Zonnepanelen

8,14kWp aan zonnepanelen op het dak van een schuur

Zonnepanelen zijn panelen waarin een groot aantal fotovoltaïsche cellen in serie geschakeld zitten. Deze cellen produceren elektriciteit uit licht. Door deze panelen samen te schakelen kunnen grote hoeveelheden elektriciteit opgewekt worden. Zonnepanelen produceren gelijkstroom, daarom moeten zij met behulp van een omvormer op het elektriciteitsnet aangesloten worden.

Andere pagina's over zonnepanelen

Om het overzicht te behouden is de informatie over zonnepanelen verdeelt over meerdere pagina's. Op deze pagina staat algemene informatie en op de andere pagina's staat meer specifieke informatie:

• Handleiding zelf zonnepanelen installeren
• Overzicht aanbieders zonnepanelen
• Salderen
• Terugverdientijd
• Zonnecollectoren voor warmte
• Hoe een off-grid zonnestroom systeem plannen
• Informatie of Omvormers

Energieprijs van stroom uit zonnepanelen

De prijs per kWh uit een zelf geïnstalleerde, slim ingekochte installatie kan ver onder de 20 cent / kWh duiken en is daarmee vaak substantieel goedkoper dan de stroom die van de conventionele partij wordt ingekocht. Ik zal hieronder uitleggen hoe deze prijs tot stand komt en hoe het kan dat deze 'dure' zonnepanelen goedkopere stroom leveren.

De prijs berekenen

De prijs van zonnestroom wordt berekend door de totale systeemkosten te delen door de totale te verwachten energie productie. Modules zijn er momenteel voor record lage prijzen. Gecombineerd met een omvormer en overig materiaal is het daardoor al mogelijk een compleet systeem te kopen voor prijzen vanaf €1.270,- per kWp. Als het systeem dan ook nog zelf geïnstalleerd wordt (wat goed mogelijk is), dan zijn dit de totale systeemkosten. In Nederland is de courante opbrengst van een zonnestroomsysteem ongeveer 900-1000 kWh/kWp. Een installatie heeft een verwachte levensduur van minimaal 30 jaar. Per kWp kan er dus 30 jaar × 900 kWh = 27.000 kWh verwacht worden. De prijs per kWh is dan €1.270,- / 27.000 kWh = 4,7ct.

Dit is natuurlijk een erg gunstige situatie, maar zelf als de prijs stijgt naar €1.500,- per kWp (dit is wat courante installateurs vragen voor een compleet systeem inclusief montage) en de opbrengst tegenvalt met 850 kWh/kWp is de prijs van zonnestroom gunstig:

• 30 jaar × 850 kWh = 25.500 kWh
• €1.500,- / 25.500 kWh = <€0,06 per kWh

Hierbij is echter nog geen rekening gehouden met kapitaalkosten, waardoor de prijs nog iets hoger uit kan komen. Dit maakt de berekening echter gecompliceerd en is erg situatie afhankelijk. Zo kan een installatie in sommige situatie voordeel opleveren vanwege het wegvallen van 1,2% vermogensrendementsheffing, terwijl het investeringsbedrag in andere gevallen tegen hoge kosten gefinancierd moet worden. Zie voor een verdere bespreking ook de economische terugverdientijd.

Het voordeel

De werkelijke prijs van zonne-energie is nog steeds hoog in vergelijking met de kostprijs van stroom uit veel andere bronnen. Stroom uit kolen kost bijvoorbeeld 4~6 cent / kWh, voor stroom uit gas geldt een prijs van 7~8 cent / kWh en windmolens op land produceren eveneens voor ongeveer 7~8 cent / kWh. Zonnepanelen lijken daarbij met hun tot ~12 cent /kWh ongunstig (rekening houdend met ongunstige financiering). Voor de inkoper van leveranciers is zonne-energie dan ook een factor 2-3x duurder dan conventionele stroom. De situatie is echter anders voor de consument, deze betaald vaak een vast bedrag voor stroom van 6-8 cent /kWh, maar daar komt nog ~14 cent /kWh aan belastingen bij. De consumentenprijs wordt hierdoor ongeveer 20-22 cent / kWh. Voor eigen opwek hoeft dankzij het salderen deze energiebelasting en BTW niet betaald te worden. Voor de particulier is zonnestroom dus voordeliger dan stroom van de energieleverancier!

Energetische terugverdientijd

Het berekenen van de energetische terugverdientijd is een complexe aangelegenheid, maar er zijn verschillende wetenschappelijke onderzoeken naar dit onderwerp geweest. In 1997 is er een onderzoek geweest wat specifiek naar de Nederlandse markt keek en kwam daarbij tot de volgende conclusie:

De energie-terugverdientijd van zonnecelsystemen in Nederland wordt geschat op 4-6 jaar voor de huidige generatie systemen. Voor toekomstige systemen lijkt een terugverdientijd van minder twee jaar mogelijk.

Uit een ander recent onderzoek naar een goedkopere manier om kristallijne zonnepanelen te produceren is gebleken dat de energetische terugverdientijd nu al onder de twee jaar ligt. In zuid Europa is de terugverdientijd slechts 1 jaar. Hierbij wordt rekening gehouden met de productie, installatie en recyclen van het hele systeem, dus inclusief omvormers e.d.. Het gaat hier over kristallijne zonnepanelen, dit is veruit het meest toegepaste type zonnepaneel.

The energy payback time of this module is about 1.9 years (Central Europe) and 1.0 years (Southern Europe).

Als we dus uitgaan van een levensduur voor het systeem van 30 jaar, dan produceert een zonnestroomsysteem in zijn levensduur meer dan 15× de energie die benodigd is om het te produceren. De EROEI is daarmee groter dan 15.

Maximale efficiëntie

Vermogen in het zonnespectrum in W/m²/eV zonnespectrum.

A device with efficiency greater than 30% would be quite remarkable. - Hopfield and Gollub (1978) refererend naar een Single-junction zonnecel.

Zonlicht bestaat uit een bundel van licht met verschillende energieniveaus. De hoeveelheid energie in een foton (lichtdeeltje) meten we in elektronvolt (eV). De hoeveelheid energie in een lichtdeeltje bepaalt eveneens de kleur van het licht. Hiernaast is te zien wat de intensiteit van alle verschillende deeltjes is in het zonlicht wat er op de aarde valt uitgedrukt in W/m²/eV. De gekleurde delen geven grofweg aan wat het zichtbare deel van het spectrum is.

Het theoretisch bruikbare vermogen uit het zonnespectrum met een band-gap 1.1eV zonnecel in W/m² per eV zonnespectrum.

Een zonnecel heeft een bandgap welke eveneens gemeten wordt in eV. Deze bandgap geeft aan wat de minimale energie is die nodig is om een elektron vrij te maken en dus stroom en spanning te produceren. Een typische zonnecel heeft een bandgap van 1,1eV. Dit betekent dat alle fotonen met een energieniveau lager dan de bandgap (in dit geval 1,1eV) niet gebruikt kunnen worden, omdat ze te weinig energie bezitten om een elektron vrij te maken. Van alle fotonen met een energie groter dan de bandgap (1,1eV dus in dit geval) wordt alleen de energie ter grootte van de bandgap gebruikt. Bij een foton met een energie van 2,2eV zal dus de helft van de energie verloren gaan in de vorm van warmte. Bij een foton met een energie van 3,3eV zal er dus zelfs 2,2eV oftewel 2/3 van de energie verloren gaan. In de afbeelding hiernaast is te zien welk deel van het spectrum door een zonnecel met een bandgap van 1,1eV omgezet kan worden in elektriciteit, aangegeven als het oranje deel onder de zwarte lijn die de energie in het zonlicht aangeeft.

Op deze manier konden Hopfield en Gollub in 1978 dus al berekenen wat het meest ideale bandgap zou zijn voor een zonnepaneel, door simpelweg naar het spectrum van het licht te kijken, zoals dat in de twee afbeeldingen hiernaast te zien is en voor iedere bandgap te kijken welk deel er omgezet kan worden naar elektriciteit. Hiermee kwamen ze tot de conclusie dat een ideale bandgap maximaal 31% van het zonlicht om kan zetten in elektriciteit. Echter moet er ook rekening gehouden worden met het feit dat er recombinatie plaatsvindt in het zonnepaneel, alsmede andere verschijnselen die ervoor zorgen dat de maximale efficiëntie nooit gehaald zal worden. Vandaar de bovenstaande uitspraak dat het onwaarschijnlijk is dat er ooit een zonnecel komt met een efficiëntie groter dan 30%.

Hierbij dient overigens wel de kanttekening gemaakt te worden dat er door het concentreren van het zonlicht of door het gebruiken van verschillende materialen met verschillende bandgaps in het daarvoor meest geschikte deel van het spectrum er hogere efficiënties gehaald kunnen worden zoals ook aangetoond in laboratoria.

Een andere wijze om meer energie uit het zonlicht te halen is gebruik te maken van materialen die twee of meer lage-energie fotonen kunnen invangen, waarna een foton van hogere energie kan worden uitgezonden. Anders onbruikbare fotonen worden hiermee geconverteerd naar het bruikbare deel van het spectrum. Dit lukt niet met normale materialen, maar het is wel mogelijk met quantum dots. Het gaat dan om nano-deeltjes die zo zijn ontworpen dat ze veel verschillende energieniveau's hebben in het gewenste gebied (zie bijv. het wiki-artikel Quantum dot solar cell).

Voor- & nadelen

Voordelen

• Universeel toepasbaar
  Zonnepanelen zijn praktisch overal toepasbaar en zeer toegankelijk. Zelfs in huurwoning of als flatbewoner is het vaak mogelijk zonnepanelen toe te passen.
• Schaalbaar
  Installaties variëren van één zonnepaneel tot een half miljoen zonnepanelen voor de grootste vrije-veld installaties.
• Uitbreidbaar
  Vooral in Nederland komt het relatief vaak voor dat mensen klein beginnen en de zonnestroom-installatie steeds verder uitbreiden.
• Onderhoudsvrij
  Zonnepanelen zijn praktisch onderhoudsvrij.
• Geringe ruimtevraag
  Zonnepanelen als ook zonnecollectoren kunnen vaak op bestaande gebouwen geplaatst worden en nemen daardoor geen extra ruimte in beslag.
• Gunstige opwek profiel
  De opwek van zonnepanelen vindt overdag plaats. Dit is ook de tijd waarop het meeste elektriciteit verbruikt wordt. In landen en gebieden met veel airconditioning geldt dit effect nog sterker, omdat de behoefte aan koeling het grootst is bij veel zon.
• Schaduw
  De schaduw van zonnepanelen zorgt ervoor dat een dak minder warm wordt in de zomer. Ruimtes onder het dak zullen daardoor minder opwarmen, net als bij een omkeerdak.

Nadelen

• Kosten
  Zonnepanelen vergen een relatief grote eenmalige investering. Deze investeringskosten nemen echter snel af en verdient u snel terug.
• 's Nachts geen stroom
  Zonnepanelen leveren afhankelijk van de instraling stroom en dus niet als het donker is.