Het zonnetijdperk is begonnen. Nu komt het moeilijke deel.

Zonne-energie is ongetwijfeld de drijvende kracht achter de wereldwijde groene transitie, gezien de extreem lage kosten – slechts € 0,023 per kilowattuur. “Vorig jaar kwam er wereldwijd zoveel zonne-energie bij dat het gelijkstaat aan de capaciteit van zo’n duizend kerncentrales. “Eén kerncentrale bouwen duurt al snel vijftien jaar en vraagt enorme overheidsinzet. Met zonnepanelen bouwen we er elk jaar duizend,” zegt professor Olindo Isabella.

Hij leidt de Photovoltaic Materials and Devices (PVMD)-groep aan de Technische Universiteit Delft (TU Delft). De groep werkt aan de hele zonne-energieketen: van de atoomfysica van een enkele dunne laag zonnemateriaal tot het modelleren van drijvende zonneparken op kilometerschaal.

Tijdens een door de universiteit georganiseerde persrondleiding, die ook door IO+ werd bijgewoond, openden de onderzoekers hun laboratoria en lieten ze zien waar het onderzoek nu staat. De boodschap van de dag was duidelijk: de zonne-energierevolutie is al volop gaande. Nu begint het moeilijke deel.

Slimme, groene en circulaire oplossingen

De groep van Isabella werkt aan drie grote uitdagingen: materialen, intelligentie en circulariteit. Standaard zonnecellen gebruiken zilver voor de elektrische contacten en indium in de transparante lagen. Dat zijn schaarse, en soms milieubelastende materialen.

De professor laat een alternatieve zonnecel zien met een oranje gloed: koper. Daarmee heeft de groep het zilver succesvol vervangen, zonder verlies van efficiëntie. “We moeten overstappen op materialen die overvloediger en minder schadelijk zijn,” zegt Isabella. “En dat is precies wat hier gebeurt.”

Op het gebied van intelligentie wil de groep af van het idee dat een zonnepaneel een passief apparaat is: licht erin, stroom eruit, zonder te reageren op de omgeving. Daarom ontwikkelden de onderzoekers een aansluitdoos — een kunststof onderdeel achter op een zonnemodule — die dynamisch aanpast hoe de cellen met elkaar verbonden zijn, afhankelijk van de schaduw.

Op een dak waar bijvoorbeeld een boom een bewegende schaduw werpt, zorgt de box ervoor dat het paneel altijd zo efficiënt mogelijk blijft werken. De box meet continu hoeveel stroom elke cel levert. Zodra er afwijkingen ontstaan — bijvoorbeeld door schaduw op een deel van het paneel — schakelt hij de verbindingen tussen de cellen fysiek om, zodat het rendement zo hoog mogelijk blijft.

Zo worden ook zogenaamde hotspots voorkomen: plekken waar warmte zich ophoopt in het paneel. Die kunnen de levensduur verkorten en in extreme gevallen brand veroorzaken. “Door het ontwerp,” zegt Isabella, “kan de module nooit in een situatie komen waarin een hotspot ontstaat.”

Actie ondernemen op het gebied van het elektriciteitsnet

Nu de prijs van zonnepanelen blijft dalen, rijst de vraag: wat is het nut van het nog verder verlagen van de productiekosten? Volgens de professor ligt het echte probleem elders: niet bij de kosten van stroomopwekking, maar bij het elektriciteitsnet.

De Europese elektriciteitsinfrastructuur is ontworpen voor één richting: van centrale naar consument. De opkomst van hernieuwbare energie verandert dat volledig. Productie is overal tegelijk. “De technologie is er,” benadrukt Isabella. “Wat nodig is, is een sterke inzet van de overheid om het elektriciteitsnet aan te passen.”

Die inzet betekent een duidelijke strategie: hernieuwbare energie koppelen aan opslag, en het elektriciteitsnet slimmer maken met software en sturing. De professor erkent dat er meer investeringen nodig zijn om de netcapaciteit te vergroten — iets waar netbeheerder TenneT volgens hem al aan werkt — maar benadrukt dat de schaal enorm is en dat het tijd kost.

De groei van zonne-energie in Nederland was de afgelopen jaren vooral economisch gedreven. Zonnepanelen werden goedkoper, en de uitrol ging snel en grootschalig. Hij verwacht dat accu’s hetzelfde pad zullen volgen. Een thuisaccu van 3 kWh kost nu al zo’n 2.500 tot 3.000 euro. “Beide technologieën zijn er,” zegt hij. “De vraag is alleen of elk nieuw zonne-energiesysteem straks standaard met een accu wordt geleverd.”

Efficiëntere zonnecellen

Een van de onderzoekers die Isabella voorstelt, is promovenda Katarina Kovačević. Haar werk richt zich op een van de contra-intuïtieve problemen in het ontwerp van zonnecellen. De metalen contacten aan de voorkant van een conventionele siliciumcel blokkeren precies wat de cel juist wil opvangen: zonlicht. Elke zilveren busbar werpt een kleine schaduw, en over miljoenen cellen telt dat op.

Daarom onderzoekt ze zonnecellen waarbij de contacten naar de achterkant zijn verplaatst. Het resultaat: een efficiëntere én visueel strakkere zonnecel. Zonder metalen rasterlijnen ontstaat een glad, bijna zwart oppervlak dat veel beter opgaat in daken en gevels dan de bekende blauwe panelen met hun gridpatroon. Deze technologie bestaat al sinds de jaren zeventig, maar wordt nog altijd beperkt toegepast.

De groep heeft dit concept verder verfijnd door een nanoschaalruwheid aan de voorkant aan te brengen, waardoor de cellen nog donkerder worden. Een truc, merkt Kovačević op, die sommige vogelsoorten ook gebruiken op hun veren voor hetzelfde optische effect. De ontwikkelde zonnecel behaalde een rendement van 24 procent — dicht bij dat van conventionele zonnepanelen.

Katarina Kovačević in haar laboratoriumjas - © Technische Universiteit Delft

Een toekomst met zonne-energie

De elektrificatie van de samenleving vraagt om goed opgeleide ingenieurs die de zonneparken, batterijen en netwerken van morgen kunnen ontwerpen. Naast hun onderzoek leiden de wetenschappers aan de universiteit daarom ook de volgende generatie op. Na de presentaties gaat de rondleiding verder naar beneden, naar het PV Education Lab.

Docent Robin Vismara geeft uitleg over de faciliteit, waar studenten een diepgaand inzicht krijgen in zonnetechnologie: van losse zonnecellen tot complete daksystemen met batterijen en omvormers.

Buiten, naast het lab, staat een reeks zonnepanelen die ondanks de bewolkte lucht gewoon stroom blijft produceren, merkt Vismara op. “Het is geen toeval dat Nederland het land is met de hoogste zonne-energiecapaciteit per inwoner. Het werkt, zelfs op een dag als deze,” zegt hij.

Terug boven wordt Isabella gevraagd hoe Nederland er over tien jaar op energiegebied uit zou kunnen zien. Hij twijfelt niet. Zonne-energie zal overal zijn — op daken, gevels, water en landbouwgrond — in combinatie met accu’s, en gevoed door een net dat eindelijk de opwek heeft ingehaald in plaats van andersom. De technologie, herhaalt hij, is niet de beperkende factor. Dat is het eigenlijk nooit geweest. “De zon,” zegt hij, “gaat nergens heen.”