Februari 2023

Groei zonnestroom versnellen met integrale, esthetische pv-toepassingen

Het opwekken van duurzame elektriciteit via pv-systemen verloopt erg voorspoedig. In Europa is Nederland één van de koplopers, maar tegelijk knelt steeds vaker het aansluiten van nieuwe capaciteit. In sommige gebieden raken netwerken overbelast en komen vooral grootschalige, nieuwe systemen in de wachtrij. Een mogelijke oplossing vormen integrale pv-systemen; installaties die onlosmakelijk deel uitmaken van een gebouw of object en niet opvallen. Er lopen al meerdere onderzoeksprojecten met veelbelovende resultaten.

Het grootschalig opwekken van zonne-energie wordt financieel gezien steeds aantrekkelijker door een dalende kostprijs en relatief genereuze stimuleringsregelingen. Het enige nadeel is dat de mogelijkheden om grootschalige opwekcapaciteit aan het net te koppelen steeds beperkter worden. Om te zorgen dat we de komende jaren toch de vereiste groei in opwekcapaciteit van zonne-energie in stand kunnen houden, zullen we naar meer integrale pv-systemen moeten kijken. Ook moeten we pv-systemen toepassen op minder gangbare bouwwerken; plekken waar we de elektriciteit in elk geval ook direct kunnen benutten. Om deze mogelijkheden te ontwikkelen, moeten we pv-systemen en -technieken innoveren. Pv-cellen moeten een integraal onderdeel worden van bouwsystemen en -materialen, in de vorm van bijvoorbeeld gevelpanelen, beglazing of dakbedekking. Ook moeten we pv-cellen zodanig flexibel maken dat ze op bouwwerken passen die minder draagvermogen hebben of minder vlak zijn.

Marktontwikkelingen

Uit een recent gepubliceerd Europees rapport blijkt dat de markt voor zonnestroom in Nederland nog steeds sterk ontwikkelt. In 2022 was er sprake van een capaciteitstoevoeging van 3,9 GW, wat de totale Nederlandse pv-opwekcapaciteit op 18,2 GW bracht. Daarin zit ook een verrassend hoge groei van de residentiële sector, die 1,8 GW toevoegt in 2022. Bovendien kent ons land een ‘projectpijplijn’ van 11 GW aan SDE⁺⁺-gesubsidieerde projecten, die ongeveer gelijk verdeeld zijn over commerciële ‘rooftop’ en grondgebonden projecten. De bottleneck voor het daadwerkelijk realiseren van deze projecten zit enerzijds in de capaciteit bij de installatiesector en anderzijds bij de aansluitmogelijkheden op het net. Om die beide obstakels minder groot te maken, zou het voordelig zijn als we de aandacht wat meer zouden verleggen naar geïntegreerde pv-systemen. Dat zou betekenen dat we aan de ene kant de pv-capaciteit al bij de bouw van gebouwen en constructies meenemen – en dus veel minder aparte installatiecapaciteit nodig hebben – en aan de andere kant de opgewekte elektriciteit gebruiken om gebouwen en constructies grotendeels zelfvoorzienend te maken en dus niet aan het net hoeven te leveren.

Voor het hoofdkantoor van BAM in Bunnik koos men een baksteenpatroon dat naadloos aansluit op de bestaande gevel zelf.

Architectonische vrijheid

TNO en Brightlands Material Center (BMC), een door TNO en de provincie Limburg gefinancierd onderzoekscentrum, houden zich intensief bezig met gevelmaterialen en ramen die energie opwekken, reguleren of de energieopwekking optimaliseren. Een van die technieken is SunPrism, een structurele kleurcoating voor het dekglas van zonnepanelen. De coating voegt een metallic sprankelende kleur toe aan de panelen. Dit biedt architecten en ontwikkelaars ontwerpvrijheid en maakt de constructie mogelijk van gekleurde glazen gevels die zonne-energie oogsten. De coating kan worden ontworpen voor elke kleur die de klant kiest, inclusief architectonisch relevante kleuren als terracotta en lichtgrijs.
‘We weten allemaal dat we voor een klimaatneutrale gebouwde omgeving veel meer zonnepanelen op onze gebouwen moeten aanbrengen. Maar het bevestigen van gewone zonnepanelen op daken, zoals dat al jaren gebeurt, vinden veel mensen esthetisch nogal onaantrekkelijk’, vertelt Daniel Mann, wetenschapper bij Brightlands Materials Center. ‘Die beperkte kleurkeuze maakt veel architecten en gebouweigenaren terughoudend om zonnepanelen toe te passen. Met SunPrism vergroten we de ontwerpmogelijkheden voor architecten om zonnepanelen in verschillende kleuren in daken en gevels te integreren. Men kan de panelen dan naadloos integreren zonder dat ze opvallen. De volledige constructie ziet er daardoor veel minder omvangrijk uit. Ook kan men zonnepanelen met SunPrism-dekglas gebruiken om gevelbekleding van gekleurd glas te maken, die daarmee een aanzienlijk deel van de elektriciteit van een gebouw opwekken.’
Overigens ligt het vermogen van glazen panelen die met SunPrism zijn gekleurd 20 procent hoger dan van modules die met traditionele pigmenten zijn gekleurd.

Fantasieloze gevels omtoveren tot fraai ogende wanden die energie opwekken

Enorme potentie

Ook bij TNO in Petten zien onderzoekers veel kansen voor gevels om energie op te wekken. Zouden we alle gevels van onze gebouwde omgeving die daarvoor geschikt zijn, gaan gebruiken, dan hebben we het over zo’n 60 km² in Nederland. Specialisten van TNO berekenden dat dit gezamenlijk voor 6 gigawattpiek aan opwekvermogen kan zorgen. Om van deze mogelijkheden realiteit te maken, heeft men een consortium opgezet dat aan een revolutionair product werkt dat naar de markt kan worden gebracht. TNO mikt daarvoor op een samenwerking met bouwbedrijven en fabrikanten, die deze kansen niet alleen op de nationale, maar ook op de internationale markt kunnen verzilveren.
De afgelopen jaren is dit onderzoek uitgevoerd binnen het zogeheten Dutch Solar Design-project. Naast de techniek keek men extra goed naar esthetiek en duurzaamheid. Uiteindelijk zijn op basis van die onderzoeksresultaten nu de meest fantasieloze gevels van oude flatgebouwen om te toveren tot fraai ogende wanden die energie opwekken. Het doel moet dan ook zijn dat binnen afzienbare tijd de zonnepanelen, die als gevelbekleding energie opwekken, even duur zijn als de meest gangbare gevelmaterialen in de bouw. Zo krijgen we huizen en gebouwen versneld energieneutraal.

Multidisciplinair consortium

Het multidisciplinaire consortium werkte daarvoor aan de ontwikkeling van energieopwekkende, bedrukbare gevelpanelen. In het consortium zaten architecten, zoals UNStudio, maar ook TS Visuals, een printspecialist, bekend van de bedrukking van de binnenzijde van de Markthal in Rotterdam, wetenschappers van TNO, vakmensen uit de pv-industrie en onafhankelijke onderzoekers en ontwerpers. Samen werkten zij aan Solar Visuals, een product waarin zij optimalisatie van inkten, rendement, het proces en de ophanging van stroomopwekkende gevels nader bestudeerden. BAM en ProRail stelden locaties beschikbaar voor verschillende pilots.
Het consortium voerde ook gesprekken met bewoners en andere belanghebbenden om te horen wat hun eisen, wensen en randvoorwaarden zijn. Een belangrijke uitkomst van het onderzoek is bijvoorbeeld dat, als de panelen voor 20 procent bedrukt zijn met een afbeelding, ons brein er meteen al een volledig plaatje van maakt. Ook bleek uit de gesprekken dat je vooral ‘groot’ moet denken. Alles kan, maar mensen werden het meest enthousiast van onopvallende, ingetogen ontwerpen. Daarmee verfraai je gebouwen, zonder dat mensen het snel zat worden. Volgens de partijen in het consortium zijn dergelijke, energieopwekkende gevelpanelen al wel rendabel voor grote commerciële projecten, maar nog niet voor particuliere woningbouw of kleine, particuliere projecten.

In de Rotterdamse haven bedekte Vopak al meerdere daken van tanks met de folie en dit voorjaar wordt ook de wand van een van hun reusachtige tanks met de folie bekleed.

Praktijktoepassingen

Deze nieuwe type zonnepanelen voor gevels zijn inmiddels getest. Zo zijn de eerste esthetische zonnepanelen van mat glas op een betonnen huisje langs het spoor, bij treinstation Naarden-Bussum, geplaatst. Toen dit lukte, installeerde men dergelijke, esthetische vormgegeven zonnepanelen ook op de gevel van het hoofdkantoor van BAM in Bunnik. Daarvoor koos men een baksteenpatroon dat naadloos aansluit op de bestaande gevel zelf.
‘Deze techniek markeert de overgang van zichtbare zonne-energie naar onzichtbare zonne-energie’, stelt Wiep Folkerts van TNO op hun website. Ook werden er soortgelijke zonnepanelen gemonteerd in oude luchtinlaten, tegen de gevel van Shell Technology Centre aan het IJ in Amsterdam. Steeds met als doel om zonne-energieopwekking onzichtbaar in het straatbeeld te krijgen. Dit moet bij ontwerpers de barrières en bezwaren weghalen om veel intensiever met zonopwekkende gevels aan de slag te gaan. Eind 2022 kreeg het project Dutch Solar Design, dat bedoeld was om de proof of principle te demonstreren, een vervolg waarbij de focus ligt op het ontwikkelen van de marktvraag. Het uiteindelijke doel is de energieverduurzaming van de stedelijke gebouwde omgeving te versnellen door de ontwikkeling en productie van veelzijdig esthetisch, zonnestroomopwekkend (gevel)plaatmateriaal. Materiaal dat bouwers kunnen integreren in gebouwen in de openbare ruimte (zie ook www.zonopgebouw.nl).

Elke kleur

BAM leverde een paar jaar terug al in Best twee woongebouwen op met 48 sociale huurappartementen met energieopwekkende gevels. Deze gebouwen, ‘De Willem’ en ‘De Zwijger’, voorzien zelf in alle energie die in de woningen nodig is. Daarvoor zijn niet alleen zonnepanelen op het dak geplaatst, maar ook zonnepanelen aan de speciaal hiervoor ontworpen gevels bevestigd. De elektriciteit die het dak en de gevels opwekken is voldoende om alle woningen en hun tapwater te verwarmen en ook nog van elektra voor huishoudelijk gebruik te voorzien. De gevel is hiervoor van dunnefilm-zonnepanelen voorzien, waardoor beide complexen nu volledig Nul-op-de-meter (NOM) zijn.
Het ontwerp is van NB Architecten uit Best. Zij zetten daarvoor hun specifieke kennis over pv-panelen en de techniek daarachter in. Hoewel de matzwarte gevelpanelen bedekt zijn met de nieuwste generatie pv-cellen, was er heel duidelijk de beperking dat de panelen zwart zouden zijn. Met de nieuwe technieken, die nu onder meer op het hoofdkantoor van BAM als pilot zijn toegepast, zou er veel meer vrijheid zijn om gevels ook van een andere kleur of zelfs van patronen of tekeningen te voorzien.

Het doel is om zonne-energieopwekking onzichtbaar in het straatbeeld te krijgen

Ramen

Bij TNO is men er bovendien van overtuigd dat er een hele nieuwe wereld opengaat als we structureel zonnecellen niet alleen in gevels, maar ook in energieopwekkende ramen kunnen verwerken. Vandaar dat hier de afgelopen jaren veel onderzoek is uitgevoerd. De belangrijkste uitdaging bij de ontwikkeling van glas is dat we moeten zorgen dat het raam transparant blijft. De juiste balans is daarbij de prioriteit. De door TNO gevonden oplossing betreft een licht getinte ruit die behoorlijk veel zonne-energie opwekt, maar ook zonlicht doorlaat.
Voor deze zonneramen, zoals TNO ze noemt, gebruikt men dunnefilm-zonnecellen, gemaakt van perovskiet. Het doel is om daarmee glas te creëren dat minstens 20 procent zonlicht binnenlaat, terwijl minimaal 10 procent wordt omgezet in zonnestroom. Als dat lukt, kunnen ramen echt gaan bijdragen aan het energieneutraal maken van gebouwen. Op dit moment heeft TNO een werkend prototype glasraam ontwikkeld dat zonne-energie opwekt. Samen met bedrijven in de bouw en glasindustrie ontwikkelen ze dit product verder tot een marktklare variant. Het huidige prototype is 10 bij 10 cm, met een efficiëntie van 5 procent. Als de ontwikkelaars 50 procent van het materiaal weghalen, blijft 40 procent van de opbrengst behouden. Binnen twee jaar willen ze nu de 5 procent efficiëntie verbeteren tot 10 procent, zonder in te leveren op esthetiek en doorlatendheid.

Al in 2019 voerden HyET Solar een test uit met flexibele pv-strips op het dak van brandstoftanks van Vopak in de Rotterdamse haven.

Doorzichtige cellen

Ook in Zwitserland werkt een team van wetenschappers aan transparante zonnepanelen. Recent braken zij het efficiëntierecord dankzij een nieuw ontwerp. Zij konden de efficiëntie van het energieomzettend vermogen van de zonnecellen verhogen tot meer dan 15 procent bij direct zonlicht, en 30 procent bij omgevingslicht. De innovatie komt vanuit een nieuw soort kleurstofgevoelige zonnecel (DSC), zo schrijven de wetenschappers in een publicatie in Nature.
Dye-sensitised solar cells (DSC’s), ook bekend als Grätzel-cellen, zijn een type goedkope zonnecellen. De technologie omvat het gebruik van fotogevoelige kleurstof op het oppervlak van een halfgeleider om zichtbaar zonlicht om te zetten in energie. Vorige versies van DSC’s waren bijna volledig afhankelijk van direct zonlicht. Voorheen was de algemene opvatting ook dat DSC-technologie slechts een beperkt vermogen had, zeker als je dat vergelijkt met traditionele zonnepanelen. De Zwitsers weten daar nu, via een technologische doorbraak, verandering in aan te brengen. Zij blijken in staat om ook omgevingslicht via deze cellen op te vangen en om te zetten in elektriciteit. De ontbrekende schakel waren moleculen die door licht worden geactiveerd. Deze transparante fotosensibilisatoren kunnen licht over het hele zichtbare lichtspectrum absorberen, zo staat in hun publicatie.
In Denemarken maakt men ook al gebruik van een vergelijkbare technologie. Aan de gevel van de International School in Kopenhagen zijn ongeveer 12.000 transparante DSC-zonnepanelen bevestigd. De cellen leveren ongeveer 300 megawattuur elektriciteit per jaar. De DSC-technologie voorziet daarmee in meer dan de helft van de jaarlijkse energiebehoefte van de school. Het enig nadeel is dat de panelen blauw zijn en dus niet geschikt om als raam te dienen.

Flexibele zonnecellen

Verder zijn er nog de flexibele zonnecellen die de komende jaren eveneens een belangrijke, gebouwgebonden energieopwekker zullen vormen. Het Nederlandse bedrijf HyET Solar uit Arnhem heeft de afgelopen jaren grote stappen gezet in de ontwikkeling van deze pv-techniek. Al in 2019 voerden zij een test uit met flexibele pv-strips op het dak van brandstoftanks van Vopak in de Rotterdamse haven. Sindsdien is de ontwikkeling en toepassing van deze flexibele, oprolbare zonnecellen in een stroomversnelling gekomen.
‘Er is inmiddels zoveel vraag dat onze productiecapaciteit tot volgend jaar zomer is volgeboekt’, zegt Wout Hogenelst, product application manager bij HyET Solar. ‘Daarom gaan we dit jaar onze productiecapaciteit in Arnhem met een factor 40 vergroten. We zijn er inmiddels van overtuigd dat er heel veel toepassingsmogelijkheden zijn voor onze flexibele zonnefolies.’
In de Rotterdamse haven bedekte Vopak al meerdere daken van tanks met de folie en dit voorjaar wordt ook de wand van een van hun reusachtige tanks met de folie bekleed. ‘Vooral in dergelijke, industriële omgevingen is de folie erg populair omdat het product ATEX-gecertificeerd is. Een andere belangrijke toepassing is op daken en constructies die relatief weinig gewicht kunnen dragen. Omdat onze folie slechts 600 gr per m² weegt, is praktisch elk dak en elke constructie met het product te beplakken’, aldus Hogenelst.

Tekst: Rob van Mil
Fotografie: BAM, HyET Solar, NB Architecten

Meer weten over innovatieve technieken en ontwikkelingen?
Meld u dan nu aan voor onze gratis nieuwsbrief.