Potentie van zon-op-water in Nederland

Transcriptie

1 December 18 Potentie van zon-op-water in Nederland Deze white paper is gebaseerd op het rapport The potential of floating solar, geschreven door Daan van der Werf in opdracht van ingenieursbureau Encon. Het behandelt de volgende onderwerpen: 1. Marktpotentieel 2. Business case 3. Producenten van drijvende systemen 4. Opbrengstanalyse 5. Risico s 6. Wet- en regelgeving 7. Verwachte ontwikkelingen Voor meer informatie of het opvragen van het bovengenoemde rapport kunt u contact opnemen met Peter Honig (peter.honig@encon-energy.nl) of Ad Verbaas (ad.verbaas@encon-energy.nl). W h i t e p a p e r D o m e i n : z o n o p w a t e r E n c o n ( 0 )

2 1. MARKTPOTENTIEEL Het marktpotentieel van zon-op-water in Nederland wordt bepaald door twee factoren; de vraag naar drijvende PV-systemen en de hoeveelheid geschikt wateroppervlak. Het rapport Energie en Ruimte identificeert een behoefte van minimaal 200 Peta Joule jaarlijkse zonneenergie productie op de lange termijn (2050). De verwachte ontwikkeling van verscheidene PV-sectoren tot 2030 is als volgt: Hierin is het geïnstalleerd vermogen van zon-op-water tegen 2030 gelijk aan dat van PV parken op land (9 GWp). De potentie voor zon-op-water kan onderverdeeld worden in verschillende subcategorieën, gebaseerd op golfhoogte en sterkte. De onderstaande tabel geeft weer hoeveel water er beschikbaar is in iedere categorie, in welk ontwikkelingsniveau (TRL) die categorie momenteel is, en wat binnen die categorie het potentieel is (in 2050). Toepassingsgebied TRL Oppervlak (km 2 ) Bedekt oppervlak (km 2 ) Vermogen (GWp) Binnenwater % Golfslagcategorie % (bijv. waterbassins) Golfslagcategorie % (bijv. meren) Golfslagcategorie % (IJsselmeer, Markermeer) Buitenwater % Golfslagcategorie % (Waddenzee, Westerschelde) Golfslagcategorie % (gemeentelijke Noordzee) Exclusieve Economische % zone Golfslagcategorie % (de Noordzee) Totaal Bedekkingsgraad Energieproductie (PJ) 2

3 2. BUSINESS CASE De business case van een drijvend systeem is in een aantal aspecten anders dan die van een systeem op land: 1. De degradatie van de zonnepanelen kan verschillen. Omdat de huidige drijvende systemen nog maar een paar jaar oud zijn is er weinig informatie bekend over het lange termijn gedrag van zonnepanelen op water. De verhoogde vochtigheid boven het water kan de degradatie versnellen, maar de constantere moduletemperatuur en de lagere concentratie van kleine deeltjes in de lucht zou de degradatie ook kunnen vertragen. De invloed hiervan op de business case is echter beperkt. 2. De extra opbrengst van een drijvend systeem is vooraf moeilijk exact te bepalen, omdat deze erg situatieafhankelijk is. Desondanks is het een significante factor die de business case flink beïnvloedt. 3. De onderhoudskosten zullen voor een drijvend systeem hoger liggen. Hoeveel hoger dit zal zijn is wederom situatieafhankelijk, en de ervaring hiermee is beperkt. 4. De installatiekosten (cent/wattpiek) zijn beduidend hoger voor een drijvend systeem. Dit is veruit de belangrijkste parameter in de business case, en tevens erg wisselend tussen de verschillende systemen. Ondanks dat deze voor aanvang van een project wordt vastgelegd kan de business case door de drie bovengenoemde factoren nog flink beïnvloed worden. Zeker wanneer meerdere factoren dezelfde kant op (mee- of tegen-) vallen kan dat al snel meerdere procentpunten schelen op de IRR. De business case van een drijvend systeem is puur financieel (ongeacht hoe bovenstaande factoren uitvallen) simpelweg niet competitief met zon-op-land. Om competitief te zijn moeten secundaire voordelen (geen landgebruik, minder waterverdamping, etc ) benut worden. 3

4 3. PRODUCENTEN VAN DRIJVENDE SYSTEMEN Er is zowel op de internationale als op de Nederlandse markt een verscheidenheid aan producenten van drijvende PV-systemen. De afbeeldingen hieronder geven van links naar rechts, van boven naar onder de nieuwste systemen weer van Ciel&Terre, Sunfloat, Profloating en Floating Solar. Samen geven deze systemen een redelijk overzicht van wat er beschikbaar is op de markt. De onderstaande tabel geeft een overzicht van de eigenschappen van deze systemen. Systemen Ciel & Terre/ Profloating Sunfloat Floating Solar Panelen Glas-glas Glas-glas Bi-facial Solar tracking N.v.t. N.v.t. Twee-assig Waterbedekkingsgraad (en daarmee ecologische invloed) Hoog Laag Middel Tilt angle 12 graden (C&T)/ 5-25 graden (PF) 40 graden Regelbaar Zelfreinigend vermogen Laag Hoog Middel Hoogte (windbelasting en visuele impact) Laag Hoog Regelbaar Oriëntatie Zuid of Oost-West Zuid Regelbaar Complexiteit installatie Laag Middel Hoog Bereikbaarheid voor onderhoud Goed Beperkt Goed 4

5 4. OPBRENGSTANALYSE De volgende formule beschrijft de jaarlijkse energieproductie van een PV-systeem: Hierin is I de gemiddelde jaarlijkse irradiatie, η de efficiëntie van een zonnepaneel, A het oppervlak van de zonnepanelen en PR de Performance Ratio. Zowel I als PR zijn voor een drijvend systeem anders dan voor een regulier systeem op het land. Het verschil in irradiatie komt voort uit drie factoren: 1. Boven grote wateren wordt hogere irradiatie gemeten. Dit komt waarschijnlijk door verminderde wolkvorming in de zomer. (De grond is dan warmer dan het water, waardoor er boven de grond meer warme lucht opstijgt die waterdamp mee omhoog kan tillen en wolken kan vormen.) 2. De reflectiviteit van water is anders dan die van andere omgevingen (zoals gras bij een PV-systeem op land). Waar gras een irregulier oppervlak is (wat altijd diffuus reflecteert), is water (in kalme omstandigheden) vlak. Dat geeft ook het gevoelsmatige idee dat water een goede reflector is. De reflectiecoëfficiënt van water is echter zeer laag (behalve bij erg vlakke invalshoeken zoals bij zonsopkomst en -ondergang). Hierdoor is gras tijds- en vermogensgemiddeld een betere reflector. (Dit verklaart ook waarom gras er licht uitziet en water meestal vrij donker). 3. Drijvende PV-systemen kunnen makkelijker van een tracking-systeem voorzien worden. Het gehele systeem kan namelijk relatief eenvoudig om een verticale as gedraaid worden. Op deze manier hoeft niet ieder paneel individueel geroteerd te worden en zijn er veel minder bewegende onderdelen nodig. Bij een tilt angle van bijvoorbeeld 30 graden levert deze vorm van tracking al 20% extra opbrengst op. Het verschil in PR komt ook voort uit verschillen op drie gebieden: 1. Mismatch verliezen. Drijvende systemen zijn continu in beweging door golven en wind. Dit zorgt ervoor dat niet alle panelen exact dezelfde oriëntatie hebben, en daardoor niet allemaal evenveel irradiatie ontvangen. Daardoor is de opbrengst per paneel verschillend en zijn er mismatch verliezen binnen het systeem. Sterkere wind en grotere golven leidt tot meer mismatch verliezen. 2. Vervuilingsverliezen. Zonnepanelen op het water hebben minder last van stofvorming. Vogels vormen daarentegen een beduidend grotere vervuilingsbron voor drijvende panelen. 3. Temperatuursverliezen. Zonnepanelen zijn onderhevig aan zogenaamde negative thermal drift. Dit betekent dat modules minder efficiënt werken als ze warmer worden. Afhankelijk van het paneeltype is de negative thermal drift zo n % per graad Celsius. Drijvende panelen hebben door de temperatuur middelende werking van het waterlichaam een vermogensgemiddeld lagere temperatuur en daardoor een hogere PR. De onderstaande figuur geeft van verschillende soorten panelen de efficiëntie vergeleken met standard testing conditions (STC) weer voor temperaturen van 0-60 graden Celsius. 5

6 5. RISICO S Drijvende PV-systemen zijn logischerwijs onderhevig aan andere risico s dan systemen op land. Onder deze specifieke risico s vallen bijvoorbeeld: 1. Hogere investerings- en onderhoudskosten: Vanwege o.a. de benodigde drijvers, verankering en extra DC-bekabeling (als de omvormers op het land staan) zullen de investeringskosten voor een drijvend systeem altijd hoger zijn dan voor een landsysteem. Daarnaast is ook onderhoud duurder omdat er een boot (of eventueel zelfs een duiker) voor nodig kan zijn en ook simpele taken complexer worden op een bewegende ondergrond. 2. Ecologische invloed: De installatie van een drijvend PV-systeem verlaagt de hoeveelheid licht die het water kan bereiken. Ondanks dat dit voordelig kan zijn (door verminderde waterverdamping en algengroei), kan het ook een sterk nadelige invloed hebben op het lokale ecosysteem. 3. Verhoogde vochtigheid: kan leiden tot verschillende problemen zoals; corrosie, kortsluiting, en mistvorming. Deze laatste factor kan (in tegenstelling tot de eerste twee) niet voorkomen worden door een goed systeemontwerp. Daarnaast is deze factor sterk situatieafhankelijk. 4. Variabele kracht van het water: kan op verschillende manieren tot problemen leiden. De constante beweging van een systeem kan materiaalmoeheid veroorzaken, hoge golven kunnen drijvers of panelen losbreken of in elkaar duwen, en kruiend ijs kan enorme krachten op de verankering en de verbinding tussen het systeem en de verankering creëren. 5. Zonne-misoriëntatie: Krachten die wind en golven op een systeem uitoefenen kunnen ervoor zorgen dat een systeem (ongewenst) beweegt. Dit kan zowel het hele systeem an sich draaien waardoor het bijvoorbeeld niet optimaal op het zuiden is gericht, als tot mismatch verliezen leiden (als panelen tijdelijk onderling anders georiënteerd zijn). 6. Vogels: Drijvende PV-systemen kunnen een populaire rustplek zijn voor vogels. Vogels kunnen veel vervuiling achterlaten op panelen, en daarom kan het handig zijn om ze met behulp van hulpmiddelen af te schrikken. 6

7 6. WET- EN REGELGEVING De wet- en regelgeving rondom zon-op-water bestaat uit twee belangrijke delen: 1. De uitvoerende partij dient zich te verantwoorden tegenover de eigenaar van het water. De eigenaar is ofwel Rijkswaterstaat (bij nationale wateren), ofwel één van de Waterschappen (bij regionale wateren), ofwel particulier (bij water dat eigendom is van een bedrijf of individu). De eisen waaraan voldaan moet worden zijn sterk situatieafhankelijk. Onderstaande flowchart illustreert de vereisten voor gebruik van Rijkswater. Voor projecten in Waterschapswateren en voor het aanvragen van een watervergunning zijn vergelijkbare flowcharts opgesteld. 2. Daarnaast dient de uitvoerende partij een omgevingsvergunning aan te vragen. Aangezien zon-op-water een recente ontwikkeling is zal dit zeker niet altijd binnen het bestemmingsplan passen. In zo n geval is een bestemmingsplanwijziging of vergunning voor planologisch strijdig gebruik benodigd. Hierbij moet worden aangetoond dat het systeem niet in strijd is met een goede ruimtelijke ordening, en moet er een goede ruimtelijke onderbouwing gegeven worden. Hierin zijn onder andere zaken als flora- en faunaonderzoek, archeologische waarden, natuurlijke inpassing, maatschappelijk draagvlak, en economische uitvoerbaarheid van belang. 7

8 7. VERWACHTE ONTWIKKELINGEN Zon-op-water zal zich voornamelijk in landen waar grondoppervlak beperkt is (zoals bijvoorbeeld Japan en Nederland) snel ontwikkelen. Met een toenemende vraag in Nederland kunnen dan tevens de producenten van drijvende systemen hun productietechnieken verbeteren en opschalen, en hun prijzen verlagen. Verder zullen drijvende PV-systemen steeds vaker slim gecombineerd worden met bestaande energie-infrastructuur. Dit kan bijvoorbeeld door: Zonneparken op zee tussen windturbines te leggen. Deze twee vormen van duurzame energie zijn complementair in hun energieproductie en kunnen daarom op dezelfde kabels aangesloten worden. Drijvende zonneparken op het reservoir van waterkrachtcentrales aan te leggen. Geproduceerde elektriciteit kan dan ter plaatste op geslagen worden en de energieinfrastructuur van de centrale kan effectiever gebruikt worden. Drijvende zonneparken bij waterzuiveringsinstallaties aan te leggen. De energievraag is hier hoog en het drijvende systeem kan tevens algengroei verminderen wat ervoor zorgt dat de installatie het water makkelijker kan zuiveren. Op de langere termijn zal ook het ontwerp van drijvende PV-systemen veranderen om naar offshore mogelijkheden toe te werken. De huidige systemen zijn veelal slimme manieren om huidige PV-systemen geschikt te maken voor op water. Dit werkt prima zolang deze systemen op kalme wateren geplaatst worden. Voor ruwere omstandigheden (zoals op zee) is het logischer om hier specifiek een systeem voor te ontwerpen in plaats van een systeem dat ontworpen is voor op land om te bouwen. 8. CONCLUSIE Zon-op-water groeit hard, maar staat in Nederland nog in de kinderschoenen. Er zijn nog vele uitdagingen om te overwinnen, zoals bijvoorbeeld: De huidige systemen zijn allen nog erg nieuw en moeten zich nog bewijzen. Verscheidene risico s zoals overlast van vogels, negatieve ecologische invloed, verwering door vochtigheid en materiaalmoeheid veroorzaakt door golven. De business case is puur financieel niet competitief met die van zon-op-land. Er zijn echter ook flink wat voordelen van zon-op-water: Een hogere energieopbrengst. Betere tracking mogelijkheden. Verminderde waterverdamping en algvorming. Meerdere mogelijkheden voor effectieve combinatie met bestaande energieinfrastructuur. Geen bijdrage aan land schaarste. Daarmee is het een veelbelovende technologie. Haar markt moet zich nog verder ontwikkelen, maar de verwachting is dat dat snel zal gaan en dat zon-op-water tegen 2030 een significant deel van de Nederlandse PV-markt heeft overgenomen. 8