Transitietechnologie - Factsheets energietechnologieën

Zonne-energie

Stand van de techniek

Technologiebeschrijving
In een fotovolta?sche cel (PV- of zonnecel) wordt energie uit licht (zonnestraling) direct omgezet in elektriciteit, zonder tussenkomst van thermische of mechanische processen. Het fotovolta?sch effect treedt op wanneer halfgeleidermateriaal, waarvan een deel (de p-laag) positieve en de ander deel (de n-laag) negatieve lading kan geleiden, blootgesteld wordt aan zonnestraling. Licht wordt geabsorbeerd in de zonnecel waardoor er lading wordt vrijgemaakt. Omdat zich op het overgangsgebied tussen de p- en de n-laag een selectieve ladingsbarri?re bevindt, leidt het vrijmaken van lading tot de opbouw van een potentiaalverschil tussen voor- en achterzijde van de cel. Dit potentiaalverschil is de drijvende kracht achter de werking van de zonnecel. Door de twee lagen uitwendig met elkaar te verbinden, kan de lading zich verplaatsen, wat resulteert in een elektrische stroom: elektriciteit uit zonne-energie.

Een PV-systeem bestaat uit de volgende componenten. Typisch tussen 30 en 100 zonnecellen zijn in serie geschakeld en in een module gepakt, waardoor ze tegen invloeden van buitenaf beschermd zijn. Deze module levert een spanning tussen 10 en 100 volt, afhankelijk van de toepassing. Voor netgekoppelde systemen is er dan een omzetter of inverter nodig die de gelijkstroom uit de modules omzet in wisselstroom. Bij autonome systemen zijn er een accu en een laadstroomregelaar nodig.

Er zijn op dit moment twee typen zonnecellen in gebruik: cellen van kristallijn silicium, die wereldwijd het grootste marktaandeel hebben (ongeveer 90%) en dunne-film cellen. De kristallijn silicium cellen zijn er in twee varianten: monokristallijn en multikristallijn. Cellen van het eerste type hebben een hoger rendement (tussen 15% en 17% van het invallende zonlicht wordt omgezet in elektriciteit), cellen van het tweede type zijn goedkoper, maar hebben een lagere efficiency (tussen 13% en 15%). Dunne-film cellen zijn per oppervlakte-eenheid goedkoper dan kristallijn silicium cellen, maar hebben een lager rendement: tussen 4% en 11%. Het nadeel van een lager rendement komt vooral naar voren bij het benodigde oppervlak om een bepaald elektrisch vermogen te installeren: hoe lager het rendement, hoe meer oppervlakte benodigd is. Per saldo is de prijs per eenheid vermogen van een PV-systeem (watt-piek of Wp) nauwelijks afhankelijk van het gebruikte celtype (de Moor, 2003).

Er zijn verschillende toepassingsgebieden voor PV-systemen. Autonome systemen zonder verbinding met het elektriciteitsnet, zoals in afgelegen gebieden en voor toepassingen in de telecommunicatie en verkeerssignalering, en bij parkeerautomaten of lichtmasten. Voor landen in ontwikkeling worden autonome PV-systemen gebruikt voor rurale elektrificatie. Netgekoppelde systemen daarentegen voeden hun elektriciteit direct in op het elektriciteitsnet. hetzij ge?ntegreerd in de gebouwde omgeving (op het dak of aan de gevel gemonteerd), of als grote zonne-elektriciteitscentrales, opgesteld op de grond.

Huidige toepassing
In 2002 stond in Nederland een totaal vermogen van 26,3 MWp opgesteld, waarvan 18% autonoom en 82% netgekoppeld. De bijdrage aan de jaarlijkse elektriciteitsproductie was 17 GWh in het jaar 2002, bijna 0,2? van de elektriciteitsvraag (Joosen, 2003).

Wereldwijd staat in IEA-landen eind 2002 meer dan 1300 MWp opgesteld (IEA-PVPS, 2003), inclusief India en China staat wereldwijd meer dan 1500 MWp opgesteld. Japan is het land met het grootste vermogen aan PV-systemen, 637 MWp. In Europa staat eind 2002 392 MWp opgesteld, waarvan 277 MWp in Duitsland. Japan en Duitsland hebben in de afgelopen jaren een pro-actief stimuleringsbeleid gevoerd voor de promotie van PV. Overheidsregulering (m.n. in de vorm van feed-in tarieven) speelt hierbij een grote rol. Het beleid biedt deze landen een aantal voordelen zoals de versteviging van hun wereldmarktpositie en het scheppen van werkgelegenheid.

Ontwikkelingsfase en verbeteropties
In technisch opzicht zijn fotovolta?sche systemen goed ontwikkeld. De productiekosten van elektriciteit zijn echter veel hoger dan bij conventionele elektriciteitsopwekking. R&D richt zich op het verlagen van de kostprijs van de geproduceerde elektriciteit door de investeringskosten te verlagen en door de efficiency en de levensduur en betrouwbaarheid van componenten te verbeteren.

De hoge investeringskosten van een PV-systeem worden voor een deel veroorzaakt door hoge kosten van de grondstof silicium en de wafer, die beide zeer zuiver moeten zijn voor de productie van de cellen. Ook het productieproces zelf is een oorzaak van de hoge prijs: de huidige productielijnen zijn allemaal zeer geavanceerd en duur. Een hogere systeem-efficiency helpt de kostprijs te verlagen mits de celproductiekosten niet te veel stijgen: als de energieopbrengst per oppervlak kan toenemen, is er minder duur materiaal nodig, waardoor de investeringskosten afnemen.

De kosten tijdens de levensduur van een PV-systeem beperken zich tot onderhoud en de vervanging van eventueel uitgevallen systeemcomponenten. Omdat de vervanging van bijvoorbeeld de inverter redelijk kostbaar kan zijn, is het van belang om de betrouwbaarheid van de componenten te verhogen en de operationele levensduur van het complete systeem zo lang mogelijk te laten zijn. De levensduur van kristallijn silicium modules bedraagt tegenwoordig ongeveer 25 jaar, en die van dunne film modules is waarschijnlijk korter. Het streven is om dit voor beide typen te verhogen naar meer dan 30 jaar.

Voor toepassing in Nederland is de integratie in de gebouwde omgeving van belang. In grootschalige demonstratieprojecten wordt veel aandacht besteed aan het voorkomen van bouwkundige risico's zoals de garantie van waterdichtheid van het dak bij PV op hellende daken. Er worden universele bevestigingssystemen ontwikkeld voor PV-modules van verschillende typen en fabrikanten met verschillend formaat. Om tot minimale verstoring van de bouwstroom te komen wordt ge?xperimenteerd met prefab montage van PV op dak- of gevelelementen.

Technische gegevens en kostenaspecten
Huidige kosten
Het zoninstralingsniveau bepaalt primair de opbrengst van een PV-systeem. Nederland heeft ongeveer 1000 zonuren per jaar. Bij een Performance Ratio van 0,8 is de specifieke jaaropbrengst van een PV systeem dan ca. 800 kWh/kWp. Voor een compleet PV-systeem, met alle benodigde componenten inclusief de installatiekosten konden de investeringskosten in 2001 vari?ren tussen 5 en 8 ?/Wp (de Noord, 2003) In 2004 worden PV voldaksystemen in de nieuwbouw voor 5 ?/Wp gerealiseerd. De onderhouds- en bedrijfskosten kunnen, rekening houdend met een vervanging van de inverter halverwege de levensduur van het PV-systeem, jaarlijks tussen 1% en 3% van de initi?le investeringskosten bedragen (de Noord, 2003) De levensduur van een modern PV-systeem bedraagt 20 tot 25 jaar. In de praktijk worden in demonstratieprojecten contracten over teruglevering van elektriciteit en garanties over het PV-systeem slechts over een periode van 10 jaar verleend.

Met een investering van5 ?/Wp, 2% jaarlijks onderhoud, een levensduur van 25 jaar en 6% rente resulteert een kostprijs voor elektriciteitsproductie met PV van ruwweg 60 ?ct/kWh.

Toekomstige kostenontwikkeling
De sterke groei in de afgelopen jaren en het verwachte doorzetten daarvan brengt ervaring, inzichten en daarmee gepaard gaande leereffecten met zich mee. Het is de verwachting dat de kosten van PV-systemen verder zullen dalen in de toekomst. De figuur geeft de ontwikkeling van de investeringskosten weer bij verschillende learning rates (LR, kostendaling bij verdubbeling cumulatieve wereldproductie) en verschillende groeisnelheden (jaarlijkse groei wereldwijde productie).

Figuur Leercurve voor de investeringskosten van PV-systemen, bij verschillende groeisnelheden van de wereldproductie (GR) en verschillende learning rates (LR) (Schaeffer et al, 2004)

Onduidelijk is thans tot welk laagste niveau de investeringskosten kunnen dalen. Betrokkenen bij de verdere ontwikkeling van PV modules en systemen hebben in het PV Introductieplan (bijlage bij het PV convenant uit 1997) aangegeven perspectief te zien tot daling van de systeemprijs van PV tot onder de 1 ?/Wp (1,60 gld/Wp) en daling van de elektriciteitsproductiekosten naar ca. 7 ?ct/kWh (0.16 gld/kWh bij een rente van 6% en een levensduur van 20 jaar) op langere termijn (PV Convenant, 1997). Deze inschattingen komen overeen met doelstellingen van R&D programma?s in het buitenland voor 2030 (NEDO, 2004). Of de beoogde daling van de systeemprijs gerealiseerd zal worden, is o.a. afhankelijk van het succes in R&D, schaalvergroting in de productie en innovaties in de toepassing van PV. 

Bron: ECN-rapport ECN-C--04-020, 2004