Voertuigen op zonne-energie: een realistische toekomst?

Dankzij de Solar Challenge in Marokko zijn de door zonne-energie aangedreven prototype wagens weer volop in het nieuws. Minder bekend is dat geïntegreerde zonnepanelen in voertuigen (vehicle-integrated photovoltaics - VIPV) ook al beschikbaar zijn als optie op verscheidene gezinswagens. En dat een paar innovatieve startups op korte termijn de markt willen betreden met wagens die maanden kunnen rijden dankzij de opgewekte stroom van hun geïntegreerde zonnepanelen. Loic Tous is groepsleider PV cells and modules bij imomec, imecs geassocieerd labo aan de Universiteit Hasselt, en partner in EnergyVille. Hij heeft een uitstekend zicht op de stand van zaken in de wereld van VIPV: de beschikbare producten en oplossingen, de kansen voor de nabije toekomst en de belangrijkste uitdagingen in technologisch onderzoek en ontwikkeling. Zijn team was ook van dichtbij betrokken bij de fabricage van de zonnepanelen voor de BluePoint Atlas, de wagen van het KU Leuven Agoria team voor de Solar Challenge in oktober 2021.

De bestaande markt voor geïntegreerde zonnepanelen in voertuigen

Loic Tous: “Al in de jaren 90 bood de Volkswagengroep een klein zonnecel-dak aan als optie in enkele luxemodellen zoals de Audi A8, VW Phaeton en Skoda Superb. Deze waren erg duur (meer dan 2000 euro) en hadden een maximaal vermogen van slechts 30 Watt piek (Wp); voornamelijk bedoeld om startproblemen te vermijden door een lege 12V batterij. Het voorbije decennium maakte de technologie enkele grote stappen voorwaarts en is inmiddels voldoende kostenefficiënt om op grotere schaal ingebouwd te worden in commerciële voertuigen.”

Bij de eerste voertuigen die panoramische zonnedaken met geïntegreerde zonnepanelen aanbieden (standaard of als optie) behoren de Toyota Prius Prime, Nissan Leaf, Karma Fischer Revero en de Hyundai Sonata en Ioniq 5. Ook andere merken in het premiumsegment zullen deze trend snel volgen en zonnepakketten aanbieden vergelijkbaar met andere comfortpakketten zoals voor veiligheid, business of multimedia. De energieopbrengst van dergelijke oplossingen ligt in de orde van 200Wp. Dit is voldoende om de perifere systemen van de wagen aan te sturen, zoals verwarming, ventilatie en airco (HVAC) en kan op die manier twee- tot drieduizend kilometer extra bereik per jaar opleveren afhankelijk van je locatie en rijstijl.

De volgende stap: voertuig en zonnepaneel samen ontwerpen

Loic Tous: “De ambitie van autobouwers is echter om voertuigen te bouwen die meer dan tienduizend kilometer kunnen rijden op de eigen opgewekte energie en daardoor zoveel mogelijk onafhankelijk worden van externe laadbronnen. Om dit te realiseren, moet het vermogen van de geïntegreerde zonnepanelen toenemen van de huidige honderden Watt piek naar meer dan duizend. Toyota presenteerde al zo’n prototype, maar maakte daarbij gebruik van hoog-efficiënte zonnecellen die geoptimaliseerd zijn voor in de ruimte en veel te duur zijn voor commerciële toepassing in wagens. Om kostenefficiënt te zijn moet je bijna van een blanco blad beginnen, door de auto en het PV-systeem samen te ontwerpen en zonnepanelen te integreren op meer plaatsen dan alleen in het dak.”

Voorlopig is dat het terrein van enkele innovatieve start-ups zoals het Nederlandse Lightyear en het Duitse Sono Motors en hun respectieve wagens Lightyear One en Sion. Beide bedrijven hebben concrete plannen om de komende jaren hun eerste verkoopbare wagens van de band te laten rollen.

Technologische uitdagingen in een conservatieve sector

Nochtans zijn al deze evoluties verre van evident en komt er meer bij kijken dan wat zonnecellen op een auto-onderdeel lijmen.

Loic Tous: “Op zich zijn er grote gelijkenissen tussen de huidige productieprocessen in de automobielindustrie en de manier waarop zonnepanelen geproduceerd worden. Zo bestaan gewone panoramische zonnedaken voor wagens uit twee glasplaten met daartussen een folie om te vermijden dat het glas bij mechanische impact in duizend stukjes breekt. Het lijkt dan ook een haast logische stap om tussen die glasplaten zonnecellen aan te brengen. Daarom zien de autofabrikanten het ook als een haalbare optie.”

Toch zijn er ook belangrijke verschillen. Zo zijn de materialen in de auto-industrie geoptimaliseerd voor bijvoorbeeld mechanische en akoestische eigenschappen en minder voor bescherming tegen vochtigheid of andere aspecten die schadelijk kunnen zijn voor geïntegreerde zonnecellen. Ook maken de bestaande productieprocessen gebruik van hoge druk, die de zonnecellen kan beschadigen bij het lamineren op glas of andere delen van de carrosserie. In de PV-industrie bestaan alternatieve materialen en processen, maar deze zijn dan weer niet geoptimaliseerd of gevalideerd voor de automobielindustrie.

Loic Tous: “Kort gezegd zijn er twee manieren om hiermee om te gaan. De conservatieve aanpak is momenteel om de automotive materialen en processen te gebruiken en aan te passen aan de minimale vereisten voor PV-integratie. Dus door gebruik te maken van de bestaande beschermfolies en hogedruk laminatieprocessen. Op termijn is het echter efficiënter om de omgekeerde route te kiezen en PV-materialen en processen te adopteren in de automotive industrie. Ik zie dit al gebeuren met building-integrated-PV in de bouwsector. Dit is ook een conservatieve sector, maar hier heeft PV een langere historiek en ondertussen voldoende vertrouwen opgewekt om de PV-materialen en processen te gebruiken om tot optimale en meer kostenefficiënte integraties te komen. Het lijkt me niet onlogisch dat de automobielsector ook dergelijke evolutie zal doormaken. Al blijft het een complexe uitdaging vanwege de veelheid aan materialen (glas, plastics, glasvezel composieten), de vereisten qua levensduur (10-15jaar), het moeten doorstaan van alle crash- en andere testen en de noodzaak om eenvoudig te kunnen vervangen of repareren bij een eventueel ongeval of schade.”

De rol van imec en zijn partners

In deze complexiteit leveren imec en zijn partners belangrijke bijdragen aan het technologisch onderzoek en ontwikkeling. Bijvoorbeeld in het imec.icon project SNRoof, gefinancierd door imec en Vlaio, werkt een consortium van onderzoeksgroepen en bedrijven aan doorbraken in technologie voor met PV geïntegreerde zonnedaken voor wagens. Denk aan geavanceerde interconnectietechnologie, coating- en laminatieprocessen, modules die bestand zijn tegen de effecten van schaduw en het bouwen van demonstratoren met de huidige en volgende generaties zonneceltechnologie. Het project is halfweg de tweejarige looptijd en het consortium is vol vertrouwen dat het de ambitieuze doelen kan halen die het zichzelf heeft gesteld.

Een ander project waarin imec belangrijke stappen zet met industriële partners, is het door de EU gefinancierde Horizon-2020 project HighLite. Dit project richt zich op betaalbare en duurzame hoogvermogen zonnecellen uit kristalijn silicium voor een verscheidenheid aan toepassingen en waarin onder andere het Finse bedrijf Valoe deelneemt, wat de genoemde startup Sonomotors van geïntegreerde zonnepanelen voorziet. Loic Tous: “Onze eigen focus ligt in dit project op het ontwikkelen van lichtgewicht zonnepanelen voor de integratie in wagens en aanverwante technologie, zoals het slim laten overlappen van cellen, om het beschikbare oppervlak optimaal te kunnen benutten.” Imec demonstreerde in het programma al een met PV geïntegreerd prototype van een carrosserie-element wat meerdere automotive testen doorstaat en het plan is om tegen eind 2022 een volledig kofferdeksel van een auto met geïntegreerde zonnepanelen op te leveren.

Op de recente internationale conferentie EU PVSEC presenteerde imec een paper met de belangrijkste doorbraken in het EU HighLite project, alsook een andere paper over de ontwikkeling en testresultaten van lichtgewicht PV-modules voor voertuigen.

Loic Tous: “We hebben ook een historische relatie met de studententeams van de KU Leuven die deelnamen aan de opeenvolgende edities van de World Solar Challenge. We hielpen hen bijvoorbeeld met onze kennis op het vlak van modellering en karakterisatie van PV-modules. Voor de Solar Challenge van dit jaar in Marokko werkten we nog wat intensiever samen en gaven we hen technische ondersteuning en toegang tot onze faciliteiten op de EnergyVille Campus in Genk. Hierdoor konden ze de integratie van hun zonnepanelen uitvoeren met een geavanceerde laminator. De zonnecellen in hun wagen zijn dit jaar niet van het type wat in de ruimte wordt gebruikt. Die hebben een efficiëntie van meer dan 30%, maar kosten ook €100 per stuk. In plaats daarvan gebruikten ze hoog-efficiënte silicium zonnecellen met een rendement van 23-25%. Deze kosten maar een euro per stuk en het wedstrijdreglement laat ook toe om er een groter oppervlak van je wagen mee te bedekken. De kosten-baten analyse was daarmee snel gemaakt. Dit betekende wel dat de zonnepanelen de contouren van de wagen moesten volgen en het oppervlak volledig bedekken en ook daarvoor kwam de expertise van imec goed van pas.”

Terwijl VIPV-technologie met een gezonde dosis realiteitszin gestaag de commerciële markt verovert, mede dankzij de R&D bijdragen van imec en zijn partners, supporteren we onvoorwaardelijk voor het KU Leuven Agoria team tijdens hun race in Marokko.
 

Meer weten?

• De wetenschappelijke papers over het HighLite programma en over lichtgewicht PV modules die imec presenteerde tijdens EU PVSEC kan je opvragen via dit contactformulier 
• Imec.icon SNRoof project pagina: SNRoof | imec (imec-int.com)
• H2020-funded HighLite project pagina: HighLite project (highlite-h2020.eu)
• KU Leuven Agoria Solar Team: Agoria Solar Team | BluePoint Atlas
• Engelstalige imec webpagina over PV expertise: Development of high efficient silicon & thin-film solar cell and module technology - imec (imec-int.com)
• Imomec website: IMO - IMOMEC (uhasselt.be)
• EnergyVille website: Onderzoek naar duurzame energie en intelligente energiesystemen | EnergyVille