Hoe beïnvloeden gebouw-geïntegreerde fotovoltaïsche systemen onze toekomst?

De wereldwijde toepassing van fotovoltaïsche (PV) technologie in de gebouwde omgeving vormt een van de meest tastbare antwoorden op de existentiële dreiging van klimaatverandering. In slechts enkele jaren heeft PV zich ontwikkeld van een nichetechnologie tot een fundamenteel onderdeel van stedelijke infrastructuur en energievoorziening. In 2021 bedroeg de wereldwijde PV-capaciteit 940 GW; tegen het einde van 2022 was dit gegroeid naar 1100 GW en voor het einde van 2023 werd 1456 GW voorspeld. Deze groei weerspiegelt niet alleen technologische vooruitgang, maar ook een fundamentele verschuiving in het denken over energieopwekking en duurzaamheid.

De populariteit van PV-systemen is grotendeels te danken aan twee factoren: de drastisch gedaalde installatiekosten en de universele beschikbaarheid van zonlicht. In praktisch elk land ter wereld zijn PV-installaties inmiddels aanwezig. Europa heeft zijn beleid aangepast om dit potentieel ten volle te benutten. De Europese Unie streeft ernaar om vanaf 2025 PV-installaties verplicht te stellen in alle nieuw te bouwen gebouwen. Frankrijk nam in april 2023 al een vooruitstrevende maatregel aan, waarbij alle bestaande en nieuwe parkeerterreinen met minstens 80 plaatsen uitgerust moeten worden met PV-panelen.

De technologische vooruitgang binnen de PV-sector is opmerkelijk. In China wordt bijvoorbeeld een paneel van 315 W geproduceerd dat slechts 11 kg weegt, dankzij een glazen afdekking van slechts 1,6 mm dik. In Berlijn heeft het Helmholtz-Zentrum een tandemcel ontwikkeld met een kristallijn siliciumsubstraat en een perovskiet-toplaag, waarmee een rendement van 32,5% wordt behaald. Ook op het gebied van energieopslag zijn grote stappen gezet: lithium-ijzerfosfaatbatterijen behalen na vijftien jaar gebruik nog steeds een recyclingefficiëntie van 98%.

PV is niet langer beperkt tot daken of landinstallaties. Nieuwe toepassingen, zoals drijvende zonneparken op meren, rivieren en kustzones, nemen snel toe. In Haltern am See (Duitsland) installeerde BayWa r.e. AG een drijvende PV-installatie van 3 MW voor Quarzwerke GmbH. Nabij Bangkok voorziet de installatie bij het Sirindhorn-stuwmeer – de grootste drijvende zonnecentrale ter wereld – in een jaarlijkse elektriciteitsproductie van 60 GWh. In 2020 bedroeg de wereldwijde capaciteit van drijvende PV-systemen al 1,3 GW.

Het belang van PV als volwaardig bouwmateriaal groeit. In deze context is het noodzakelijk dat architecten en bouwers zich de basisprincipes van gebouw-geïntegreerde PV-systemen (BIPV) eigen maken. Deze systemen integreren PV-modules direct in het ontwerp en de constructie van gebouwen, waardoor esthetiek, energie-efficiëntie en duurzaamheid hand in hand gaan. PV is geen toevoeging meer; het is een fundamenteel bouwbestanddeel geworden. In verschillende landen – waaronder Nederland – worden toepassingen van BIPV intensief onderzocht, aangepast aan klimatologische, economische en maatschappelijke factoren.

Belangrijk hierbij is dat de implementatie van PV in de gebouwde omgeving niet alleen een technologische of ecologische aangelegenheid is, maar ook een sociaal en economisch proces. De schaalbaarheid van PV-technologie vereist nieuwe vormen van samenwerking tussen overheden, energiebedrijven, vastgoedontwikkelaars en burgers. Ook moet men rekening houden met de lange termijn: ontwerpbeslissingen van vandaag bepalen de energiebalans van decennia. Dit vergt niet alleen kennis van materiaaleigenschappen en rendementscurves, maar ook inzicht in beleid, ruimtelijke integratie en economische haalbaarheid.

Daarnaast moeten nieuwe normen en standaarden worden ontwikkeld voor installatie, onderhoud, brandveiligheid en netintegratie. Niet elke regio beschikt over dezelfde technische infrastructuur of beleidsinstrumenten. Wat werkt in Duitsland, moet niet automatisch worden overgenomen in Brazilië of Maleisië. De technologische oplossingen zijn universeel, maar de context is dat niet.

Ten slotte is de rol van onderwijs en kennisdeling cruciaal. Door samenwerking tussen universiteiten, onderzoeksinstituten en bedrijven kunnen innovatieve toepassingen sneller worden ontwikkeld en geïmplementeerd. Dit vraagt om een interdisciplinaire aanpak waarin techniek, architectuur, economie en beleid elkaar versterken.

Hoe kan zonnepanelen geïntegreerd in luchthavens bijdragen aan energie-efficiëntie?

De integratie van fotovoltaïsche systemen op luchthavens, zowel in de bouw zelf (BIPV – Building Integrated Photovoltaics) als toegepast op daken en andere structuren (BAPV – Building Applied Photovoltaics), biedt een veelbelovende oplossing voor het verduurzamen van de luchtvaartsector. Aangezien luchthavens vaak grote onbenutte oppervlakten hebben, bieden zij ideale locaties voor de plaatsing van zonnepanelen. Dit artikel onderzoekt de potentiële voordelen, uitdagingen en innovatieve toepassingen van zonne-energie op luchthavens, met een focus op de situatie in Brazilië.

De technische mogelijkheden voor het toepassen van zonnepanelen op luchthavens variëren van het plaatsen van panelen op daken van terminals en hangars tot integratie in de architectuur van nieuwe gebouwen. BIPV-systemen, die direct in het gebouw worden geïntegreerd, kunnen niet alleen bijdragen aan de energieproductie, maar ook de esthetiek en het ontwerp van luchthavens verbeteren. Tegelijkertijd kunnen BAPV-systemen, die op bestaande structuren worden aangebracht, een eenvoudigere en goedkopere optie zijn voor de implementatie van zonne-energie.

Er zijn echter ook verschillende uitdagingen bij het implementeren van fotovoltaïsche systemen op luchthavens. Het belangrijkste obstakel is de vervuiling van zonnepanelen door stof, vuil en vogeluitwerpselen, wat de efficiëntie van de panelen aanzienlijk kan verminderen. In landen met een droog klimaat, zoals Brazilië, waar de luchthavens vaak in tropische of semi-aride gebieden liggen, kan stofophoping leiden tot aanzienlijke verliezen in energieopbrengst. Onderzoek heeft aangetoond dat het periodiek reinigen van de zonnepanelen en het ontwikkelen van technologieën om de ophoping van vuil te minimaliseren essentieel is voor het behoud van de prestaties van het systeem.

Daarnaast spelen omgevingsfactoren zoals luchtvervuiling en de aanwezigheid van micro-organismen een rol in de prestaties van fotovoltaïsche systemen. In tropische gebieden kan bijvoorbeeld microbieel kolonisatie de efficiëntie van zonnepanelen beïnvloeden, wat in sommige gevallen zelfs leidt tot een verlies van 10-20% in energieproductie. Het is belangrijk om niet alleen te focussen op de initiële installatie van zonnepanelen, maar ook op de lange termijn onderhouds- en schoonmaakstrategieën om de prestaties te maximaliseren.

Naast de technische en operationele aspecten is het van belang om te begrijpen hoe de integratie van zonne-energie kan bijdragen aan bredere klimaatdoelen en de energietransitie. Luchthavens kunnen dienen als model voor andere grote stedelijke infrastructuren in termen van duurzame energieproductie. Het gebruik van zonne-energie op luchthavens kan een voorbeeld zijn van hoe grootschalige hernieuwbare energie-oplossingen kunnen bijdragen aan het verminderen van de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen en het realiseren van energieneutraliteit.

Daarnaast biedt de integratie van fotovoltaïsche systemen op luchthavens de mogelijkheid om economische voordelen te realiseren. Door de kosten voor elektriciteit te verlagen, kunnen luchthavens niet alleen besparen op operationele kosten, maar kunnen ze ook hun afhankelijkheid van het nationale elektriciteitsnet verminderen. In gevallen waar luchthavens in afgelegen gebieden zijn gevestigd, kan zonne-energie zelfs de enige betrouwbare bron van elektriciteit zijn.

Het is ook van belang te beseffen dat zonne-energie geen allesomvattende oplossing is. De variabele productie van zonne-energie, afhankelijk van het weer, betekent dat aanvullende energieopslag of een hybride systeem met andere hernieuwbare energiebronnen, zoals windenergie, noodzakelijk kan zijn om een betrouwbare energievoorziening te garanderen. Daarom moet de integratie van zonnepanelen op luchthavens worden gezien als onderdeel van een breder strategisch plan voor duurzame energievoorziening, dat ook andere hernieuwbare energiebronnen omvat en zorgt voor een robuuste infrastructuur voor energieopslag en -distributie.

Hoe draagt een BIPVT-systeem bij aan de energievoorziening van een woning in een tropisch klimaat?

In de zoektocht naar energieneutrale gebouwen zijn Building Integrated Photovoltaic–Thermal Systemen (BIPVT) een cruciale ontwikkeling geworden. Deze systemen combineren fotovoltaïsche cellen met thermische zonnecollectoren, waarmee zowel elektriciteit als warmte wordt opgewekt. In een tropisch stedelijk klimaat zoals Kuala Lumpur, waar zonnestraling overvloedig aanwezig is, kunnen dergelijke systemen optimaal functioneren – mits ze correct worden ontworpen en geïntegreerd.

Een goed voorbeeld van zo’n toepassing is het BIPVT-systeem dat werd geïnstalleerd aan de National University of Malaysia (UKM) voor een residentieel gebouw met een oppervlakte van 150 m². Het systeem werd ontworpen om zowel elektrische energie als warm water te leveren. Het systeem bestaat uit 21 PVT-collectoren, elk opgebouwd uit een polykristallijn silicium PV-module met daaronder een spiraalvormige absorber van roestvrijstalen holle rechthoekige buizen. Deze absorber transporteert water als koelvloeistof, wat tegelijkertijd dienstdoet als warmteoverdrachtmedium. De warmte die normaal de PV-modules zou oververhitten, wordt afgevoerd, wat de efficiëntie van de elektriciteitsopwekking verhoogt.

Het systeem werkt volgens een tweefasige warmtelevering: voorverwarming via zonne-energie en naverwarming via een combinatieketel. De circulatiepomp activeert wanneer het temperatuurverschil tussen de collectoren en het opslagvat een bepaalde drempel overschrijdt. Hierdoor wordt de warmte overgedragen naar een primair opslagvat. Indien de temperatuur van dit vat onvoldoende is, wordt water doorgevoerd naar een secundair opslagvat, waar het wordt bijverwarmd. Wanneer zelfs dat onvoldoende blijkt, treedt de combinatieketel in werking om de gewenste temperatuur van het tapwater te garanderen.

Uit de data-analyse blijkt dat de maandelijkse bijdrage van zonne-energie aan de warmtevraag varieert, en dat de zon alleen niet volstaat om het hele jaar door in de warmtevraag te voorzien. Bijgevolg is een aanvullende warmtelevering door de ketel noodzakelijk. Desondanks levert het systeem een aanzienlijke zonnefractie – een maat voor de bijdrage van zonne-energie – van gemiddeld 60,9% voor de opslagvaten, en 62,3% voor het totale systeem.

De prestaties van het systeem worden weergegeven via een energie-stroomdiagram waarin zowel thermische als elektrische energiestromen en -verliezen zichtbaar zijn. De totale systeemefficiëntie komt uit op 18,2%, met 6,3% voor de thermische en 11,9% voor de elektrische component. Verliezen ontstaan o.a. door warmteverlies naar de omgeving, verbrandingsverliezen van de ketel en verbruik door de pomp. Elektrische verliezen ontstaan onder meer door vervuiling van de modules en mismatch tussen componenten.

Belangrijke parameters die in de prestatie-evaluatie zijn meegenomen zijn onder andere: de instraling op het collectorgebied (44.477 kWh per jaar), de zonne-energie die daadwerkelijk in de opslagtanks terechtkomt (2610 kWh), en de bijdrage van de hulpverwarming (1938 kWh gasverbruik). Bij de elektrische zijde werd rekening gehouden met jaarlijkse vervuilingsverliezen van 113,3 kWh en mismatchverliezen van 220,9 kWh.

Wat dit project duidelijk maakt, is dat het succes van een BIPVT-systeem afhangt van een reeks onderling verbonden factoren: het ontwerp en de oriëntatie van het gebouw, de klimatologische omstandigheden, de dimensionering van het systeem, en de interactie tussen de verschillende subsystemen. In een tropisch klimaat, waar hoge temperaturen de prestaties van conventionele PV-systemen kunnen verminderen, biedt de actieve koeling door middel van water in BIPVT-systemen een aanzienlijke meerwaarde. Het systeem slaagt erin om tegelijkertijd het rendement van de elektriciteitsopwekking te verbeteren en thermische energie nuttig te gebruiken.

Voor de toekomstige toepassing van BIPVT-systemen in residentiële contexten is het van belang om ook de gebruikerspatronen en het dagelijks warmwaterverbruik goed in kaart te brengen. Bovendien dient men aandacht te besteden aan de integratie met bestaande verwarmings- en koelinstallaties. Hoewel het systeem autonoom kan functioneren, wordt de effectiviteit sterk verhoogd door koppeling met slimme regeltechnieken en sensoren die het energiebeheer optimaliseren.

Wat zijn de belangrijkste ontwerpoverwegingen voor BIPV-systemen in Oman?

Bij het integreren van fotovoltaïsche systemen in gebouwen (BIPV) in Oman zijn er verschillende kritische factoren die de efficiëntie en haalbaarheid van dergelijke installaties beïnvloeden. Het land, met zijn hoge zonnestraling, biedt aanzienlijke mogelijkheden voor zonne-energieproductie, maar de specifieke ontwerpeisen moeten zorgvuldig worden afgewogen om het meeste uit de beschikbare zonne-energie te halen.

Eveneens van belang is de oriëntatie van de zonnepanelen. Om een maximale blootstelling aan zonlicht te waarborgen, moeten de BIPV-modules in de juiste richting worden geplaatst. Zuidgerichte systemen presteren doorgaans beter dan systemen die naar het westen of oosten zijn gericht. In Oman is het gebruikelijk om horizontale systemen naar het zuiden te richten, terwijl verticaal geplaatste systemen vaak naar het westen gericht zijn. De zonnestraling varieert echter afhankelijk van de geografie van het gebouw, wat de uiteindelijke installatie beïnvloedt.

In Muscat, de hoofdstad van Oman, zijn er verschillende factoren die de prestaties van BIPV-systemen bepalen. De regio profiteert van een hoog niveau van zonnestraling, maar de intensiteit van de zon varieert door het jaar heen, wat invloed heeft op het rendement van de zonnepanelen. Het is essentieel om de zonne-irradiatie specifiek voor de locatie te meten voordat het systeem wordt geïnstalleerd. Dit kan worden gedaan door middel van meteorologische gegevens, satellietdata of hybride databronnen, waarbij satellietdata een breder perspectief biedt voor zonne-energieanalyse.

Daarnaast is het belangrijk om vertrouwd te raken met de regelgeving en stimulansen die de overheid van Oman biedt voor zonne-energieprojecten. Er zijn verschillende beleidsmaatregelen die hernieuwbare energie bevorderen, zoals feed-in tarieven voor zonne-energie. Het is echter essentieel om up-to-date informatie te verkrijgen over de regelgeving, aangezien deze voortdurend verandert, zodat het systeemontwerp en de kostenanalyse correct kunnen worden uitgevoerd.

De keuze van de componenten van het systeem is ook essentieel. Het gebruik van hoogwaardige fotovoltaïsche modules, omvormers, batterijen en andere systeemcomponenten is noodzakelijk voor de duurzaamheid en betrouwbaarheid van het BIPV-systeem. Bovendien moeten de garanties en onderhoudsvereisten van de componenten zorgvuldig worden overwogen.

De installatie van het BIPV-systeem moet worden uitgevoerd door gekwalificeerde professionals met ervaring in zonne-energiesystemen, waarbij ervoor moet worden gezorgd dat het systeem voldoet aan de lokale normen en voorschriften. Daarnaast kan de hoge omgevingstemperatuur in Muscat het rendement van de zonnepanelen beïnvloeden, vooral tijdens de uren van maximale zonnestraling. Daarom worden passieve koelingsstrategieën aanbevolen om het rendement van het systeem te optimaliseren.

In een gevalstudie uitgevoerd door Al-Saqlawi et al. werd een model ontwikkeld voor een grid-onafhankelijk systeem in Muscat, waarbij overtollige energie in batterijen wordt opgeslagen in plaats van het naar het elektriciteitsnet terug te voeren. Dit voorkomt de problemen van omgekeerde stroom die optreden bij netgekoppelde systemen. Dit systeem werd economisch geëvalueerd en de resultaten toonden aan dat de installatie economisch niet haalbaar was, tenzij de elektriciteitsprijzen aanzienlijk stijgen en de kosten van batterijen sterk dalen.

Ten slotte is het belangrijk te begrijpen hoe omgevingsfactoren, zoals hoge temperaturen, de energieproductie van fotovoltaïsche systemen beïnvloeden. Onderzoek naar een zonne-energiesysteem in een eco-huis in Muscat toonde aan dat de hoogste zonne-energieproductie plaatsvond in juni, wanneer de zonnestraling het sterkst was en de productietijd het langst was. Het is van cruciaal belang voor toekomstige installaties om de effecten van temperatuur op de efficiëntie van de zonnepanelen in de regio te begrijpen en om passende maatregelen te nemen voor koeling en energiebesparing.

Hoe een zonne-gedesiccante koelsysteem kan bijdragen aan energie-efficiëntie in gebouwen

Bij het ontwerpen van energie-efficiënte systemen voor gebouwen is het van essentieel belang om de energiebehoefte van koelsystemen goed te begrijpen. Koelsystemen, zoals airconditioningsystemen (AC), gebruiken energie op basis van verschillende factoren, zoals de interne ontwerptemperatuur, externe klimatologische omstandigheden, de bouwmaterialen van het gebouw en de oriëntatie van het gebouw. De energieverbruik van een AC-systeem is sterk afhankelijk van de mate waarin het in staat is zowel latente als sensibele belastingen te verwijderen uit de te koelen ruimte, wat nodig is voor thermisch comfort.

Desiccante koelsystemen, daarentegen, kunnen deze latente warmte en sensibele warmteprocessen onafhankelijk van elkaar uitvoeren. Dit maakt het mogelijk om de lucht te dehumidificeren zonder dat dit leidt tot overmatige koeling, wat kan zorgen voor een verbetering van de luchtkwaliteit binnenshuis. Dit systeem bestaat doorgaans uit vier hoofdbestanddelen: een desiccante ontvochtiger, een bron voor thermische regeneratie, een warmtewisselaar en een koeling apparaat. Het proces begint met de ontvochtiging van de lucht door de desiccante ontvochtiger. Vervolgens verlaagt de warmtewisselaar de temperatuur van de droge lucht, terwijl tegelijkertijd de regeneratie van de desiccant wordt verwarmd. Ten slotte wordt de lucht gekoeld in het koelsysteem om de gewenste temperatuur te bereiken.

Ondanks hun voordelen hebben desiccante koelsystemen over het algemeen een lagere prestatiecoëfficiënt (COP) dan conventionele airconditioningsystemen. In de afgelopen decennia zijn er echter aanzienlijke inspanningen geleverd om de efficiëntie van deze systemen te verbeteren, door middel van simulaties en experimenten in verschillende klimaten. Dit biedt waardevolle inzichten voor de optimalisatie van desiccante koelsystemen, vooral in tropische gebieden.

Bij het ontwerpen van een zonne-gedesiccante koelsysteem moeten verschillende stappen worden gevolgd. Ten eerste is een energie-audit van het gebouw noodzakelijk om de koellast, energieverbruik en thermisch comfort te bepalen. Dit helpt om de koelbehoefte te begrijpen, inclusief de LHR en SHR, en kan ook bijdragen aan het inschatten van het energiebesparingspotentieel. Desiccante koelsystemen zijn vooral geschikt voor gebouwen met een hoge LHR (>40%), omdat deze systemen beter in staat zijn om de latente warmte te verwijderen zonder dat ze te veel energie verbruiken.

Bij het uitvoeren van een energie-audit is het belangrijk om te begrijpen dat er drie verschillende niveaus van audits zijn. Het eerste niveau richt zich op het identificeren van mogelijke energie-efficiëntieverbeteringen en het beschrijven van de basale configuratie van het gebouw en de energiesystemen. Het tweede niveau omvat een diepgaandere evaluatie van het energieverbruik van het gebouw, met behulp van energie monitoring. Het derde niveau richt zich op het identificeren van de potentiële energiebesparingen, geschikte technologieën en implementatieprocessen, evenals de kosten en terugverdientijd van de geïdentificeerde energiebesparende maatregelen. Dit niveau vereist meestal dat het gebouw wordt gemodelleerd in software voor energiemodellering om de efficiëntie van verschillende scenario’s te beoordelen.

Het is van belang te benadrukken dat de keuze van materialen en technologieën in de desiccante koelsystemen sterk afhankelijk is van de klimaatomstandigheden en het specifieke energieverbruik van het gebouw. Er is veel ruimte voor maatwerk bij het ontwerpen van dergelijke systemen, afhankelijk van factoren zoals de oriëntatie van het gebouw, het type bouwmateriaal, de plaatselijke klimaatomstandigheden en de benodigde luchtvochtigheid en temperatuur in het gebouw.