Bijlage 3: Technisch Onderzoek

Technisch OnderzoekBijlage 3 bij ‘‘Zonnestroom en cultureel erfgoed’’

februari 2015

Eerste druk

Provincie Fryslân, Leeuwarden, februari 2015

Opdrachtgevers: Provincie Fryslân Secretariaat de Waddeneilanden Gemeente Leeuwarden

Technisch OnderzoekBijlage 3 bij ‘‘Zonnestroom en cultureel erfgoed’’

februari 2015

Zonne-energie gaat in de toekomst voor een belangrijk deel in onze energie-be-hoefte 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 Engi-neer, 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 beant-woorden (‘Doen zonnecellen afbreuk aan de waarden van monumenten en be-schermde 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 haalbaar-heid 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 bouw-kundig perspectief toch in staat zijn de knelpunten weten te benoemen waarbij het in het (succesvol) productontwerp om gaat. Het feit dat een product en-kel wordt geaccepteerd als deze goed functioneert én geaccepteerd wordt, komt duidelijk in dit werk naar voren, doordat ze vanuit verschillende perspectie-ven en disciplines inzicht geven in de zin en onzin van de toepassing van zon-ne-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 erf-goed.

Lector dr. ir. Tim Gorter, lectoraat Zonnestroom en Vervoer, NHL Hogeschool

Voorwoord

5

Verklarende woordenlijstZonnepanelen 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-urenEen 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.

STCHet 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 verbruikMet het gemiddeld verbruik word het verbruik bedoeld van een gemiddeld Ne-derlands huishouden. In dit rapport word aangehouden dat het verbruik van een Nederlands huishouden ligt op 3250 kWh.

WattpiekDe eenheid wattpiek is een aanduiding waarmee word aangegeven wat het vermogen is die een zonnepaneel onder Standaard Test Condities.

EfficiëntieDe 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 instralingMet de horizontale instraling wordt bedoeld de hoeveelheid energie die de zon per vierkante meter instraalt per uur op het horiznontale vlak.

SalderenHet verrekenen van de aan het net terug geleverde stroom tegenover de van het net verbruikte energie.

ZonnecellenEén losse zonnecel die in zijn meest vrije vorm kan worden verwerkt tot een aaneenschakeling van zonnecellen, genaamd een module.

ZonnemodulesDe 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 122.1 Aanbrengen van producten 122.2 PV-producten 13

3. Tool 153.1 Gebruik van de tool 163.2 Werking van de tool 203.3 Onderbouwing van het stroomschema 223.4 Doorontwikkeling van de rekentool 26

4. Toekomst 28

5. Conclusies 32

6. Aanbevelingen 33

9

1. InleidingAanleidingWat 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.

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.

LeeswijzerIn 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

1110

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

BouwproductPV wordt ook geïntegreerd in bouwproducten. Bijvoor-beeld in dakpannen of panelen die ook als waterkeren-de 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 paneelOok wordt PV uitgevoerd op een flexibele ondergrond. Het resultaat is een flexibel paneel met meer ontwerp-mogelijkheden. Het grootste voordeel is dat complexere vormen hiermee van zonnepanelen kunnen worden voor-zien. Flexibele panelen zijn geschikt voor vrijstaande, toe-gevoegde en geïntegreerde toepassing.

TotaalproductPV wordt niet alleen als ‘‘extra’’ toegepast. Een aantal pro-ducten zoeken juist naar de toepassing van PV als product op zich. Dit geeft de mogelijkheid om de PV een eigen es-thetiek mee te geven. Een voorbeeld hiervan is de ‘Smart-flower’ die als een bloem open klapt en de zon volgt voor een optimale rendement. Totaalproducten kunnen als toe-gevoegde of geïntegreerde toepassing geplaatst worden.

Cultureel erfgoedDe 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.

2.2 PV-productenZonnestraling 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).

Figuur: 2.02 Schetsen van verschillende bestaande mogelijkheden.

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 productenPV-producten kunnen grofweg op drie verschillende manieren toegepast wor-den: reversibel op het gebouw toevoegen, irreversibel op het gebouw toevoegen of los van het gebouw plaatsen (figuur 2.01).

Reversibel toevoegenPV 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 op-zichte 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.

Los van het gebouw plaatsenHet 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 vorm-vrijheid.

Irreversibel toevoegen of integrerenDenk 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 moe-ten worden.

Figuur: 2.01 Reversibel aan het gebouw toevoegen Los van het gebouw toevoegen Irreversibel aan het gebouw toevoegen

1312

3. ToolVoor 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.

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 toolDe 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.

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 discussieEen 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 leveran-ciers 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.

Minimale input TOOL Bruikbare output

1514

De tool is ontwikkeld ten behoeve van het inzichtelijk krijgen van de verschil-lende 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.

3.1 Gebruik van de tool

Afbeelding

AfmetingenFiguur: 3.01 Slides Figuur: 3.02 Zonnepan Figuur: 3.03 Regulier paneel1822 mm x 473 mm 468 mm x 356 mm 1197 mm x 796 mm

Oppervlakte 0,625 m2 0,104 m2 0,953 m2

Piek vermogen (WP) 90 WP 13 WP 120 WP

Efficiëntie (%) 14,4 % 12,5 % 12,6 %

Efficiëntie na gebruikJaar ... / %Jaar .../ %

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

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

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

Prijs € / WP € 1,00 - € 2,25 € 2,85 € 0,38

Afbeelding

AfmetingenFiguur: 3.05 Regulier paneel Figuur: 3.06 Regulier paneel Figuur: 3.07 Flexibel paneel1245 mm x 635 mm 1611 mm x 665 mm 3052 mm x 367 mm

Oppervlakte 0,791 m2 1,071 m2 1,12 m2

Maximale opbrengst (WP) 65 WP 140 WP 120 WP

Efficiëntie (%) 8,2 % 13,0% 10,7%

Efficiëntie na gebruikJaar ... / %Jaar .../ %



90 % na 10 jaar (aanname)Tabel: 3.08 80 % na 25 jaar (aan-name)

Prijs € / WP € 0,36 € 0,50 € 1,50Figuur: 3.04 Tabel met een overzicht van producten en beschikbare gegevens. Figuur: 3.09 Tabel met een overzicht van producten en beschikbare gegevens.

1716

Cases20 m2, helling 40°, orientatie Zuid

20 m2, helling 40°, orientatie Zuid


Investering € 11.087,- € 12,378,- € 5.563,-

Terugverdientijd (Financieel) 15 jaar 17,5 jaar 5 jaar

Rendement (Financieel) 2,19 % 1,37 % 10,40 %

Opbrengst energie jaar 1 2954 kWh 2564 kWh 2583 kWh

Oppervlakte nodig t.b.v. gemiddeld verbruik

22,00 m2 25,35 m2 25,16 m2

Cases20 m2, helling 20°, orientatie West

20 m2, helling 20°, orientatie West


Terugverdientijd (Financieel) 18 jaar 23 jaar 6 jaar

Rendement (Financieel) 1,10 % 0,43 % 7,79 %



25,89 m2 29,82 m2 29,60 m2

Cases20 m2, helling 40°, orientatie Zuid



Investering € 4,230,- € 5.914,- € 8.103,-

Terugverdientijd (Financieel) 6 jaar 6,5 jaar 12,5 jaar

Rendement (Financieel) 7,69% 9,57 % 3,15 %



38,55 m2 24,24 m2 29,57 m2

Cases20 m2, helling 20°, orientatie West



Terugverdientijd (Financieel) 7,5 jaar 7,5 jaar 16,5 jaar

Rendement (Financieel) 5,52% 7,13 % 1,83 %



45,36 m2 28,52 m2 34,80 m2

Tabel: 3.10 Vervolg op tabel met een overzicht van producten, hier aan toegevoegd zijn onderbouwde berekeingen in een standaard situatie.Tabel: 3.11 Vervolg op tabel met een overzicht van producten, hier aan toegevoegd zijn onderbouwde berekeingen in een standaard situatie.

1918

De uitwerking van de tool is gecontroleerd op zijn functioneren door verchil-lende 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 on-derdelen uit het stroomschema nader worden toegelicht.

3.2 Werking van de tool

Efficiëntie paneel (%)Afnemende efficiëntie paneel (% / jaar)

Instraling zon (kWh / m2 / jaar)

Efficiëntie omvormer (%)

Hellingshoek ( ° )Oriëntatie ( ° )

Verloop besparingen (kWh/jaar)

Prijs per kWh (€)

Besparingen per jaar ( € / jaar )

Terugverdientijd (Jaren)

Investering (€)

Oppervlakte paneel (m2) Dak oppervlakte (m2)Prijs per WP (€ / WP) Montage per m2 (€)Piekvermogen paneel (WP)

WP installatie (WP)

Prijs per paneel (€) Aantal panelen (st.)

Prijs van panelen totaal (€)

Afname rendement na pe-riode van levensduur

(WP)

Levensduur omvormer(jaren)

Prijs montage (€)

Investering jaar 1 (€)

Bepalen omvormer (Max W)

Inflatie (%) Prijscorrectie (%)

Bepalen omvormer (Max W)

Herinvestering na levensduur omvormer (€)

Investering totaal (€)

Figuur: 3.12 Stroomschema van de berekening van de terugverdientijd in jaren. Figuur: 3.13 Stroomschema van de berekening van de totale investering

2120

3.3 Onderbouwing van het stroomschemaOm 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.

OriëntatieDe 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.

HellingshoekDe 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°.

Efficiëntie omvormerAfhankelijk 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 zonDe 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 paneelDoor 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 paneelZonnepanelen 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.

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

Prijs per kWhMet 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.

Besparing per jaarDe 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.

InvesteringDe 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.

TerugverdientijdDe 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 paneelDe 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 WpDe 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 paneelHet 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.

DakoppervlakteHet 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 prijsDe 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 paneelDe prijs per paneel is een vermenigvuldiging van het aantal wattpiek per paneel met de prijs die per wattpiek voor het paneel wordt betaald.

Aantal panelenHet aantal panelen is de deling van het beschikbare oppervlakte door de oppervlakte per paneel.

Prijs montageDe 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 totaalDe 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 installatieHet 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 omvormerDe 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 omvormerDe 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 levensduurHet 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.

2322

Investering jaar éénDe 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.

InflatieAls 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.

PrijscorrectieGedurende 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.

Herinvestering na levensduur omvormerDe 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 totaalDe 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

2524

3.4 Doorontwikkeling van de rekentoolDe rekentool is bruikbaar voor het berekenen van de verwachte energieop-brengst, maar voor meer nauwkeurige berekeningen kan nog het één en ander aangevuld worden. Door de verbeterfactoren in beeld te brengen kan de reken-tool in de toekomst verder worden uitgewerkt. Onderdelen die verder uitge-werkt 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 na-melijk;

• Wanneer een duurdere omvormer wordt gekocht waarmee de Wat-tPiek 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 Wat-tPiek 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 gebeu-ren 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 gege-vens 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 zonne-panelen 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 be-grip, zitten er bijvoorbeeld; wat zijn de verschillen in gebruikte grondstof-fen 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 wan-neer 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 gege-

vens het benodigde oppervlakte invullen. - De invloeden van direct en indirect licht, hoeveel energie wekt een zonne-

cel op wanneer er geen direct licht op valt?

Figuur: 3.15 Schermkopie van de huidige input en output van de rekentool

2726

Het opwekken van (bruikbare) elektrische energie uit zonne-energie is een nieu-we technologie die nog volop in ontwikkeling is. In de laatste jaren is de efficiën-tie 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'.GeschiedenisOm 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 zonne-straling. Met de opkomst van de ruimtevaart zijn andere halfgeleider materialen (en combinaties) daarvan, ontdekt en ontwikkeld, om met zo min mogelijk op-pervlak, 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 ont-wikkeld 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 geïnstal-leerd 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 flexibili-teit en vorm vrijheid te creëren voor zonnepanelen. Deze technologie haalt effi-ciënties van rond de 18%. Hoofdzakelijk voor de ruimtevaart worden zogeheten 'multi-junction' cellen geproduceerd: zonnecellen opgebouwd uit lagen van ver-schillende 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 marktMomenteel bestaat de markt van zonne-panelen voornamelijk uit glas lamina-ten met kristallijn silicium cel technologie (85%). De overige 15% wordt hoofd-zakelijk 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 aanvaard-bare prijs/prestatie verhouding hebben, is de markt voor deze panelen enorm gegroeid en productie, voornamelijk in China, is exponentieel gegroeid de laat-ste jaren. Dit heeft ertoe geleid dat deze modules flink in prijs zijn gezakt, waar-door 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 optimali-seert het vermogen van de zonnepanelen). De combinatie van deze componen-ten bepaalt de prijs en de werkingsgraad van het complete zonne-energie sys-teem. 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.OntwikkelingenDe voorgaande informatie is een goede basis om iets te zeggen over de ontwik-kelen 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 componen-ten in Nederland. Een verwachte ontwikkeling in constructiematerialen voor zonnepanelen is het gebruik van (bio-)composiet materialen in plaats van alu-minium, wat niet alleen de kosten kan reduceren, maar ook de energetische impact van het systeem.

4. ToekomstDunne film technologieAls we kijken naar de zonnecel technologie zelf, zijn er interessante ontwikke-lingen op het gebied van dunne-film technologie. Dunne film cellen worden over het algemeen geassocieerd met lage kosten en ook een lage efficiëntie. Ech-ter, nieuwe modules op basis van Copper-Indium-Gallium-Selenide halen effi-cienties 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 celtech-nologie 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 cel-len en dat heeft met de fundamentele eigenschappen van de materialen te ma-ken. 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 bijvoor-beeld verdubbeling van de efficienties en halvering van de kosten.Kristallijn siliciumIn het geval van kristallijn silicium, zijn er ontwikkelingen gaande op het ge-bied 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. Stan-daardisering 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 sili-cium 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 effi-ciëntie sterk terug loopt, kan de acceptatie van zonne-cellen, in combinatie van innovatieve inpakmethodes sterk verbeteren.MultijunctionIn 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% haal-baar zijn. Om de kosten beheersbaar te houden voor dit type cel, zijn modules ontwikkeld waarbij een zeer klein cel oppervlak wordt beschenen met gecon-centreerd zonlicht (soms tot wel 1000x concentratie). Op die manier zijn hoge efficienties te behalen in de opwekking van zonne-energie, met gebruik van wei-nig 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-cellenEen 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 pro-ductieprocessen 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 zon-necellen. 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.

2928

IntegratieDe verwachting is dat in de nabije toekomst, niet alleen kristallijn silicium, maar ook dunne film cellen als integraal onderdeel van eind-producten worden inge-pakt. 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 onder-zoek 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.

SlotOndanks 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 dui-delijke 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 wor-den. 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

3130

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.

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.

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.

5. ConclusiesHet 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.

Verspreiding van kennisEr moet worden gekeken naar een mogelijkheden voor het sneller verspreiden van kennis. Momenteel is er bij zonnepanelen weinig overzicht van verschillen-de producten en hun eigenschappen. Dit komt voort uit het steeds veranderen van de markt. Er zijn nieuwe producten beschikbaar, er worden nieuwe tech-nieken ontwikkeld of er gaan bedrijven failliet. In de toekomst zou deze kennis beter beschikbaar moeten worden. Deze kennis van belang is voor de samenle-ving. 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, advi-seurs en overheden.

- Het creëren van nieuwe stageplekken voor studenten - Nieuwe onderzoeken opstarten of een bijdragen leveren aan huidige on-

derzoeken. - Het noorden van Nederland verder op de kaart zetten op het gebied van

duurzame energie.

6. Aanbevelingen

3332

VerslagtechnischElshof, Drs. M. & Pieters, Drs, I. (2006) Een goed onderzoek, ThiemeMeulen- hoff: Utrecht/Zutphen2013 Hogeweg, R. (2004) Een goed onderzoek, ThiemeMeulenhoff: Utrecht/Zutphen

InhoudelijkHarrewyn, A. ENECO (2014) Zonnepanelen voor dummies, pearson bv: Am-sterdam

Hanergy (2014) DatasheetsSmartroof (2014) Neosolpan

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)

Literatuurlijst

34

Bijlage 3: Technisch Onderzoek

Documents

Transcript of Bijlage 3: Technisch Onderzoek