Hoe kan zonne-energie bijdragen aan de economische groei en sociale ontwikkeling in landelijke gebieden van India?

De voordelen van zonne-energie voor zowel de samenleving als de huishoudens zijn al zichtbaar op verschillende niveaus. Onder het off-grid zonne-energieprogramma van het Ministerie van Nieuwe en Hernieuwbare Energie (MNRE) van de Indiase regering, zijn er tal van initiatieven geïmplementeerd, zoals zonnepanelen voor huisverlichting in landelijke huishoudens, straatverlichting, zonnepompen voor irrigatie, zonne-lantaarns en zonne-studielampen. Zonnepompen, bijvoorbeeld, zijn bijzonder voordelig voor kleine en marginale boeren, aangezien ze helpen bij irrigatie en het verhogen van de opbrengst van gewassen. Het gebruik van zonne-energie voor irrigatie en andere post-oogstmachines zorgt voor een betrouwbare gewasproductie en draagt bij aan de waardevermeerdering van landbouwproducten, wat de economische situatie van kleine boeren aanzienlijk verbetert.

Naast de landbouw is er ook een merkbare groei in verschillende ambachtelijke industrieën dankzij zonne-energie. Het implementeren van zonne-energie voor koken in landelijke huishoudens vermindert de fysieke belasting voor vrouwen die normaal gesproken bosbranden verzamelen. Bovendien vervangt zonne-koken de ongezonde, rookvolle keukens die veel gezondheidsproblemen veroorzaken. Zonne-studielampen bieden kinderen in landelijke gebieden een betaalbare en schone verlichting, waardoor ze in de avonduren beter kunnen studeren. Voor de huishoudens die afhankelijk zijn van kerosine-lampen, biedt zonne-energie een betrouwbare oplossing.

De zonne-energiesector wordt geconfronteerd met aanzienlijke uitdagingen door de algemene desinteresse van het publiek en de afwezigheid van betrokkenheid bij zonne-energie. Veel huishoudens aarzelen te investeren in zonne-energie vanwege zorgen over de betrouwbaarheid. Daarnaast draagt het gebrek aan kennis over zonne-energie en de voordelen voor het milieu in landelijke gemeenschappen bij aan de langzame adoptie van deze technologie. Het idee van hoge onderhoudskosten is ook een factor die consumenten afschrikt.

Een ander groot probleem bij de uitvoering van zonnepanelenprojecten op het net is het conflict tussen landbouwgrond en land dat nodig is voor het opzetten van zonnepanelen. De centrale en deelstaatregeringen zouden samen met lokale autoriteiten geschikte strategieën moeten ontwikkelen voor het toewijzen van land, zodat dit conflict kan worden opgelost.

Een effectieve manier om dit probleem aan te pakken is door het creëren van een uitgebreid en gemakkelijk toegankelijk informatiecentrum dat praktijkervaringen deelt over de werking, het onderhoud en de installatie van zonne-energietechnologieën. Het Ministerie van Nieuwe en Hernieuwbare Energie heeft bijvoorbeeld een programma gelanceerd, genaamd het ‘Informatie- en Publieke Bewustwordingsprogramma’, waarmee bewustwording wordt gecreëerd via verschillende mediakanalen zoals elektronische, sociale en gedrukte media, tentoonstellingen, seminars en workshops. Dit programma biedt ook ondersteuning voor de ontwikkeling van menselijke hulpbronnen, waarbij jonge werkende professionals worden opgeleid om te werken aan de efficiënte uitvoering van zonne-energieprojecten op het veld.

Er zijn daarnaast verschillende particuliere en niet-gouvernementele organisaties die actief betrokken zijn bij het creëren van bewustzijn over de bestaande programma’s en de voordelen die door de overheid worden geboden. Deze programma’s omvatten campagnes, technische trainingen, advertenties over subsidieregelingen en andere overheidsmaatregelen. Er zou echter een gerichte focus moeten zijn op het vergroten van het vertrouwen in zonne-energie en het benadrukken van de voordelen in de landelijke gemeenschappen, zodat deze technologie snel kan worden geadopteerd.

Wat betreft de economische groei, speelt de Indiase regering een actieve rol in het bevorderen van de binnenlandse productie van zonne-energieapparatuur. Het ministerie van Nieuwe en Hernieuwbare Energie heeft de Production Linked Incentive (PLI) regeling geïntroduceerd om de productie van efficiënte zonnepanelen in India te stimuleren. Ook de ‘Public Procurement Order’ wordt toegepast, wat inhoudt dat de voorkeur wordt gegeven aan in India geproduceerde zonnepanelen en omvormers bij overheidsaankopen. Met deze maatregelen probeert de regering de gebruik van binnenlandse componenten te bevorderen.

De Indiase zonne-energiemarkt, die in 2022 werd gewaardeerd op 38 miljard USD, wordt verwacht te stijgen naar ongeveer 238 miljard USD tegen 2030, met een jaarlijkse groeisnelheid van ongeveer 40%. India staat wereldwijd op de vierde plaats in de markt voor hernieuwbare energie, met een aanzienlijke groei in zonne-energie. Dit succes heeft India op de derde plaats geplaatst in de EY Renewable Energy Country Attractive Index 2021.

De kosten voor zonne-energie zijn in India de afgelopen jaren gedaald. In december 2020 werd een recordlaag tarief van INR 1,99 per kWh behaald, maar sindsdien is het gemiddelde tarief in zonne-energieprojecten met 22% gestegen, voornamelijk als gevolg van stijgende projectkosten en invoerrechten. Desondanks blijven de vooruitzichten positief, met een potentieel voor nog lagere kosten door de bredere adoptie van technologieën zoals tracking en energieopslagsystemen.

Hoe Integratie van Hernieuwbare Energiebronnen de Netwerkinfrastructuur en Beheer uitdaagt

De integratie van hernieuwbare energiebronnen (hernieuwbare energiebronnen, HEB) in het elektriciteitsnet is cruciaal voor het behalen van decarbonisatie-doelen, maar het brengt aanzienlijke technische uitdagingen met zich mee. De belangrijkste bron van deze uitdagingen komt voort uit het feit dat de meeste hernieuwbare energiebronnen, zoals wind- en zonne-energie, niet direct verbonden kunnen worden met het net. Dit vereist een gedetailleerde planning en toepassing van geavanceerde technologieën om een stabiele en efficiënte integratie te waarborgen.

Naast de technische interface zijn er andere uitdagingen, zoals de beheersing van harmonischen die voortkomen uit de niet-lineaire aard van de vermogenselektronica die wordt gebruikt in deze systemen. Zonne-omvormers en windturbines genereren vaak een niet-sinusvormige stroom, wat resulteert in harmonischen die de netkwaliteit kunnen verslechteren en de verliezen in transmissie- en distributieapparatuur verhogen. Deze harmonischen kunnen de efficiëntie van het systeem aantasten, wat vraagt om speciale maatregelen om de impact ervan te minimaliseren.

Daarnaast is de variabiliteit van hernieuwbare energie een aanzienlijke uitdaging. De productie van zonne-energie en windenergie varieert voortdurend, zowel dagelijks als seizoensgebonden, wat betekent dat het moeilijk is om de vraag en het aanbod in real-time in balans te houden. Deze onvoorspelbaarheid vereist de inzet van extra energieopslag of flexibele energiebronnen die snel kunnen reageren om de fluctuaties van hernieuwbare energie te compenseren. Fast-acting Energy Storage Systems (ESS), zoals batterijen en vliegwielen, kunnen helpen bij het balanceren van deze fluctuaties, maar de integratie van deze systemen moet zorgvuldig worden gepland.

De betrouwbaarheid en veiligheid van het net wordt verder gecompliceerd door de intermittente aard van hernieuwbare energiebronnen. Het is een uitdaging om een constant en adequaat energieaanbod te garanderen wanneer het aanbod van hernieuwbare energie fluctueert. Dit maakt het noodzakelijk om gebruik te maken van moderne technologieën, zoals slimme netwerken, die gebruik maken van geavanceerde informatietechnologie (ICT), slimme sensoren en kunstmatige intelligentie (AI) om de netwerking te optimaliseren en de risico’s van intermittentie te minimaliseren.

Congestiebeheer is een ander aspect dat de integratie van hernieuwbare energie bemoeilijkt. Door het toevoegen van gedistribueerde opwekking aan de netwerkinfrastructuur, neemt de hoeveelheid stroom die moet worden verwerkt toe. Dit kan leiden tot overbelasting van de bestaande transmissie- en distributiecapaciteit, vooral tijdens piekbelastingsperioden of wanneer hernieuwbare energiebronnen hun maximale capaciteit bereiken. Dit vraagt om aanzienlijke investeringen in netwerkinfrastructuur om het vermogen van het net om hernieuwbare energie te verwerken uit te breiden.

Voltageschommelingen zijn eveneens een belangrijk punt van aandacht. Bij hoge penetratie van gedistribueerde opwekking kunnen frequente veranderingen in de opwekking leiden tot schommelingen in de spanning van het net. Wanneer de opwekking hoger is dan de vraag, kan de spanning stijgen, terwijl bij lage opwekking de spanning kan dalen. Traditionele spanningsregelingsapparatuur, zoals transformatoren met taps en geautomatiseerde regelapparatuur, kan in dergelijke gevallen onvoldoende reageren, wat de noodzaak benadrukt van geavanceerde spanningsregelingssystemen die kunnen omgaan met deze variabiliteit.

Tot slot is het reguleren van de frequentie van het net van cruciaal belang voor het behoud van de stabiliteit. Dit wordt meestal gedaan door de inertie van roterende machines in het systeem, zoals conventionele generatoren. Echter, de integratie van hernieuwbare energiebronnen die weinig inertie bieden, maakt het moeilijker om de frequentie te stabiliseren bij veranderingen in vraag of opwekking. Het vergt daarom een geavanceerd beheer van de opwekking en vraag om de frequentie op peil te houden, wat de betrouwbaarheid van het net in gevaar kan brengen bij hoge penetratie van hernieuwbare energie.

In dit licht is het belangrijk voor netbeheerders en beleidsmakers om niet alleen rekening te houden met de technologische vooruitgangen in hernieuwbare energie, maar ook met de infrastructuur die nodig is om deze technologieën effectief te integreren. Innovatie in energietechnologieën zoals energieopslag, slimme netwerken en geavanceerde regeltechnieken is essentieel om de stabiliteit van het elektriciteitsnet te waarborgen, terwijl de opkomst van hernieuwbare energie wordt bevorderd.

Hoe DG's het elektriciteitsnet kunnen beïnvloeden: Transiënten, kortsluitniveaus en integratie-uitdagingen

Wanneer DG's worden in- of uitgeschakeld, kunnen kortstondige spannings- en stroomtransiënten optreden, die het net kunnen destabiliseren. Een voorbeeld hiervan wordt getoond in Figuur 3.20, waarin de invloed van de aansluiting van een 300 MW windmolenpark op de spanning bij busnummer 29 in een 39-bus IEEE-systeem wordt weergegeven. Deze oscillaties kunnen de netstabiliteit beïnvloeden, vooral wanneer ze zich voordoen tijdens de aansluiting van grote hernieuwbare energiebronnen.

Naast transiënten heeft de toevoeging van DG's invloed op het kortsluitniveau van een netwerk. De aanwezigheid van DG verhoogt het kortsluitniveau, wat gevolgen heeft voor de veiligheid en betrouwbaarheid van het systeem. Het foutniveau is afhankelijk van het type en de grootte van de DG en de afstand tot de foutlocatie. Het is van cruciaal belang om het kortsluitniveau nauwkeurig te schatten voor het juiste ontwerp van beschermingsapparatuur, zoals stroomonderbrekers en relais. Wanneer DG's worden aangesloten, vermindert de equivalente netimpedantie, wat leidt tot een verhoging van het foutniveau. Dit kan ervoor zorgen dat de stroomonderbreker zijn maximale onderbreekcapaciteit overschrijdt, wat de relaiscoördinatie verstoort en het beschermingssysteem faalt.

Een ander probleem is de spanningsongelijkheid die kan ontstaan wanneer enkelvoudige fase DG's, zoals zonnepanelen, worden geïntegreerd in een driefasig netwerk. Deze onbalans kan de kwaliteit van de geleverde elektriciteit beïnvloeden, vooral op locaties verder van het punt van aansluiting (PCC). Figuur 3.22 laat zien hoe het percentage spanningsonbalans varieert, afhankelijk van de penetratiegraad van zonne-energie. De spanningsonbalans is vaak groter op knooppunten die verder van de hoofdenergiebron liggen, wat de stabiliteit van het net kan verminderen.

De concentratie van zonne-energie en windenergie in specifieke geografische gebieden kan ook leiden tot knelpunten in de transmissie, vooral wanneer de energie ver van de belastingcentra wordt opgewekt. Het transport van energie over lange afstanden kan technische en logistieke uitdagingen opleveren, waaronder capaciteitsbeperkingen van het transmissienetwerk en de noodzaak voor veilige en betrouwbare communicatie- en controle-infrastructuren.

Naast de transmissie-uitdagingen speelt de voorspelbaarheid van hernieuwbare energiebronnen een cruciale rol in de netintegratie. Zonne- en windenergie zijn variabel, en hoewel geavanceerde weersvoorspellingen het mogelijk maken om de productie van deze bronnen te schatten, zijn er altijd onzekerheden. De variabiliteit van hernieuwbare energiebronnen kan leiden tot onvoorziene tekorten of overschotten van energie, wat de stabiliteit van het net kan verstoren. Het gebruik van energiebuffers, zoals batterijen en andere opslagsystemen, is essentieel om deze fluctuaties op te vangen en een continue stroomvoorziening te garanderen.

De onbalans die ontstaat door onjuiste voorspellingen van hernieuwbare energieproductie kan worden gecompenseerd door opslagoplossingen die de variabiliteit van DG's helpen verzachten. Energiesystemen zoals batterijen en supercapacitoren worden steeds belangrijker in het beheren van fluctuaties in de energieproductie en het balanceren van de vraag en aanbod op het net. Figuur 3.25 illustreert het effect van een batterij-energiesysteem (BESS) van 1,5 MW dat de variaties in de productie van een 1 MW zonne-energiesysteem compenseert. Deze systemen helpen om de energievoorziening te stabiliseren, zelfs wanneer de zonne-energieproductie fluctueert.

Naast de integratie van DG's is het ook noodzakelijk om actieve en reactieve vermogenscontrole in te voeren om frequentiefluctuaties en spanningsproblemen te voorkomen. Wanneer het actieve vermogen van het netwerk niet overeenkomt met de vraag, kunnen frequentiestabiliteitsproblemen optreden. Het vermogen om zowel actief als reactief vermogen te regelen is essentieel voor het behouden van een stabiele werking van het elektriciteitsnet. In sommige gevallen kunnen DG's zelfs bijdragen aan het handhaven van de spanning door reactief vermogen te leveren.

Hoe Werken PVT-Systemen en Wat Zijn de Toekomstige Kansen voor Duurzame Energieproductie?

De eenvoudigste configuratie van een PVT-systeem wordt geïllustreerd in figuur 7.18, waarbij een warmtewisselaar direct is verbonden met het warmwaterverbruik of verwarmingssysteem van een woning, of beide. Deze opstelling is vaak de basis voor huishoudelijke toepassingen waar het systeem zowel elektriciteit als thermische energie levert, afhankelijk van de specifieke behoeften van de gebruiker.

In complexere systemen kan ook een geothermische bron worden geïntegreerd, wat hogere temperaturen mogelijk maakt en een aanzienlijk deel van de hernieuwbare energie kan benutten om te voldoen aan de energiebehoeften van een gebouw. Dit wordt geïllustreerd in figuur 7.20. Geothermische systemen zijn complex en duur, maar bieden het voordeel van seizoensgebonden opslag van warmte, wat ideaal is voor locaties met aanzienlijke klimaatschommelingen gedurende het jaar [69]. In dit geval is er ook sprake van een vraagbeheersingsprobleem, waarbij geprobeerd wordt de vraagcurve aan te passen om het verbruik te maximaliseren tijdens periodes van productie of lage elektriciteitsprijzen. Salpakari en Lund [70] ontwikkelden een niet-lineair energieoptimalisatie-algoritme voor een NYEB-huis in Helsinki, waarbij een geothermische bron werd gecombineerd met een batterijopslagsysteem, wat resulteerde in een verbeterde verbruiksratio van 30% en een vermindering van de jaarlijkse energiekosten met 25%.

Het direct koppelen van hernieuwbare energiebronnen aan eindgebruikers biedt een aantrekkelijke optie, maar brengt ook uitdagingen met zich mee voor het elektriciteits- en stadsverwarmingsnet. Deze integratie vereist technische oplossingen, zoals gecentraliseerde besturing, aanpasbaar functioneren van traditionele uitwisselingen en realtime monitoring en responsiviteit. Deze barrières zijn minder significant op zeer klein niveau, bijvoorbeeld in woningen of kleine gemeenschappen, waar warmte en elektriciteit kunnen worden opgeslagen. Vooruitgangen in de marktpenetratie van gedistribueerde elektriciteits- en warmteproductie kunnen worden waargenomen in landen zoals Duitsland, Denemarken en Zweden. Een voorbeeld van een geïntegreerd systeem op gemeenschapsniveau wordt getoond in figuur 7.22.

In de afgelopen tien jaar is zonne-energie uitgegroeid tot een van de populairste vormen van hernieuwbare energie, zowel wereldwijd als in Europa. Het speelt een steeds belangrijkere rol op het gebied van milieubescherming en behoud, en op economisch gebied door de recente vooruitgangen in zonne-energie technologieën. Naast het waarborgen van zelfproductie en zelfconsumptie van energie door individuele consumenten, heeft zonne-energie ook aanzienlijk potentieel in de industriële en agrarische sector. De grafiek in figuur 7.25 toont de ontwikkeling van de wereldwijde geïnstalleerde capaciteit van zonne-thermische energie, fotovoltaïsche systemen en windenergie tussen 2010 en 2019.

Momenteel is de markt voor PVT-panelen echter beperkt, en de acceptatie wereldwijd is nog gering. Dit komt door beperkte prestatiegegevens, het ontbreken van standaardisatie, en het feit dat er weinig producenten zijn met beperkte marketingmogelijkheden, wat leidt tot een laag bewustzijn bij de eindgebruikers. Er is echter een toenemende wereldwijde focus op onderzoek en ontwikkeling van PVT-collectoren. De International Energy Agency (IEA) heeft het onderzoeksinitiatief Task 35 PV-Thermal Solar Systems geïntroduceerd, met als doel de ontwikkeling en verspreiding van concurrerende, hoogwaardige commerciële collectoren te versnellen.

Hoe kan PVT-technologie de toekomst van zonne-energie transformeren?

De opkomst van fotovoltaïsche-thermische (PVT) panelen biedt een veelbelovende aanpak om de efficiëntie van zonne-energie te optimaliseren. Deze technologie integreert zowel zonne-energie opwekking via fotovoltaïsche cellen als thermische energie om een veel hogere energieopbrengst per vierkante meter te realiseren dan traditionele fotovoltaïsche of thermische systemen. Dit maakt PVT-technologie bijzonder geschikt voor kleinschalige toepassingen, met name in residentiële en stedelijke omgevingen, waar ruimte vaak beperkt is.

Ondanks de voordelen biedt de implementatie van PVT-technologie nog verschillende uitdagingen. Het verbeteren van de materialen, de efficiëntie en het verlagen van de kosten van deze technologie moeten daarom prioriteit krijgen in toekomstig onderzoek. De fluctuatie van energieprijzen in de afgelopen jaren maakt het nog relevanter om een gedetailleerde kosten-batenanalyse uit te voeren. Dit zou niet alleen PVT-technologie moeten vergelijken met traditionele PV- en ST-systemen, maar ook met andere hernieuwbare energiebronnen zoals wind-, geothermische energie en biomassa, en zelfs met conventionele brandstoffen. Alleen door dergelijke vergelijkingen kunnen consumenten en bedrijven goed geïnformeerd kiezen welke technologie het meest geschikt is voor hun specifieke behoeften.

De voordelen van PVT-panelen zijn vooral duidelijk in toepassingen waar zowel elektriciteit als warmte nodig zijn, zoals in woonwijken of in stedelijke omgevingen. In dergelijke situaties kunnen de gecombineerde fotovoltaïsche en thermische opbrengsten aanzienlijk bijdragen aan het verminderen van de afhankelijkheid van externe energiebronnen en het verlagen van de energiekosten. Bovendien maakt de geïntegreerde benadering van zowel elektriciteit als warmte het systeem multifunctioneel, wat de algehele energie-efficiëntie verder verhoogt.

Als de obstakels voor de bredere acceptatie van PVT-technologie eenmaal zijn overwonnen, biedt deze een veelbelovende weg naar een efficiëntere en multifunctionele manier van zonne-energie benutten. Het succes van PVT-technologie kan de overgang naar duurzamere energie-oplossingen versnellen en helpen bij de wereldwijde verduurzaming van energieproductie.