Van nu tot 2035 zal de behoefte aan elektriciteit bij particulieren en bedrijven blijven stijgen, vooral omdat elektriciteit ook steeds meer voor verwarming zal worden gebruikt in plaats van aardolie en gas. In landen zoals België wordt kernenergie bovendien uit de energiemix gehaald. In de plaats komen vooral wind- en zonne-energie, en daarvoor is volgens recente studies ook echt het potentieel voorhanden. Maar dan moet de opwekking van elektriciteit uit hernieuwbare bronnen wel veel sneller gaan toenemen dan nu het geval is. Tegelijk zal elektriciteit in 2035 efficiënter worden ingezet, zullen wij ons verwarmen met warmtepompen en warmtenetten, worden zonnepanelen in bouwelementen geïntegreerd, komen er slimmere micro- en nanonetwerken op gelijkstroom en wordt ook de massaopslag van duurzaam opgewekte energie mogelijk.
Een mix van hernieuwbare energiebronnen zal de groeiende vraag naar elektriciteit opvangen.
Goedkoper dan de alternatieven
Elektriciteit uit zonnepanelen is de laatste jaren al veel goedkoper geworden en hoogstwaarschijnlijk zal de prijs tegen 2035 nog aanzienlijk dalen. Uiteindelijk zal zonne-energie daardoor in de meeste gevallen voordeliger worden dan andere vormen van elektriciteitsopwekking, zelfs in landen waar de zon niet altijd overvloedig schijnt. De kostenvergelijking zal zelfs nog meer in het voordeel van zonne-energie uitvallen als we er rekening mee houden dat op koolstof gebaseerde stroomopwekking geleidelijk duurder zal worden door allerlei koolstofbelastingen.
Bij een typische fotovoltaïsche installatie zoals we die vandaag kennen, maken de zonnepanelen zelf nauwelijks de helft van de totale kostprijs uit. De elektronica, het bevestigingsmateriaal, de bekabeling en het uurloon - de zogeheten “balance-of-system costs” of BOS - zijn verantwoordelijk voor de rest. De meest voor de hand liggende manier om zonne-energie nog voordeliger te maken is door een installatie meer elektriciteit te laten produceren dan nu het geval is, hoofdzakelijk door de conversie-efficiëntie en het energierendement van de zonnecellen en de modules nog te verbeteren.
De conversie-efficiëntie van in de handel verkrijgbare siliciumzonnecellen schommelt momenteel rond 22% en het hoogst haalbare in een lab is nu 25,3%. Omdat we weten dat de fysieke grens rond 30% schommelt, is er nog ruimte voor verbetering. Maar naarmate we de grens van het haalbare naderen, worden de gebruikte technieken en materialen steeds duurder, waardoor de geboekte winst grotendeels weer verloren gaat.
Daarom verkent imec samen met zijn partner EnergyVille ook een aantal alternatieve mogelijkheden om de efficiëntie van zonnepanelen te verbeteren.
Zo is het mogelijk om bovenop siliciumzonnecellen een extra lichtgevoelige laag in een ander materiaal aan te brengen, dus eigenlijk een tweede zonnecel.
Uiteraard moet de toplaag van dergelijke tandemcellen het licht dat niet in stroom wordt omgezet, doorlaten naar de onderste laag. En er is nog meer winst te behalen als elk van de twee materialen in de tandemcellen gevoelig is voor een ander deel van het lichtspectrum, zodat ze elkaars conversiepotentieel niet aantasten. Het materiaal dat bovenaan zit, moet het licht met de kortste golflengten (bijv. blauw en groen) omzetten, terwijl het materiaal onderaan het licht met een langere golflengte (bijv. rood en bijna-infrarood) voor zijn rekening neemt.
Imec is er op die manier al in geslaagd om kleine zonnecellen met een toplaag van perovskietkristallen te maken die een efficiëntie van meer dan 27% halen. Tegen 2035 moeten duurzame, grote cellen met een efficiëntie van 35% haalbaar zijn.
De imec-onderzoekers kijken niet alleen naar tandemcellen om de efficiëntie van zonnecellen op te drijven. Ze werken bijvoorbeeld ook aan bifaciale systemen, die aan beide zijden van de cellen zonlicht oogsten. Tweezijdige zonnecellen zijn inzetbaar in grootschalige installaties met de voorzijde naar de zon gericht, terwijl de achterzijde het licht opvangt dat door de bodem wordt weerkaatst. Andere technieken omvatten alternatieve of zelfs dynamische herconfiguraties van de zonnecellen in de panelen. Op die manier hebben ze minder last van schaduwen, bijvoorbeeld door de bewegende wieken van windturbines in de buurt.
Centro José Villarreal (Madrid, Spanje), overheidsgebouw met zonnepanelen verwerkt in de gevel (credit Hanjin, creative commons licence)
Overal zonnepanelen inbouwen
De resterende helft van de totale kosten van een zonnepaneel - de BOS-kosten - zijn op het eerste gezicht moeilijker om te verlagen. Toch is er een mogelijkheid, die zelfs aan de basis ligt van een beloftevol nieuw domein voor duurzame energieopwekking. Een domein dat tegen 2035 flinke proporties zal hebben aangenomen.
De gevels van de meeste moderne openbare en kantoorgebouwen en van veel magazijnen zijn bekleed met grote prefabpanelen in glas of een ondoorzichtig materiaal. Ze vervullen meerdere functies tegelijk: als buitenste laag beschermen ze het gebouw, en ze isoleren en bepalen het esthetisch uitzicht van het gebouw. Daar kunnen we nog een functie aan toevoegen: energie genereren. Met klassieke zonnepanelen tegen de gevels zou dat niet lukken: de kosten van materiaal en onderhoud zouden hoger liggen dan bij montage op een dak. Maar gevelpanelen met ingebouwde zonnecellen, die flexibel en voordelig worden geproduceerd in heel diverse stijlen en vormen en met een aangepast rendement, maken het mogelijk om de kosten te verdelen over meerdere functies.
Imec en KU Leuven bouwen momenteel proefopstellingen in samenwerking met EnergyVille. Wij onderzoeken ook met welke industriële processen de panelen automatisch kunnen worden gebouwd, met rechtstreekse input van de architectuurtekeningen. Omdat siliciumcellen beperkingen opleggen aan de vorm en transparantie van de panelen, zouden de gevelpanelen bovendien de doorbraak van dunnefilmzonnecellen kunnen versnellen. Imec ontwikkelde ook deze laatste technologie in het kader van het Solliance-partnership. Dunnefilmcellen zullen waarschijnlijk nooit zo efficiënt worden als siliciumcellen, maar ze zijn wel uiterst dun, gedeeltelijk transparant of gekleurd te maken, op grote vellen, in flexibele formaten en zelfs gebogen.
Slimmere netwerken, met opslag
Tegen 2035 is ons elektriciteitsnet veel slimmer dan nu. Het zal een verzameling van geneste subnetten zijn, met als kleinste onderdelen de nanonetten van elk gebouw (kantoren, overheidsgebouwen, huizen…). Alle gebouwen in een wijk of gedeelte van een gemeente vormen samen een micronet. Deze micronetten zullen zo autonoom mogelijk functioneren. Ze produceren zelf de stroom die ze nodig hebben en proberen de andere delen van het elektriciteitsnet zo weinig mogelijk te belasten. Aangezien de energieopwekking en -opslag en ook een aantal van onze toestellen gelijkstroom gebruiken, zullen de nanonetten op gelijkstroom werken. Alleen als het echt nodig is, wordt gelijkstroom dan nog in wisselstroom omgezet. De grote verliezen door de talrijke gelijkstroom-wisselstroomconversies die nu nog plaatsvinden, worden dan vermeden.
Deze slimme elektriciteitsnetten zullen energieopslag nodig hebben: de energie die je op een zonnige dag produceert, heb je ook ‘s nachts nodig of op een donkere, regenachtige dag. Volgens de ingenieurs zal opslag op verscheidene niveaus plaatsvinden: in de woningen, de wijk en op grotere schaal. Voor woningen en wijken zijn compacte oplossingen nodig, dus waarschijnlijk verbeterde lithium-ionbatterijen. Hun kostprijs daalt nu al snel en zal tegen 2035 mogelijk minder dan 100 euro per kilowattuur bedragen. Een thuisbatterij van 10 kWh zal dan ongeveer 1.000 euro kosten.
Woningen en wijken kunnen in 2035 nog uit een andere energievoorraad putten: de elektrische voertuigen, die elk over een batterijpakket van misschien wel 100 kWh zullen beschikken. Aangezien voertuigen vaak stilstaan, zijn ze beschikbaar om toestellen in de woning van stroom te voorzien. Een voertuig dat overdag volledig werd opgeladen, houdt dan na een nacht nog genoeg energie over om te rijden.
In 2035 zal Europa op weg zijn om een klimaatneutraal continent te worden, een doelstelling die onlangs voor 2050 werd afgesproken. De uitstoot van broeikasgassen zoals CO2 zal sterk gedaald zijn door de energie uit niet-fossiele energiebronnen te halen, zoals wind-, zonne- en kernenergie. Die doelstelling is technisch en praktisch haalbaar, op voorwaarde dat wij voldoende investeren in een versnelde invoering van deze technologieën. Wat er tegen 2050 nog overblijft aan broeikasgasuitstoot door de industrie en de landbouw kan worden gecompenseerd door koolstof af te vangen en te hergebruiken.
Hoe werkt imec mee aan deze toekomst?
Als partner van EnergyVille ontwikkelt en verbetert imec een aantal technologieën die van doorslaggevend belang zijn voor de energietransitie. De organisatie steunt op meer dan 30 jaar ervaring om zonnepanelen efficiënter te maken, de totale kosten van stroomopwekking met zonne-energie te doen dalen en oplossingen te vinden die op industriële schaal kunnen worden toegepast.
Om de conversiegraad van siliciumzonnecellen te verhogen kijken de onderzoekers bij imec naar alternatieve constructies, zoals cellen met contacten op de achterzijde, bifaciale cellen en tandemcellen (cellen in silicium of CIGS met bovenop een laag dunnefilmzonnecellen van perovskietkristallen). Ze doen ook aan fundamenteel materiaalonderzoek om de betrouwbaarheid en levensduur van dunnefilmzonnecellen te verhogen. Bij de standaard zonnepanelen probeert imec de cellen in een paneel beter te configureren om efficiëntieverlies door schaduwen te verminderen. Op langere termijn streven de wetenschappers naar de flexibele productie van gevelpanelen.
Op het domein van de energieopslag legt imec de fundering voor een sterk verbeterde batterijtechnologie, met een hogere energiedensiteit en een kortere oplaadtijd. Het eerste al bereikte resultaat is een vastestofelektroliet, een potentieel veelbelovend materiaal. Het R&D-center kijkt ook verder vooruit, bijvoorbeeld door zijn unieke expertise met nanomaterialen, dunnefilmtechnologie en interfaces in te zetten voor de ontwikkeling van kleinere, gecoate elektrodepartikels.
De vastestofelektroliet van imec, een nieuw materiaal voor de volgende generatie Li-ionbatterijen voor elektrische voertuigen en thuisopslag (artistieke weergave)
Imec is een partner in Solliance (www.solliance.eu), een partnership van R&D-organisaties uit Nederland, België en Duitsland die samenwerken rond dunnefilmtechnologieën voor zonne-energie, en in EnergyVille (www.energyville.be), een vereniging van de Vlaamse onderzoekscentra KU Leuven, VITO, imec en UHasselt op het gebied van duurzame energie en slimme energiesystemen.
Meer weten?
- Deze studie van EnergyVille beschrijft de energietransitie voor België, inclusief keuzes en kosten.
- Op zoek naar informatie over zonnetechnologie die in gebouwen is geïntegreerd? Lees dan dit artikel in het imec magazine.
- Dit artikel legt uit hoe Industrie 4.0 de Europese zonne-energiesector kan doen heropleven.
- Dit is een imec artikel over tandemcellen, zonnecellen samengesteld uit twee zonlichtgevoelige materialen in laagjes boven elkaar.
- De visie van imec op de evolutie van lithium-ionbatterijen wordt uitgelegd in dit artikel in Physics World.
- EnergyVille, een samenwerking tussen imec en de Vlaamse onderzoekspartners KU Leuven, VITO en UHasselt op het gebied van duurzame energie en slimme energiesystemen.
Dit artikel is onderdeel van een speciale editie van imec magazine. Naar aanleiding van imecs 35-jarig bestaan vormen we ons een visie van hoe technologie onze maatschappij zal beïnvloeden in 2035.
