Februari 2023
‘We laten nog te veel pv-mogelijkheden onbenut’
Interview met Prof.dr.ir. Arno Smets, hoogleraar Solar Energy aan de TU Delft
Prof.dr.ir. Arno Smets hoopt in de toekomst het dak van zijn monumentale woning in Delft te mogen bedekken met flexibele, lichtgewicht pv-folie. In dezelfde kleur en vorm als de karakteristieke terracotta pannen die er nu op liggen, zodat het stadsgezicht onveranderd blijft. ‘Een doorbraak in nieuwe toepassingen is hard nodig om zonne-energie de rol te geven die het in zich heeft om de klimaatverandering te stoppen. Als we naar ruim 70 procent zon willen in de totale energiemix, moeten we ambitieuzer en innovatiever worden.’
De officiële titel van Arno Smets is hoogleraar Solar Energy aan de TU Delft. Zelf noemt hij zich liever zonneprofessor. Smets maakte furore met zijn Solar MOOC’s (massive open online course) op het edX-platform, opgericht door MIT en Harvard. Wereldwijd keken al ruim een half miljoen mensen naar zijn online college over zonne-energie. Hij bereikte gemeenschappen in ontwikkelingslanden die met de nieuwe kennis fotovoltaïsche systemen gingen uitrollen en zo de levensstandaard in dorpen verbeterden. Jongeren werden zo enthousiast dat ze programma’s met een focus op de energietransitie zijn gaan studeren in Delft en elders. Politici veranderden van mening over de rol van zonne-energie in de energietransitie en bankiers ontdekten hoe ze specifieke financiële producten kunnen ontwikkelen voor de pv-wereld. Smets’ aanstekelijke enthousiasme voor het vakgebied zorgde al met al voor behoorlijk wat impact. In 2016 ontving hij dan ook de allereerste edX-prijs; zo’n beetje de Oscar voor uitzonderlijke bijdragen aan online onderwijs.
Niet zonder de zon
Smets praat met passie over fotovoltaïsche technologieën en toepassingen. Niet alleen over processing technologieën, tandemzonnecellen, wafers en dunne films van silicium; de techniek onder de motorkap van zonnemodules, maar vooral ook over de rol van zonne-energie in de energietransitie. Hoewel het geïnstalleerd pv-vermogen exponentieel is gegroeid de laatste jaren, is hij van mening dat de solar-revolutie nog maar net is begonnen.
‘Als je kijkt naar alle energietransitie-modellen die de ronde doen, wordt de zon in alle scenario’s de belangrijkste energieopwekker. Een vooraanstaande wetenschapper, Christian Breyer, voorspelt zelfs dat pv in 2050 een aandeel van ruim 70 procent heeft in de energiemix, wereldwijd. Die potentie heeft het absoluut en we hebben het hard nodig om de klimaatverandering een halt toe te roepen. Maar er moet nog heel wat gebeuren om zover te komen.’
Ambitie
We doen het in Nederland best goed, geeft de professor toe. We hebben Europees gezien het hoogste pv-vermogen per inwoner. De totaal geïnstalleerde capaciteit van zo’n 18 gigawattpiek (eind 2022) is gelijk aan twee en een half hedendaagse zonnepanelen per inwoner. Wereldwijd doet alleen Australië het beter. Bijna 16 procent van de elektriciteit in Nederland kwam in 2022 van de zon. ‘Maar dat ligt nog heel ver van die 70 procent van de totale energiemix,’ relativeert Smets. ‘En van de opgave die er ligt. Want we voelen aan den lijve hoe belangrijk het is om de klimaatverandering te stoppen.’
We zijn te weinig ambitieus in ons beleid en te conservatief als het om de marktpotentie gaat, vindt Smets. Nederland wil naar 26 gigawattpiek in 2030, dat is een geplande groei van 3 gigawattpiek per jaar. ‘Dat noem ik geen ambitie, dat halen we in het huidige tempo al, als de congestieproblematiek op het elektriciteitsnet tenminste structureel en integraal wordt aangepakt.’
‘In alle scenario’s wordt de zon de belangrijkste energieopwekker’
Randvoorwaarden
We hebben dus veel meer pv nodig om het tij te keren. Om dat te bereiken moeten er vier dingen gebeuren volgens Smets. Eén daarvan is opschaling van de productie, in meer regio’s dan alleen Azië. Ten tweede moeten er nieuwe pv-technologieën komen die bredere toepassing mogelijk maken. Drie is: circulair ontwerpen om recycling mogelijk te maken. En de laatste: het faciliteren van pv-integratie, onder meer door het oplossen van de congestieproblematiek.
‘Alle productie vindt nu plaats in China. Willen we pv-groei realiseren om in de buurt te komen van het Parijs-akkoord, dan moeten we regionale waardeketens gaan opzetten, op elk continent. Niet alleen omdat we straks niet genoeg containerschepen hebben om alles uit China aan te slepen, maar ook omdat we van Poetin hebben geleerd dat we voor onze energievoorziening niet afhankelijk kunnen zijn van één land. In Nederland installeren we 3,5 gigawattpiek per jaar. Je mag toch willen dat een substantieel deel daarvan geproduceerd wordt in Europa.’
Innovatie
Een voordeel van productiespreiding is ook dat onderzoek en innovatie daardoor een impuls krijgen. Nieuwe concepten die uit Nederlandse en andere Europese labs komen, belanden nu ofwel op een plank of in China. Dat is weinig motiverend. Onderzoek naar pv-technologie wordt om die reden ook minimaal gesponsord in Nederland.
‘Innovatieve concepten als PERC, TOPCon en tandemcellen komen vaak uit Europa, maar China maakt er werk van. Als we dichter bij huis gaan produceren, kunnen we concepten zelf uitrollen en krijgt innovatie een boost.’
Smets richt zich op dit moment op het vergroten van de diversiteit in pv-technologieën die bredere toepassing mogelijk maken. Er zijn nu nog veel daken die ongeschikt zijn voor succesvolle toepassing van glaspanelen, omdat ze het gewicht niet kunnen dragen. Een oplossing daarvoor is lichtgewicht, flexibele dunnefilm silicium folie, volgens Smets. Hij heeft zelf een belangrijke bijdrage geleverd aan de ontwikkeling daarvan. In Nederland heeft HyET Solar er een commercieel product van gemaakt en is bezig de productie op te schalen.
Nieuwe toepassingen
‘Silicium is een belangrijke basis van het product, dat ook in de huidige kristallijn silicium zonnepanelen zit, maar je gebruikt er een factor 100 minder van dan in de conventionele zonnepanelen. Dunne siliciumlaagjes worden in dit product ingekapseld tussen polymeren folies. Doordat het dun, lichtgewicht en flexibel is, kun je het op bijvoorbeeld silo’s plakken, op cruiseschepen en bedrijfshallen. Je kunt het op daken van stadions gebruiken, het integreren in dakpanelen, grootschalige zonneparken of in het landschap. Het rendement van het zonnefolie is 12 procent, twee derde van de opbrengst van een modern glaspaneel. Maar: de totale opbrengst van het systeem is groter.’
‘Met folie kan je het gehele functionele façade- of dakoppervlakte vol leggen, je bent niet beperkt door gewicht en hoeft rondom geen ruimte vrij te houden. Dus als je op systeemniveau kijkt, kun je tot hogere opbrengsten per functioneel oppervlak komen, tegen vrij lage kostprijzen.’
‘Daarnaast moeten we goed nadenken hoe we onze landoppervlakte in een duurzaam Nederlandse samenleving efficiënt gebruiken. Als ik lees dat 50 procent van ons landoppervlak in gebruik is voor landbouw, waarvan twee derde grasland voor de ‘inefficiënte’ productie van veevoer, denk ik dat we daar makkelijk een kleine fractie zonne-energie bij kunnen integreren om op een duurzame manier het functioneel gebruik van het landoppervlak te verbeteren.’
Twijfels
Hij vindt sowieso dat we ons niet blind moeten staren op enkel-en-alleen rendement. Belangrijker is de bijdrage aan de verduurzaming. Wel verwacht Smets dat het rendement van glaspanelen gebaseerd op kristallijn silicium nog verder omhoog zal gaan. De conventionele glazen kristallijn silicium pv-modules zullen een belangrijk werkpaard voor zonne-elektriciteit blijven.
‘Kristallijn silicium an sich heeft wel een theoretische limiet. De focus bij het onderzoek voor een volgende generatie zonnemodules ligt nu dan ook op tandemconstructies die extra rendement genereren. Daarbij wordt op de conventionele silicium zonnecel een andere zonnecel van hoogwaardig materiaal gezet. Denk bijvoorbeeld aan perovskiet of galliumarsenide.’
‘Probleem van de laatste technologie is dat de productie daarvan erg duur is. En de uitdaging voor de perovskiet-technologie is dat de levensduur van zo’n dertig jaar, nodig voor zonnemodules, met dit materiaal nog niet gedemonstreerd is. Perovskiet wordt gepresenteerd als de grote belofte in pv. Persoonlijk heb ik mijn twijfels of een snelle commerciële introductie van deze technologie in de markt mogelijk is, maar ik hoop natuurlijk dat ik het mis heb. Het zal in elk geval niet al in 2030 grootschalig toepasbaar zijn. Dus de komende tien jaar moeten we het nog voornamelijk hebben van verbeteringen bij de conventionele kristallijn silicium pv-technologie zelf.’
Minder zilver
Zijn er wel genoeg grondstoffen om al die extra zonnepanelen te produceren die nodig zijn om de energietransitie te versnellen? En wat moeten we straks met de enorme afvalberg van panelen die worden afgedankt? Het zijn vragen die ook de hoogleraar bezig houden.
‘In vergelijking met batterijen of windturbines, zijn er voor pv niet veel zeldzame materialen nodig; zilver is wel een belangrijke. Het wordt gebruikt voor de geleidende lijnen op de cellen, omdat het een lage elektrische weerstand heeft. We zien op de wereldmarkt dat zo’n 15 procent van al het zilver nu naar de pv-industrie gaat. En de vraag blijft groeien met het opschalen van de industrie. Dat kan zo natuurlijk niet doorgaan. Je ziet dat de industrie steeds meer naar andere oplossingen kijkt, zoals de mogelijkheid om het zilver door koper of aluminium te vervangen. Die kant zal het op moeten gaan.’
‘Als we dichter bij huis gaan produceren, kunnen we concepten zelf uitrollen en krijgt innovatie een boost’
Circulair design
Belangrijker, vindt Smets, is dat circulariteit een rol krijgt in het ontwerp van pv-technologieën. Daar ontbreekt het nu nog aan. ‘Glaspanelen zijn lastig te recyclen. De gebruikte materialen zijn niet makkelijk te scheiden. En als dat al lukt, malen we het glas en silicium tot grondstof voor bijvoorbeeld asfalt. Niet voor nieuwe zonnepanelen. Circulariteit is een belangrijke voorwaarde voor de groei van pv. Als je ziet dat we vorig jaar wereldwijd 200 gigawattpiek geïnstalleerd hebben, dan schrik je van het besef dat dit over 25 jaar tientallen megatonnen aan afval wordt.’
In dat opzicht ziet Smets voordelen in de flexibele zonnefolie. Dat bestaat voor 99 procent uit recyclebaar polymeer en de beperkte hoeveelheid silicium is daar eenvoudiger van te scheiden.
Dynamische markt
Door de sterke groei van pv, ontstaan er in veel regio’s al congestieproblemen in het net. Voor een verdere groei is het noodzakelijk om dat probleem te tackelen, benadrukt de hoogleraar.
‘Het netwerk kan lang niet zo snel opschalen als dat we pv installeren. Dit heeft te maken met traagheid van procedures en een tekort aan technisch geschoolde mensen. Er zijn spoedmaatregelen nodig om de capaciteit op het elektriciteitsnet snel te vergroten. Thuisbatterijen zijn in Nederland nog niet ingeburgerd, vooral door de hoge investeringskosten en de afremmende werking van de salderingsregeling. Maar er zijn al thuisbatterijen – met slimme aansturing, gebruikmakend van de dynamische energiemarkt – die je in acht jaar kunt terugverdienen.’
‘Verder zal de prijs van batterijen door productieopschaling flink gaan dalen de komende jaren. Dan wordt het nog interessanter. Zeker gezien de huidige elektriciteitsprijzen en de afbouw van de salderingsregeling. Met batterijen kunnen we het net stabiliseren en het eigengebruik van thuis opgewekte zonne-elektriciteit verbeteren. De vraag is of je dat per huishouden moet doen; op buurtniveau is misschien slimmer. Grootschalige zonneparken kunnen met batterijen het meeste bijdragen aan stabilisatie van het net. Als je daar de extra functionaliteit van speculeren op de dynamische elektriciteitsmarkt aan toevoegt, levert het de exploitant in de toekomst flink wat rendement.’
Voor seizoensfluctuaties bieden batterijen echter geen oplossing. Smets ziet in dat opzicht veel meer in opslag in waterstof. ‘Immers, waterstof kun je opslaan als brandstof voor later gebruik, maar ook inzetten voor industriële processen, transport of het verwarming.’
Energie
De zon geeft ons energie. In meerdere opzichten. Dat geldt zeker ook voor Smets. Hij krijgt energie van zijn specialisme en blijft zoeken naar manieren om nog meer uit de zon te halen. Uiteraard wekt hij thuis ook zelf zonne-energie op.
‘Er liggen alleen wat panelen op de achterkant van de woning. Aan de voorkant mag ik van de gemeente nog geen zonnepanelen legen, omdat deze monumentale woning tot het beschermd stadsgezicht behoort. Als ik aan de voorkant de bestaande kleur en vorm kan simuleren met folie, ga ik de uitdaging aan om de gemeente te overtuigen dat het mag en kan.’
Leven lang leren
Arno Smets is naast hoogleraar Solar Energy ook directeur Extension School Education bij de TU. In die rol regisseert hij de ontwikkeling van permanente educatiecursussen en programma’s, online voor een breed publiek, met een speciale focus op professionals. Over bijvoorbeeld de energietransitie, duurzame steden, toekomst van mobiliteit, digitalisering, cyber security, artificial intelligence, quantum technologie en relevante vaardigheden voor ingenieurs. ‘Een leven lang leren wordt heel belangrijk in het kader van de energietransitie. We komen al engineers en uitvoerders tekort en de aanwas voldoet niet aan de vraag, dus moeten we bestaande professionals bijscholen en zij-instromers klaarstomen om de overstap te maken.’
Kijk op hier voor het aanbod in gratis MOOC’s en online masters. De gratis Solar-cursus van Smets op edX is terug te vinden op: Professional Certificate: Solar Energy | TU Delft Online.
Tekst: Astrid Zoumpoulis - Verbraeken
Fotografie: Eric de Vries