘Ik voorzie bijvoorbeeld zonnepanelen waarbij we aan de onderkant van de zonnecellen een batterij – feitelijk een flexibel opslagmedium – integreren. Alle energie die op een bepaald moment overtollig is, zal het systeem autonoom, of aangestuurd door het energiesysteem, in die batterij opslaan. Een paar uur later, als er een piek in de afname is, geeft het paneel die stroom weer vrij. Deze techniek is niet alleen in de gebouwde omgeving toepasbaar. Je kunt dit principe ook in de medische wereld of in de industrie toepassen.’ Volgens Zeman gaat photovoltatronics ook in datacommunicatie een rol spelen, in de vorm van LiFi, een variant op wifi, waarbij data via onzichtbare lichtgolven wordt getransporteerd. ‘Stel je voor dat je intelligente zonnecellen combineert met leds die geen zichtbaar licht, maar wel LiFi uitstralen. Die led’s kunnen op die plek voor een datanetwerk zorgen en worden gevoed en aangestuurd door de zonnecellen. Zo kun je op hele afgelegen of ingewikkelde plaatsen, met een plakje slimme silicium en wat led’s, informatie verzenden en ontvangen. Dat gaat ons veel kabels en netwerken besparen.’
Meer informatie over photovoltatronics is te vinden in het artikel in Energy & Environmental Science: bit.ly/Photovoltatronics.
Tekst: Rob van Mil, freelance publicist.
Fotografie: Eric de Vries