Waarom zijn fotovoltaïsche systemen cruciaal in de strijd tegen klimaatverandering?

De wereld staat voor een urgente uitdaging: het beperken van de wereldwijde temperatuurstijging door drastische vermindering van CO₂-uitstoot. Wetenschappelijke consensus stelt dat deze emissies tegen 2030 aanzienlijk moeten dalen en tegen 2050 nagenoeg nul moeten zijn. Klimaatverandering manifesteert zich al duidelijk, onder meer door extreem weer, zoals hevige regenval, tropische nachten, hittegolven en bijhorende gezondheidsrisico’s zoals zonnesteek en verhoogde sterfte. De ecologische en economische impact is verstrekkend: uitbreiding van ziektedragende organismen, verminderde landbouwopbrengst, schade in berggebieden door stortregens, afname van vispopulaties door veranderende watertemperaturen.

Tegen deze achtergrond is een fundamentele hervorming van zowel energieaanbod als -vraag onvermijdelijk. Het goede nieuws is dat deze hervormingen haalbaar zijn zonder economische ontwikkeling te hinderen. Duurzame energiebronnen bieden een levensvatbaar alternatief voor eindige fossiele brandstoffen en dragen bij aan energiezekerheid. Onder de hernieuwbare opties springt zonne-energie eruit als de meest toegankelijke en overvloedige bron: binnen één uur straalt de zon voldoende energie uit om de hele aarde een jaar lang van stroom te voorzien.

Fotovoltaïsche (PV) systemen vormen de kern van zonne-energiebenutting. Deze technologie, gebaseerd op het omzetten van zonlicht in elektriciteit via halfgeleidermaterialen, is veelzijdig, modulair en stil. Een PV-systeem bestaat doorgaans uit PV-modules, opslagbatterijen, omzetters van gelijkstroom naar wisselstroom, regelmodules, montageconstructies en verbindingskabels. De PV-modules zelf bestaan uit cellen die licht opvangen en direct omzetten in stroom.

De technologische evolutie van PV-cellen kent vier generaties. De eerste generatie bestaat uit kristallijne siliciumcellen, onderverdeeld in monokristallijn, polykristallijn en PERC (Passivated Emitter and Rear Cell). Deze cellen bieden hoge efficiëntie, maar zijn kostbaar door het gebruik van dikke materialen. De tweede generatie, op basis van dunne-filmcellen zoals CIGS, CdTe en amorf silicium, vergt minder grondstoffen en biedt gunstige kostenefficiëntie zonder noemenswaardig verlies aan prestaties.

De derde generatie omvat innovatieve technologieën zoals CZTS, kleurstofgevoelige en organische zonnecellen. Hoewel deze concepten experimenteel zijn, bieden ze veelbelovend potentieel op lange termijn, vooral door hun aanpasbaarheid aan diverse toepassingen. De vierde generatie onderzoekt grensverleggende technologieën zoals kwantumdotcellen (QD) en geconcentreerde zonnecellen (CSC), die zonne-energie bundelen via optische lenzen en zo tot 40% conversie-efficiëntie kunnen bereiken in laboratoriumomstandigheden.

Naast indeling per generatie kan men PV-cellen ook classificeren naar het gebruikte materiaal: perovskiet, organisch, kleurstofgevoelig en silicium. Onder al deze types blinken Multi-Junction Concentrator Solar Cells (MJCSC) uit in efficiëntie, hoewel ze ook de hoogste kosten per geproduceerde watt kennen. Organische cellen hebben de laagste efficiëntie. Cadmiumtelluride biedt de laagste kostprijs per watt. Niettemin blijft meer dan 90% van de geïnstalleerde systemen gebaseerd op eerste-generatie technologie.

PV-systemen vinden hun toepassing in uiteenlopende domeinen, van ruimtevaart tot drijvende zonne-eilanden. De technologische maturiteit gaat hand in hand met een sterke daling van de kostprijs: tussen 2010 en 2021 daalden de moduleprijzen van $1,96/W naar $0,38/W. Deze daling vergemakkelijkt wereldwijde opschaling. Met het vooruitzicht dat het wereldwijde energieverbruik tegen 2035 met 50% toeneemt ten opzichte van 1990 — mede door urbanisatie en bevolkingsgroei — wordt de inzet op PV-technologie niet langer optioneel, maar een noodzakelijke component in de strijd tegen energiearmoede, emissietoename en onstabiele energiekosten.

Naast technologische ontwikkeling vereist deze transitie ook politieke wil, sociale acceptatie en investeringen in infrastructuur. De opslag van zonne-energie en netintegratie blijven cruciale aandachtspunten. Tegelijkertijd bieden lokale productie en decentrale systemen kansen voor energieautonomie, met als bijkomend voordeel dat geopolitieke spanningen over fossiele energiebronnen afnemen.

Hoe beïnvloeden klimaat, inkomen en gebouwtype het energieverbruik en de potentie van zonne-energie in Brazilië?

In commerciële hoogbouw in Brazilië, met name torengebouwen, wordt het elektriciteitsverbruik hoofdzakelijk verdeeld tussen airconditioning (28–47%) en verlichting (26–38%). Deze verdeling volgt logischerwijs het klimaat: in streken met een jaargemiddelde temperatuur van 20 tot 25 °C neemt het aandeel van koeling significant toe. Het streven naar thermisch comfort blijft de belangrijkste drijfveer achter deze energievraag. Tegenover deze stijgende energievraag staat de technologische vooruitgang, waaronder het gebruik van kunstmatige intelligentie in airconditioningsystemen. Deze systemen passen zich aan veranderende omstandigheden aan zonder menselijke tussenkomst, minimaliseren verlies en optimaliseren comfort.

De analyse maakt onderscheid tussen collectieve woongebouwen en vrijstaande eengezinswoningen. Het aantal slaapkamers, bewoners en het woningtype zijn direct verbonden met het energieprofiel. Dit alles is geprojecteerd in landelijke gemiddelden (PDE 2031), en vergeleken met gerichte data uit klimaatzones, met afwijkingen van slechts 5–8% (RMSE/MBE). Daardoor vormen deze modellen een solide basis voor het evalueren van het potentieel van fotovoltaïsche energie.

Voor commerciële gebouwen zonder schaduwobstakels is de zogeheten “podium”-architectuur (of platformstructuur) bijzonder gunstig voor zonne-energieopwekking. Deze sinds de jaren ’60 veelgebruikte bouwvorm wordt toegepast in diverse instellingen, waaronder scholen, hostels en supermarkten. Terwijl torengebouwen met dunnefilm-PV op gevels slechts 10% van hun energiebehoefte kunnen dekken, kan een supermarkt met podiumstructuur in hetzelfde klimaatgebied tot 31% van haar behoefte dekken. Toch brengt gevelplaatsing van PV-systemen extra thermische belasting met zich mee: in steden als Florianópolis en Belo Horizonte nam de koelvraag hierdoor toe met respectievelijk 8% en 3%, wat de netto energetische winst onder druk zet. Deze gegevens onderstrepen de noodzaak om bij zonne-energieprojecten ook de bijbehorende thermische effecten in rekening te brengen.

In residentiële gebouwen werd de terugverdientijd van PV-systemen berekend voor 55 steden in zeven van de acht Braziliaanse bioklimatische zones (tussen 14° S en 28° S). Hierin werden zowel multi- als eengezinswoningen geanalyseerd op basis van hun energieverbruik, klimaatkenmerken en beschikbare montageoppervlakken voor PV-modules. Monokristallijne Si-panelen op noordgerichte gevels of daken bleken in staat om het verbruik (afgezien van een basistariefdeel voor netwerkaansluiting) volledig te dekken, afhankelijk van locatie, oriëntatie en woningtype.

Bij deze analyses zijn ook factoren als “cooling degree days” en de jaarlijkse som van globale horizontale instraling meegenomen. Zo kan bijvoorbeeld een compacte woning met één slaapkamer en twee bewoners een verbruik van 80 kWh per maand hebben, terwijl een grote eengezinswoning met drie slaapkamers en vier bewoners tot 500 kWh per maand kan verbruiken. Dit verbruik werd afgezet tegen het potentiële rendement van de PV-installatie, inclusief de economische drempel van de minimale netvergoeding (30, 50 of 100 kWh/maand, afhankelijk van het aantal stroomfasen van de woning).

Voor de inzet van zonne-energie in gebouwen moet men dus rekening houden met meerdere gelaagde factoren: klimatologische omstandigheden, gebouwtypologie, sociaal-economische status van bewoners, en de structuur van het nationale energietariefbeleid. Het optimaliseren van zonne-energiesystemen vereist een holistische benadering waarbij niet alleen opwekking, maar ook het veranderde verbruikspatroon door thermische effecten en gedragselementen worden meegenomen.

Belangrijk is verder te begrijpen dat standaardmodellen, ondanks beperkte regionale differentiatie, bruikbaar blijven voor evaluatie op nationale schaal. Toch leidt het negeren van microklimaten of socio-culturele verbruiksverschillen tot onnauwkeurigheden in energiebeleid en ontwerp. Het rendement van fotovoltaïsche installaties wordt niet enkel bepaald door technologische efficiëntie of instralingsdata, maar ook door gedrag, bezit van toestellen, gebruiksintensiteit en de al dan niet aanwezige integratie van intelligente systemen zoals AI-gestuurde koeling.

Hoe kunnen transparante zonnevensters bijdragen aan de verduurzaming van gebouwen?

In de afgelopen jaren heeft de integratie van zonne-energie in gebouwen via Building Integrated Photovoltaics (BIPV) wereldwijd aanzienlijke vooruitgangen geboekt. Vooral de ontwikkeling van transparante en semi-transparante zonnevensters heeft de belangstelling getrokken van zowel onderzoekers als architecten vanwege hun potentieel om zowel energie op te wekken als het interne klimaat te reguleren. Dit type technologie maakt gebruik van vensters die zowel zonlicht doorlaten als energie genereren, wat ze een veelbelovende oplossing maakt voor de bouwsector.

Een recent voorbeeld van de effectiviteit van deze technologie is de zonnekas van de Murdoch Universiteit in Perth, Australië. Het ontwerp van de ClearVue vensters in deze kas biedt een hoog rendement op zonne-energie, zelfs wanneer de vensters niet volledig verticaal zijn geplaatst. Deze vensters hebben een lagere gevoeligheid voor de invalshoek van het zonlicht, waardoor ze zelfs bij niet-ideale hoeken een aanzienlijke hoeveelheid elektriciteit kunnen opwekken. Dit maakt de vensters uitermate geschikt voor BIPV-installaties, waar meerdere oriëntaties vaak noodzakelijk zijn om optimaal gebruik te maken van de beschikbare zonnestraling.

De microklimaatbeheersing in de Murdoch zonnekas is geoptimaliseerd voor energie-efficiëntie, waarbij de temperatuur met een nauwkeurigheid van ±2°C werd gecontroleerd, zowel overdag als ’s nachts. Bovendien werd een energie-efficiënte koelingsstrategie geïntroduceerd, die gebruikmaakt van verneveling om de luchtvochtigheid te regelen en tegelijkertijd de energiebehoefte voor koeling te verminderen. Deze benadering zorgt ervoor dat het klimaat in de kas in de hete zomermaanden van Perth optimaal kan worden gereguleerd zonder overmatige energieverliezen.

Tijdens de wintermaanden werd het energieverbruik voor verwarming minimaal gehouden, wat het algehele energieverbruik van het systeem aanzienlijk verlaagde. De ClearVue zonnevensters, die fotovoltaïsche cellen in het glas geïntegreerd hebben, leverden zoals verwacht een consistente hoeveelheid elektriciteit, wat resulteerde in een zelfvoorziening van ongeveer 40% van het energieverbruik, met pieken tot 60% op zonnige herfstdagen. De verscheidenheid aan vensterontwerpen leverde verschillende prestaties in energieopwekking, wat waardevolle gegevens opleverde voor het verfijnen van de materialen die in de vensters worden gebruikt.

Naast de voordelen op het gebied van energieopwekking, werd ook aangetoond dat de ClearVue vensters helpen bij een efficiënter gebruik van water. In vergelijking met conventionele beglazing was er tot 20% minder waterverbruik in de wintergroeiseizoenen, door de hoge thermische isolatie en de verminderde zonnewarmtewinst. Dit is een belangrijke overweging voor landbouwprojecten die gebruik maken van agrivoltaïsche systemen, waar zowel energieopwekking als waterefficiëntie cruciaal zijn voor het succes van het systeem.

Deze innovaties in de bouwsector dragen niet alleen bij aan het verminderen van de energiekosten, maar ook aan de duurzaamheid van de gebouwde omgeving. De integratie van zonne-energie in de architectuur maakt het mogelijk om gebouwen te ontwerpen die minder afhankelijk zijn van fossiele brandstoffen, terwijl ze tegelijkertijd bijdragen aan de verminderde uitstoot van broeikasgassen. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van materialen die zowel functioneel als energieproducerend zijn, zoals de transparante zonnepanelen van ClearVue, die het potentieel hebben om een significante bijdrage te leveren aan de wereldwijde verduurzaming van de gebouwde omgeving.

Daarnaast moet men zich realiseren dat, hoewel zonnevensters veelbelovend zijn, hun efficiëntie nog steeds afhangt van verschillende factoren, zoals de geografische locatie van het gebouw, de oriëntatie van de vensters, de zonnestraling en de specifieke behoeften van de gebruikers. Het succes van BIPV-systemen zal niet alleen afhangen van de technologie zelf, maar ook van de manier waarop deze technologie wordt geïntegreerd in het bredere ontwerp en de bouwstrategie van een gebouw.