Kennis- en Innovatieagenda 2016-2019 TKI URBAN ENERGY Solar & Smart Energy Solutions Innovaties rondom opwekking van zonnestroom, warmte en koude, energiebesparing, en integratie en intelligente sturing van het energiesysteem in de gebouwde omgeving. 1
Inhoudsopgave Voorwoord 1. Visie & ambitie 5 1.1. Uitgangssituatie en ontwikkelingen 5 1.2. Visie 5 1.3. Analyse transitie lokale energiehuishouding 9 1.4. Ambitie 10 2. Marktgedreven onderzoekagenda 11 2.1. Resultaten eerste innovatieagenda 11 2.2. Programmalijnen 13 2.3. Hoofdlijnen routekaarten 15 2.4. Valorisatie 16 3. Programmalijn 1: Zonnestroomtechnologie (PV) 17 3.1. Marktanalyse, vraag en waardeketen 17 3.2. Nationale uitgangspositie: bedrijven en onderzoeksgroepen 18 3.3. Routekaart/ innovatieaanpak 19 3.4. Relatie NWO/STW, ECN en TNO programma s 21 4. Programmalijn 2: Warmte- en koude- installaties 22 4.1. Marktanalyse, vraag en waardeketen 23 4.2. Nationale uitgangspositie: bedrijven en onderzoeksgroepen 23 4.3. Routekaart/ innovatieaanpak 24 4.4. Relatie met NWO/STW, ECN en TNO programma s 26 5. Programmalijn 3: Multifunctionele bouwdelen 27 5.1. Marktanalyse, vraag en waardeketen 27 5.2. Nationale uitgangspositie: bedrijven en onderzoeksgroepen 28 5.3. Routekaart/ innovatieaanpak 29 5.4. Relatie NWO/STW, ECN en TNO programma s 31 6. Programmalijn 4: Flexibele energie- infrastructuur 32 6.1. Marktanalyse, vraag en waardeketen 32 6.2. Nationale uitgangspositie: bedrijven en onderzoeksgroepen 34 6.3. Routekaart/ innovatie aanpak 36 6.4. Relatie met NWO/STW, ECN en TNO programma s 39 7. Programmalijn 5: Energieregelsystemen en - diensten 40 7.1. Marktanalyse, vraag en waardeketen 40 7.2. Nationale uitgangspositie: bedrijven en onderzoeksgroepen 42 7.3. Routekaart/ innovatie aanpak 44 7.4. Relatie NWO/STW, ECN en TNO programma s 45 8. Structurele samenwerking 47 8.1. TKI Urban Energy ecosystemen 47 8.2. PPS projecten en fieldlabs 47 8.3. Cross- overs 49 8.4. Regionale partners en MKB steunpunt 50 4 2
8.5. Overheden 51 8.6. Internationalisatie 51 8.7. Human Capital Agenda (HCA) 53 9. Organisatie en financiën 54 9.1. Een nieuwe gefuseerde TKI 54 9.2. De TKI- organisatie 54 9.3. Financiële middelen Kennis- en innovatieagenda 2016-2019 55 Bijlage 1: de vraag aan de hand van een aantal praktijkcases Casus: hoog- efficiënte, tweezijdig werkende zonnepanelen Casus: de warmtebatterij Casus: multifunctionele dakelementen met PV- functionaliteit Casus: het flexibel maken van elektriciteitsnetten Casus: CEMS & HEMS, central & home energy management systems 56 56 57 58 59 60 3
Voorwoord Deze Kennis en Innovatieagenda van de TKI Urban Energy biedt inzicht in de essentiële innovatieve ontwikkelingen binnen het werkgebied van opwekking van zonnestroom, warmte en koude, energiebesparing in de gebouwde omgeving, en integratie en intelligente sturing van het energiesysteem. De agenda adresseert de meest relevante onderwerpen over de gehele keten en bouwt voort op eerdere Kennis en Innovatieagenda s. De TKI Urban Energy is de bundeling van drie TKI s (EnerGO, Solar Energy en Switch2SmartGrids) die in de vorige periode (2012-2015) nog elk een eigen Kennis en Innovatie agenda hebben uitgevoerd. De samenwerking tussen deze drie TKI s heeft in 2015 al geleid tot een gezamenlijke programmering voor de tenders. Met deze gezamenlijke agenda zijn nu de belangrijkste hoofdthema s van de drie individuele TKI s in een integrale Kennis- en Innovatieagenda (K&I- agenda) opgenomen. Deze K&I- agenda is tot stand gekomen op basis van een sterke betrokkenheid vanuit de markten (vraag en aanbod). TKI Urban Energie heeft dankbaar gebruik gemaakt van de input vanuit de verschillende gremia waarmee permanent wordt gecommuniceerd. Dit zijn de dagelijkse contacten met deelnemers in de TKI s en consortia die projecten uitvoeren, adviesgroepen en programmaraden. Het concept van deze Kennis en Innovatieagenda is in een aparte bijeenkomst op 30 april in aanwezigheid van ca. 90 stakeholders besproken waar een laatste ronde feedback is ontvangen. In dit document worden op verschillende plaatsen bedrijven en organisaties genoemd. Deze dienen als illustratie voor het soort bedrijven en organisaties die aansluiting vinden of kunnen vinden bij de onderwerpen in deze agenda. De verwijzingen zijn illustratief en dus niet uitputtend. In 2015 is in de gezamenlijke programmering het onderwerp systeemintegratie opgenomen, inclusief het daarbij behorende budget. In deze Kennis en Innovatieagenda is het onderwerp systeemintegratie integraal verwerkt in nagenoeg alle programmalijnen. Ook met het budgetteringsvoorstel is daarmee rekening gehouden. 4
1. Visie & ambitie 1.1. Uitgangssituatie en ontwikkelingen De veranderingen die het energiesysteem de komende decennia zal ondergaan brengen vele nieuwe kansen en uitdagingen met zich mee. Niet alleen in Nederland, maar in een groot deel van de wereld gaan belangrijke verschuivingen optreden in de energievoorziening. In de gebouwde omgeving wordt door energiebesparing de energievraag (zeker voor de warmtevoorziening) sterk ingeperkt terwijl parallel daaraan het energiesysteem slimmer zal worden geregeld om een balans te houden tussen variabele vraag en variabel energieaanbod vanuit wind en zonne- energie. Ook de warmtevoorziening zal grote veranderingen ondergaan. Informatietechnologie en benutten van big data zijn niet meer weg te denken. Al deze ontwikkelingen komen samen in het bredere domein van de gebouwde omgeving, het werkgebied van de TKI Urban Energy (de bundeling van de TKI s EnerGO, Solar Energy en Switch2SmartGrids). Het potentieel om binnen de gebouwde omgeving een groot deel van de benodigde energie duurzaam op te wekken, vooral door inzet van zonne- energie en verschillende warmteopties, is groot. Energieopslag in allerlei vormen wordt daarbij essentieel, net zoals nieuwe manieren om het energiesysteem meer vanuit een integrale aanpak intelligent te managen. Gebruikers en partijen in de bouw-, energie- en installatieketen zijn zich nu nog beperkt bewust van de komende veranderingen. Als de partijen zich er wel bewust van zijn vertaalt zich dat nog niet altijd tot actieve betrokkenheid omdat productontwikkeling tijd vergt en er uitzicht moet zijn op markttoepassing. Het articuleren van de (toekomstige) vraag is van groot belang voor het sturen van ontwikkelingen en innovaties. Inzet van nieuwe producten en diensten ter vervanging van traditionele energiestromen biedt nieuwe kansen en samenwerking met partijen in de voorhoede is van belang. Deze ontwikkelingen moeten worden geplaatst binnen een internationale context, want deze transformatie van het energiesysteem vindt op veel plaatsen in de wereld plaats. Daarmee worden samenwerken met koplopers, internationale samenwerking en commercieel opereren extra belangrijk. Het biedt kansen voor gezamenlijke innovatieprojecten, maar evenzeer voor export van in Nederland ontwikkelde kennis, producten, systemen en diensten. 1.2. Visie Visie op hoofdlijnen In 2050 is de energievoorziening, naast betaalbaar en betrouwbaar, ook duurzaam (nagenoeg CO 2 - neutraal). 1 Deze ambitie is alleen te realiseren door in te zetten op grootschalige energiebesparing in de gebouwde omgeving en door de resterende energievraag duurzaam in te vullen. De energiebesparingsopgave is een integraal onderdeel van nagenoeg alle programmalijnen van deze Kennis- & Innovatieagenda. De duurzame elektriciteitsopwekking gebeurt vooral decentraal in de vorm van zonnestroom en via een aantal grootschalige windenergielocaties. De warmtebehoefte in de gebouwde omgeving wordt voor een groot deel gedekt door hernieuwbare bronnen (bodem, zonne- energie en bio- energie). Aardgas, maar ook groen gas (gas uit biomassa en synthetisch gas, mogelijk via Power2Gas, of solar fuels), zal worden gezien als een zeer waardevolle grond- en brandstof voor toepassingen die goed 1 Conform Europese richtlijnen (80-95% CO2 reductie t.o.v. 1990). 5
passen bij de specifieke eigenschappen van die energiedrager, vooral voor hoogwaardig gebruik en flexibiliteit, zoals levering van veel energie in een kort tijdsbestek op ieder gewenst moment. Zonnestroom is voor de elektriciteitsvoorziening één van de belangrijkste opwekkers geworden en kan door inzet van slimme concepten rond opwekking, opslag en distributie (inclusief geavanceerde vraagsturing) voor het grootste deel van het jaar zorgen voor een stabiele voorziening. De warmtevoorziening voor de gebouwde omgeving wordt daarbij onder gemiddelde omstandigheden verzorgd via (duurzame) elektrificatie (vooral via warmtepompen in combinatie met thermische opslag), door andere vormen van duurzame warmte, zoals bodemenergie en bio- energie en (waar beschikbaar) restwarmte. Duurzame energie biedt de kans om de energievoorziening efficiënt decentraal in te richten, waarbij opwekking, opslag en gebruik fysiek dicht bij elkaar zijn gebracht. Het energienet is niet langer alleen een distributievoorziening, maar is ontwikkeld tot een intelligent systeem waarbinnen op basis van goed datamanagement vraag, aanbod en opslag optimaal worden ingezet. Bovenstaande ontwikkeling van het energiesysteem is gevisualiseerd in figuur 1. Figuur 1: Ontwikkeling van het energiesysteem (bron TKI EnerGO) 6
Energiecomponenten zullen standaard zijn uitgerust met een digitaal interface (cyber physical systems) en alle daarbij behorende interacties: mens- machine- en machine- mens-, maar zeker ook machine- machine- toepassingen zullen ongekende hoeveelheden data gaan produceren. Data wordt een nieuwe grondstof die ons in staat stelt het duurzame energiesysteem betrouwbaar, betaalbaar en ook toegankelijk te houden. Ontwikkeling rond warmte en energiebesparing Bijna 40% van ons totale energiegebruik bestaat uit warmte 2. Daarmee is de warmtevraag aanzienlijk groter dan de vraag naar elektriciteit. Warmte wordt gevraagd voor het verwarmen van huizen en kantoren, het verzorgen van tapwater, maar ook voor de verwarming van kassen en bij industriële processen. Het grootste deel van de warmtevraag betreft lage temperatuur warmte (of koude) tussen 20 en 60 C. Voor de industrie is wél hoge temperatuur warmte nodig. Ten behoeve van de warmtevraag moet er op jaarbasis (jaarvolume), op uurbasis (capaciteit) en momentaan (vermogen) voldoende energie worden geleverd. De warmtevoorziening kent een heel specifiek vraagpatroon met een hoge vraag in koude periodes. Het energiesysteem moet daarin kunnen voorzien. Een sterk doorgevoerde energiebesparing in de bestaande gebouwde omgeving 3, grootschalige introductie van nieuw verwarmingstechnieken, zoals warmtepompen, zonnewarmte, warmteopslag, en een toename van (slimme) warmtenetten zullen de inzet van gas doen afnemen. Deze ontwikkelingen vragen innovatieve concepten die voor de warmtevoorziening in de gebouwde omgeving geleidelijk en gedeeltelijk de plaats van aardgas zullen innemen. De introductie van deze nieuwe warmteoplossingen zorgt ook voor een verdere integratie van de warmtesysteem met het elektriciteitssysteem, waarbij slimme oplossingen efficiënt (moeten) zorgen dat onderling pieken in vraag en aanbod opgevangen worden. De verschuiving van gas naar duurzame decentrale warmtesystemen biedt kansen voor lokale werkgelegenheid en de toeleverende industrie. Met o.a. voorheen de HR ketel heeft de Nederlandse industrie aangetoond ook internationaal toonaangevende vindingen te kunnen leveren. Ontwikkelingen rond elektriciteit Ook in de elektriciteitsvoorziening zullen grote verschuivingen optreden. De trend naar het op grote schaal zelf opwekken van elektriciteit door huishoudens en bedrijven met vooral PV is inmiddels ingezet 4. De belangrijke drijvende kracht hierbij vormt de spectaculaire en voortdurende kostendaling van zonnestroom. In het geval van huishoudens (in iets mindere mate bij bedrijven) is de fractie opgewekte zonnestroom die direct wordt gebruikt veelal vrij laag (typisch enkele tientallen procenten); mede ten gevolge van de huidige salderingsmogelijkheid is er geen financiële prikkel om die fractie te verhogen. Bij een gewijzigd vergoedingssysteem zullen hierin door de inzet van energieopslag, het intelligent sturen van elektrische apparaten en de ontwikkeling van elektrisch vervoer grote verandering kunnen gaan optreden. Innovaties op het gebied van PV zorgen voor steeds hogere rendementen bij gelijktijdige kostenreductie en verbreding van de toepassingsmogelijkheden. Dit alles zal zeer grootschalige inzet van PV mogelijk maken. De Nederlandse industrie, in nauwe samenwerking met de kennisinstellingen, speelt op deze gebieden internationaal een belangrijke en op onderdelen, leidende rol. Zij levert onder meer geavanceerde (productie)technologie en 2 1324PJ werd in 2012 primair gebruikt voor warmtevoorziening, ofwel 38% van totale primaire energiegebruik van 3500PJ. Bron: RVO 3 Uit Energieakkoord: Voor 2030 wordt voor gebouwen gestreefd naar ten minste gemiddeld label A; nu is dat nog gemiddeld D/E. 4 Doel van het Energieakkoord is minimaal 1 mln huishoudens die in 2020 voorzien in eigen energieopwekking (op jaarbasis). 7
oplossingen voor innovatief gebruik van PV- systemen. De innovaties zijn dus niet alleen van direct belang voor de duurzame elektriciteitsopwekking in de gebouwde omgeving in Nederland, maar ze vormen ook een uitstekende basis voor export naar de rest van de wereld. Ontwikkelingen rond energienetten, ICT en data Grootschalige toepassing van duurzame energiebronnen, digitalisering, monitoring en besturing op afstand, inzet van data en elektrificatie van de maatschappij waaronder de implementatie van honderdduizenden of mogelijk op termijn zelfs miljoenen elektrische voertuigen en een kosteneffectieve energie- infrastructuur leiden tot grotere fluctuaties in het aanbod van en de vraag naar energie, waardoor grotere prijsfluctuaties zullen ontstaan op de energiemarkt. Daarnaast zijn grote investeringen in de bestaande energie- infrastructuur noodzakelijk en kan de toepassing van intelligentie binnen de energienetwerken deze investeringen matigen. Door de introductie van ICT en benutting van Big data in het energiesysteem ontstaan meer en nieuwe mogelijkheden voor het balanceren van vraag en aanbod en kan de energie- infrastructuur kosteneffectief worden ontworpen en beheerd. Het traditionele model dat volledig gebaseerd is op sturing vanuit de vraag kan nu aangevuld worden met meer flexibele vraagrespons en middelen voor opslag en conversie van energie. Dit alles moet leiden tot minder CO 2 - emissie, meer concurrerende prijzen en het aantrekkelijker maken van (meer) duurzame energie. We kunnen daarbij steeds meer gebruik maken van onvoorstelbare hoeveelheden data; Big Data is de term voor deze collectie data sets. Niet alleen in volume maar zeker ook in snelheid, en die snelheid zal verder toenemen. Kernbegrippen hierbij zijn: grip krijgen, opslag, doorzoeken, analyseren, privacy, veiligheid, standaardiseren, delen en visualiseren. Ontwikkelingen in de rol van de consument en andere partijen in het energiesysteem Met al deze te verwachten ontwikkelingen zal ons energiesysteem binnen de gebouwde omgeving een sterke verandering doormaken. Dat geldt in eerste instantie voor de rol van de consument : van passieve eindgebruiker van energie naar een meer proactieve consument van energiediensten. Maar ook de rollen van de andere partijen die betrokken zijn bij de energievoorziening gaat veranderen, deels gedwongen door nieuwe spelers in deze markt. De directe afstemming tussen vraag en aanbod van energie wijzigt in een complex systeem waarbinnen flexibel aanbod en flexibele vraag bij elkaar tot een stabiel systeem moeten leiden. De veranderingen van de situatie in de bestaande bouw zijn ingrijpender dan in de nieuwbouw, waarvoor immers al vanaf ongeveer 2020 strenge eisen zullen gelden ten aanzien van het energiegebruik en de inzet van duurzame energieopwekking. Door die eisen zal het energiegebruik al zo ver zijn teruggedrongen dat in de meeste gevallen kan worden volstaan met uitsluitend een elektriciteitsaansluiting van de individuele woning. Door slimme inzet van data en ICT kan het gebruik daar nog wel verder worden geoptimaliseerd in relatie tot eigen opwekking en kunnen nieuwe diensten voor consumenten en andere partijen in de energievoorziening worden ontwikkeld. De grote uitdaging vormen dus de ontwikkelingen in de bestaande gebouwde omgeving en de economische kansen die daarmee worden geboden. 8
Figuur 2: Glocalisering van het energiesysteem 1.3. Analyse transitie lokale energiehuishouding De impact van de energietransitie op de gebouwde omgeving is groot. Diverse ontwikkelingen zijn daarbij van grote betekenis: Het Energieakkoord voor Duurzame Groei, door meer dan 40 partijen ondertekend, heeft een aanzet gegeven voor een grote aanpassing van het energiesysteem. Nederland neemt via het Energieakkoord haar verantwoordelijkheid om structureel de verandering in te zetten naar uiteindelijk een energieneutrale gebouwde omgeving in 2050. Gelet op het trage tempo waarin veranderingen in de gebouwde omgeving normaal plaats vinden is dat een ambitie met verstrekkende gevolgen. Het zorgen voor een brede betrokkenheid van belanghebbende partijen is, door de omvang en diversiteit van de sector, een serieuze opgave. Deze betrokkenheid is echter zeer relevant voor het innovatieproces en de vertaling van innovaties naar toepassing. Het terugtrekkende gassysteem. Los van de recente ontwikkelingen in Groningen is al langer bekend dat de voorraden aardgas raken uitgeput en dat Nederland in de komende jaren van een gasexporteur een importeur zal worden. Deze verandering leidt mede tot een heroverweging van de rol van gas voor verwarming in de gebouwde omgeving. Hierbinnen passen de innovatieve oplossingen die worden beoogd. Met de (gedeeltelijke) elektrificatie van de warmtevoorziening en met de beweging tot meer energiebesparing, decentralisering van de energievoorziening (veel meer lokale duurzame opwekking) en de opkomst van elektrisch vervoer, zal het huidige elektriciteitsnet niet langer meer volstaan. En zijn er intelligente oplossingen noodzakelijk om het elektriciteitsnet flexibeler te maken en kostbare verzwaringen te matigen of te voorkomen. Deze ontwikkelingen dwingen ons tot het vinden van nieuwe en innovatieve oplossingen. Deze raken zowel energiebesparing en energieopwekking (zowel warmte als elektriciteit) als het slim(mer) benutten van het energiesysteem. De gebouwde omgeving in de brede betekenis (dus inclusief de fysieke infrastructuur) zal vanuit deze transitie- uitdaging de komende decennia grote veranderingen moeten doorvoeren en innovatieve oplossingen moeten toepassen. Dit vormt het overall werkveld van de TKI Urban Energy. 9
1.4. Ambitie De TKI Urban Energy richt zich op een combinatie van twee doelen: zowel direct als indirect bijdragen aan de transformatie van de energievoorziening in de gebouwde omgeving in brede zin (zoals op onderdelen geformuleerd in het Energieakkoord). Hierbij gaat het vooral om energiebesparing, de inzet van lokaal opgewekte duurzame energie en het optimaliseren van het energiesysteem, waarbij wordt geanticipeerd op de veranderende rol van de gebruiker van dat energiesysteem; bijdragen aan de innovatiekracht van het Nederlandse bedrijfsleven zodat dat met succes concurrerende, geavanceerde producten en diensten kan leveren aan klanten in binnen- en buitenland en de economische kansen van de mondiale energietransitie kan verzilveren (zoals onder meer gekwantificeerd in hoofdstuk 3.1). Daarbij mede vorm gevend aan de human capital agenda en stimulering van internationalisering. De combinatie van deze twee doelen leidt tot een versterking van de positie van het Nederlandse bedrijfsleven. Binnen het werkgebied van TKI Urban Energy bestaan al diverse sterke economische sectoren. Denk daarbij aan de Nederlandse machine en apparatenbouwers voor zonnecelproductie, de verwarmings- en ventilatie- industrie en leidende bedrijven op het gebied van ICT, regeling en management van energiesystemen. Allemaal sectoren met een sterke exportpositie, en ook gericht op een groeiende thuismarkt en bijdrage aan de energietransitie. Het MKB aandeel binnen de betrokken bedrijfssegmenten is relatief groot. Alle projecten en activiteiten die binnen de TKI worden uitgevoerd of door de TKI worden geïnitieerd dienen bij te dragen aan het realiseren van deze doelen. Concreet impliceert dit dat de energietransformatie door betrokkenheid van de TKI een versnelling ondergaat en dat het Nederlandse bedrijfsleven een impuls ervaart voor haar activiteiten op dit terrein (over de gehele waardeketen). 10
2. Marktgedreven onderzoekagenda Gegeven de snelheid waarmee de komende jaren grote veranderingen in ons energiesysteem zullen plaatsvinden, observeren we een hiaat in de aansluiting bij veel partijen in de markt. De sense of urgency en de sense of opportunity worden nog onvoldoende gevoeld in de maatschappij. De economische crisis van de afgelopen 7 jaar speelt daarbij zeker een rol. Veel bedrijven en organisaties zijn nu vooral gericht op de korte termijn. Met koplopers` is een goede interactie, maar het peloton verdient extra aandacht. In de komende periode zal prioriteit worden gegeven aan het versterken van de band met de belangrijke marktpartijen. Zij zullen worden aangemoedigd te anticiperen in het innovatieproces en resultaten sneller toe te passen. Het huidige beleidsinstrumentarium, zoals o.a. de DEI- regeling (Demonstratie Energie Innovaties), helpt daarbij. 2.1. Resultaten eerste innovatieagenda In 2012 zijn voor de Topsector Energie de eerste innovatieagenda s opgeleverd voor de periode 2012-2015. In 2015 hebben de TKI s EnerGO, Solar Energy en Switch2Smartgrids de tenders gebaseerd op een gezamenlijke programmering en is besloten om vanaf 2016 verder te gaan als een gefuseerde TKI met een geïntegreerd programma onder de naam TKI Urban Energy. De resultaten op hoofdlijnen- van de afgelopen periode 2012-2015 worden onderstaand gemeld. Ontwikkeling TKI Solar Energy vanaf 2012 Bij de oprichting van de TKI Solar Energy in 2012 opereerde de Nederlandse zonnestroom (PV) sector goeddeels zonder structurele brede onderlinge samenwerking en zonder duidelijke gezamenlijke doelen en ambities. Nu, 3 jaar later, is daarin veel in positieve zin veranderd. Als één van de weinige landen in Europa zijn binnen de Nederlandse innovatieagenda duidelijke doelen geformuleerd voor de ontwikkeling van PV- technologie (kosten, rendementen, toepassingen, etc.), voor de toepassing van PV- systemen (geïnstalleerd vermogen en bijdrage aan de elektriciteitsvoorziening) én voor de ontwikkeling van de PV- sector in het algemeen (banen, omzet en export). Mede hierdoor zijn Nederlandse bedrijven ondanks de wereldwijde crisis in de PV- maakindustrie ten gevolge van overproductie in staat geweest om zich te blijven positioneren voor de verwachte groei in de tweede helft van het decennium. Daarmee staat zonnestroom nu op de kaart als een optie met groot potentieel voor de Nederlandse duurzame elektriciteitsvoorziening, zelfs voor de kortere termijn, zoals binnen het Energieakkoord. Binnen de TKI Solar Energy werken meer dan 120 private en publieke partijen samen in innovatieprojecten en - programma s, en wordt gewerkt aan innovaties met impact voor de exportpositie van Nederland én voor toepassing in Nederland. Enkele in het oog springende innovaties uit de afgelopen jaren zijn: unieke technologie, materialen en ontwerpconcepten voor hoog- rendement achterzijde- contact silicium zonnecellen en modules (in productie bij meerdere bedrijven in Azië en het Midden- Oosten) die tevens als basis dient voor het maken van lichtgewicht en/of schaduwtolerante stroomproducerende bouwelementen; een belangrijk voordeel in de complexe gebouwde omgeving; technologie voor tweezijdig werkende siliciumzonnecellen en panelen (in productie in de VS, op basis van Nederlandse apparatuur en processen), voor toepassing in veldopstellingen en in de infrastructuur, met een tot 20% hogere opbrengst en mogelijkheden voor gebruik in Noord- Zuid richting; 11
sheet- to- sheet en roll- to- roll productietechnologie voor het maken van dunne film materialen die een scala aan nieuwe (zowel kristallijn- silicium als dunne film) PV- toepassingen mogelijk maken; diverse oplossingen voor esthetisch aantrekkelijke integratie van PV in gebouwen en voor opbrengstoptimalisatie van systemen die onder niet- ideale omstandigheden moeten werken (bijvoorbeeld wanneer PV op grote schaal wordt toegepast in de bestaande bouw). Ontwikkeling TKI Switch2SmartGrids vanaf 2012 In 2014 heeft TKI S2SG de oorspronkelijke vier programmalijnen aangescherpt naar twee nieuwe programmalijnen: 5 : 1. Energiemanagement voor flexibiliteit van energiesysteem. 2. Informatie en control systems voor flexibiliteit in de energie- infrastructuur. Enkele highlights uit het projectenportfolio van TKI S2SG zijn: ontwikkeling van diensten op het gebied van opslagsystemen in combinatie met zon- PV; een algoritme dat gebruik van netwerkcapaciteit voorspelt op de TU/e campus; een energy manager op een bedrijvenpark; instrumentatie voor slimme onderstations; op het gebied van electrical vehicle supported smart grids : power module for fast chargers power module for smart grids functions ( peak shaving en vehicle to grid ) combined fast charger with PV inverter. TKI S2SG heeft vanaf haar oprichting een sterke band met verschillende universiteiten en TNO, later ook met enkele HBO instellingen. TKI S2SG richt zich daarbij sterk op Centers of Excellence (CoE s) voor smart grids. MKB- ers zijn vertegenwoordigd in vele van de ruim 30 innovatieprojecten; in financiële omvang is dit vergelijkbaar met de inbreng van grote bedrijven. TKI S2SG werkt intensief samen met andere TKI s binnen TSE en daarbuiten, zoals met CLICKNL (Topsector Creatieve Industrie) en TKI s EnerGO en Solar Energy in de Green Deal Smart Energy Cities. Met TKI Gas bij het opstellen van het TKI- programma Systeemintegratie, en met ICT Roadmap vanwege het toenemende belang van ICT in het toekomstige energiesysteem. Ontwikkeling TKI EnerGO vanaf 2012 De omgeving van TKI EnerGO was in 2012 zeer gefragmenteerd, in de onderzoekswereld maar vooral in het bedrijfsleven. Aan de kant van de industrie zijn er enige tienduizenden bedrijven met activiteiten die aan het EnerGO programma kunnen worden gelieerd. Er is nu een duidelijker profilering in het veld met onderscheid tussen kernspelers en overige betrokkenen. Diverse koploperbedrijven hebben in de afgelopen periode projecten gestart binnen het TKI programma, waarmee de eerste resultaten gerealiseerd zijn. Voor een aantal ontwikkelingslijnen wordt gestreefd naar meerjarig commitment van koplopers waarbij TKI ondersteuning en andere inzet (TNO, NWO/STW, Horizon 2020) gericht gecombineerd worden om via resultaten op korte en middellange termijn de grote benodigde doorbraken te realiseren. Deze aanpak is door de TKI EnerGO als eerste voor compacte conversie en opslag ingezet. 5 In 2012 en 2013 bestond het Innovatieprogramma van TKI S2SG uit de volgende vier programmalijnen: Producten & diensten, Virtuele infrastructuur, Fysieke infrastructuur en Institutionele & sociale innovatie. 12
Een vijftal highlights tot nu toe zijn: Geheel nieuwe compacte thermische opslag concepten hebben het niveau van test/demonstratie op woningschaal bereikt. Er is een cluster van projecten dat met TKI-, TNO-, TU/e- en Horizon 2020- financiering en bedrijfsinbreng, werkt aan compacte thermische opslag. Nieuw type warmtepomp geschikt voor de bestaande bouw wordt ontwikkeld. De nieuwe warmtepomp ontwikkelt van works- like- real experiment via fits- like- real prototype naar een produceerbaar en verkoopbaar apparaat. Op individuele gebruikerswensen gericht decentraal comfortsysteem met een aanzienlijk energiebesparings- (tot 50%) en comfortverbeteringen voor utiliteitsbouw ontwikkeld en beproefd. Nieuwe geïntegreerde energierenovatie concepten, toepasbaar bij bestaande woningen en utiliteitsgebouwen om nul- op- de- meter te realiseren, worden ontwikkeld. Een prototype geodata platform voor een dynamische energie atlas is ontwikkeld voor ondersteuning van planning van de ontwikkeling van het energiesysteem op wijkniveau. In de afgelopen jaren hebben ca. 100 bedrijven en organisaties (koplopers) zich aangesloten als formele deelnemer bij de TKI EnerGO. 2.2. Programmalijnen Binnen de TKI Urban Energy is gekozen voor een 5- tal hoofd- programmalijnen. Deze zijn gekozen op basis van de impact die zij hebben op de ambities zoals verwoord in 1.4. en omdat ze een onderlinge verbondenheid kennen: opwekking, energiebesparing, integratie en slim omgaan met het energiesysteem, inclusief de infrastructuur, vormen de verbinding voor de gewenste innovatieve beweging. We kiezen er voor om, binnen de bescheiden middelen die kunnen worden ingezet, prioriteit te geven aan onderwerpen die een zo groot mogelijk effect hebben op de energietransformatie in de gebouwde omgeving maar ook een goede basis hebben binnen de Nederlandse industrie (van machinebouwers en toeleveringsindustrie tot toepassers) en de kennisinstellingen. Er is dus bijvoorbeeld gekozen voor de verdere ontwikkeling van zonnestroomtechnologie omdat we in Nederland een groeiende vraag naar zonnestroomsystemen kennen, maar ook beschikken over een goede kennisinfrastructuur en excellente bedrijven die deze technologie internationaal kunnen commercialiseren in de vorm van o.a. productiemachines, nieuwe materialen en flexibele oplossingen voor gebouw integratie. Het zelfde geldt voor onderwerpen als verwarmingstechnologie, systeemintegratie, regelingen en smart grids. 13
Programmalijn#5# Energieregelsystemen# en#?diensten# Programmalijn#2# Warmte?#en#koude?# installabes# Programmalijn#1# Zonnestroomtechnologie#(PV)# Programmalijn#4# PL#2#Koude#en# Flexibele#energie?# Warmte# infrastructuur# Programmalijn#3# MulBfuncBonele# bouwdelen# Figuur 3: Scope en werkvelden van de TKI Urban Energy De vijf programmalijnen, zoals in figuur 3 schematisch weergegeven zijn: Programmalijn 1: Zonnestroomtechnologie (PV) Programmalijn 2: Warmte- en koude- installaties Programmalijn 3: Multifunctionele bouwdelen Programmalijn 4: Flexibele energie- infrastructuur Programmalijn 5: Energieregelsystemen en - diensten Van deze 5 programmalijnen zijn verschillende doorsnijdingen te maken. Vanuit een ketenbenadering is een rangschikking te maken van activiteiten van productietechnologie, via componenten en subsystemen naar systeemintegratie en toepassing. Een andere doorsnijding kan gemaakt worden via een onderscheid tussen installatie-, gebouw-, gebiedsniveau en gebruiker. Samenvattend kunnen (ter illustratie) de programmalijnen ook als hieronder worden gepositioneerd. Plaatsing Programmalijnen Installatie Gebouw Gebied Gebruiker Productietechnologie PL1$ Componenten en subsystemen Systeemintegratie en toepassing PL2$ PL3$ PL4$ PL5$ Figuur 4: Plaats van de 5 programmalijnen binnen de waardeketen en de fysieke omgeving 14
2.3. Hoofdlijnen routekaarten Met alle programmalijnen wordt ingezet op een aantal kernproducten en het invullen van kennishiaten. Hiermee wordt een gefocusseerde aanpak bereikt.! TKI%programma%! R&D%individuele%bedrijven%! Sprong%naar%andere%technologie%% %%%door%samenwerking%met%tki% 2012% 2016% 2020% Figuur 5: Visualisatie van het productontwikkelingsproces In de volgende hoofdstukken wordt meer ingegaan op de hoofdlijnen van de kaart. De gedetailleerde routekaarten worden binnen de programmalijnen ontwikkeld en up- to- date gehouden aan de hand van de ontwikkelingen en de actualiteit. In veel gevallen is de aanpak er één waarbij vanuit de ontwikkelde kennis producten in verschillende generaties naar de markt kunnen worden gebracht. Het einddoel (in de routekaarten) staat voorop, maar de tussenstappen zijn zeker zo relevant om de industrie voldoende aansluiting te bieden om verschillende generaties naar de markt te brengen. Dit biedt ruimte voor bedrijven om met de tussentijdse state- of- the- art producten omzet te genereren die noodzakelijk is voor verdere investeringen en onderzoek. Markteisen*/* presta-e.eisen* * * * * P1* P2* P3* P4* Producten:**. Systemen*. Apparaten*. Componenten*. Materialen*. Diensten* T1* T2* T4* T3* T* Research* * * * * * 1 3 2 4 5 7 8 5 4 Figuur 6: Schematische aanpak ontwikkeling routekaarten Goede voorbeelden van deze aanpak zien we in de PV- industrie waar Nederlandse machinebouwers telkens met nieuwe productgeneraties in de mondiale top marktleiders blijken. Hetzelfde geldt voor verschillende vormen van installatie- apparaten zoals warmteterugwinning, warmtepompen en opslagsystemen. 15
2.4. Valorisatie Valorisatie van ontwikkelde kennis en technologie zal een permanent aandachtspunt blijven. Daarbij gaat het enerzijds om het instrumentarium en anderzijds om het activeren en begeleiden van bedrijven in het valorisatieproces. Het instrumentarium sluit tegenwoordig redelijk aan bij de behoefte voor ontwikkeling over de verschillende TRL- niveaus in het innovatieproces van fundamenteel onderzoek tot demonstratie. Daarbij verwachten we dat de NWO/STW programmering aansluiting vindt bij de lagere TRL- niveaus van de relevante programmalijnen (TRL=Technology Readiness Level) van de TKI Urban Energy. De activiteiten van TNO en ECN vormen de brug naar meer toegepast onderzoek. Het EZ- innovatie- instrumentarium is vooral gericht op de TRL- niveaus in de middencategorie; SDE+ innovatiemiddelen zullen (door het karakter en de criteria waaronder ze kunnen worden ingezet) vooral de hogere TRL- niveaus adresseren, waaronder de demonstratiefase. Tot slot biedt de DEI- regeling (Demonstratie Energie Innovaties) mogelijkheden om specifieke innovaties grootschalig toe te passen. Het instrumentarium voor de demonstratiefase is van belang om koploperprojecten en bedrijven in staat te stellen de innovatieresultaten zo snel mogelijk naar de markt te brengen. Het begeleiden van bedrijven in het valorisatieproces is complex. De ondersteuning van bedrijven door intermediaire partijen krijgt steeds meer aandacht. Het recent opgerichte MKB Steunpunt Energie en Chemie zal hierbij extra capaciteit kunnen inzetten om vooral het MKB beter aan te laten sluiten op zowel de TKI programma s als op de valorisatiekansen. Voorbeelden van verschillende casussen worden gegeven in de bijlagen. 16
3. Programmalijn 1: Zonnestroomtechnologie (PV) Deze programmalijn richt zich op het ontwikkelen en implementeren van goedkope, efficiënte en duurzame zonnestroomtechnologie. Daarbij gaat het om productieprocessen en - apparatuur en materialen voor geavanceerde zonnecellen, - panelen en - folies, om de overige (elektrische) systeemcomponenten en complete systemen, om meetmethoden en instrumenten en om strategieën voor onderhoud en beheer. De nadruk van deze programmalijn ligt daarmee op het eerste deel de waardeketen, zie onderstaande figuur. Programmalijn 3 is complementair hieraan en richt zich vooral op delen verderop in de keten (systemen en toepassingen geïntegreerd in de gebouwde omgeving).!!! Fabricagetechnologie! Primair!speelveld:!! materialen,!processen! Wereld! en!apparatuur!!! Ambi2es:!! versterking!nl!industrie!en! Fabricage!en!testen! export! componenten!voor!(eind3)! beschikbaar!maken!innova6es! toepassingen!en!integra6e! voor!gebruik!in!nl!en!daarbuiten!! Demonstra2e!en!toepassing! componenten!en!(sub)systemen!in!! gebouwde!omgeving,!infrastructuur,! Primair!speelveld:!! vrije!veld!en!energiene<en! Nederland!en!Europa!!! Ambi2es:! Systeemintegra2e! bijdragen!aan!realisering!doelen! combina6e!en!regeling!van!componenten! Energieakkoord! en!(sub)systemen!in!gebouwde!omgeving,! versterking!nl!bedrijfsleven!en! infrastructuur!en!energiene<en! benu<en!exportkansen!!! Figuur 7: Waardeketen zonnestroomtechnologie in de context van toepassing in de gebouwde omgeving WAARDEKETEN! 3.1. Marktanalyse, vraag en waardeketen De mondiale markt voor PV- systemen is in het afgelopen decennium zeer sterk gegroeid en bedraagt naar verwachting 60 gigawatt- piek (GWp) in 2015. De totale omzet van de PV- sector bedraagt momenteel ongeveer 100 miljard per jaar. In de periode tot 2020 wordt een verdere toename tot 100 120 GWp per jaar verwacht, onder meer gedreven door de snelle opkomst van markten in Azië (China, India) en de VS. Daarmee komt een einde aan een periode van overcapaciteit in de productie van zonnepanelen met bijbehorende prijserosie en geringe vraag naar nieuwe productietechnologie. De uitdaging én de grote kans voor de Nederlandse PV- sector is om innovatieve oplossingen te leveren aan deze groeiende mondiale maakindustrie, in het bijzonder geavanceerde en concurrerende cellen, panelen, productieprocessen en apparatuur, en materialen voor PV- halffabricaten en eindproducten. Azië en het Midden- Oosten zijn belangrijke doelregio s in verband met hun huidige rol of plannen. Daarnaast is het de ambitie om bij te dragen aan de totstandkoming van nieuwe, high- end productiefaciliteiten voor cellen en panelen in Nederland en Europa. Dit wordt gedreven door de wens om meer economische vruchten te plukken van de groei van de mondiale maakindustrie en om een nieuwe vorm van energieafhankelijkheid te voorkomen. 17
In onderstaande tabel zijn de belangrijkste Key Performance Indicators van de Nederlandse PV- sector weergegeven. Tabel 1: Indicatoren van de omvang van de Nederlandse PV- sector (afgeronde getallen). Bron: TKI Solar Energy Indicator Eenheid Bereikt in Doelstelling voor Potentieel in 2014 2020 2030 2050 Elektriciteitsproductie PJe 4 18 60 230 Geïnstalleerd vermogen GWp 1,1 6 20 80 Totale omzet Miljard 0,7 2 4 7,5 Export Miljard 0,1 1 3 5 Werkgelegenheid FTE 5.000 10.000 15.000 30.000 De markt voor generieke PV- technologie is grotendeels mondiaal van karakter. De markt voor specifieke uitvoeringsvormen (bijvoorbeeld voor gebouwintegratie) kent een meer regionaal karakter; Programmalijn 3 richt zich in het bijzonder op deze laatste markt. 3.2. Nationale uitgangspositie: bedrijven en onderzoeksgroepen Nederlandse bedrijven en onderzoeksorganisaties spelen (in relatieve én absolute zin) een belangrijke rol in de zeer competitieve en snel innoverende mondiale PV- sector. Daarbij gaat het tot nu toe in het bijzonder om het leveren van productieprocessen, - apparatuur en materialen voor cellen en panelen en elektrische systeemcomponenten. Nederlandse PV- technologie is te vinden in de producten van een groot aantal leidende producenten van zonnecellen en panelen. Het innovatie- ecosysteem in Nederland op het gebied van PV- technologie wordt gekenmerkt door een goede organisatie en vruchtbare samenwerking tussen academische onderzoekgroepen (TUD, TU/e, UvA, RUN, RUG, UT, UU, FOM- Instituut AMOLF), hogescholen, (TO2) instellingen voor toegepast onderzoek en technologieontwikkeling (ECN en TNO) en een groot aantal (met name MKB) bedrijven. Daarbij zijn twee focusgebieden met bijbehorende infrastructuur gevormd: 1) het Solliance samenwerkingsverband voor dunne- film PV- technologie, bestaande uit TNO, ECN, TU/e, TUD, Holst Centre, imec (BE), U Hasselt (BE), FZ Jülich (DE) en hun industriepartners en 2) het consortium voor kristallijn- silicium PV- technologie in het Silicon Competence Centre (SiCC) project, op dit moment bestaande uit ECN, TUD, FOM- Instituut AMOLF, UU en hun industriepartners. De deelname van hogescholen in TKI- projecten neemt sterk toe, zeker nu de meeste hogescholen een lectoraat op een met PV verwant gebied hebben ingesteld. Ter illustratie een selectie van een aantal bedrijven dat actief is op het gebied van geavanceerde PV- technologie: Tempress, Levitech, Eurotron, SoLayTec, ASMI, DSM, Roth&Rau, Meco, Alinement, HyET Solar, SunCycle, LineSolar, VDLETG, Dutch Space, TSM, RHDHV, Rimas, Smit Thermal Solutions, Yparex, CCM, Eternal Sun, IAI Industrial Systems, Lamers High Tech, Heliox, Solland Solar, en Solned (het merendeel hiervan betreft MKB- bedrijven). Daarnaast is er een snel toenemende belangstelling voor hybride dunne- film/kristallijn- silicium PV- technologieën, voor het maken van tandemstructuren die het rendement van PV- panelen op termijn (na 2020) voorbij de limieten van de individuele technologieën kunnen brengen (zie onderstaande figuur). Bij succesvolle ontwikkeling van wafer- silicium/dunne- film hybride tandemtechnologieën kan de trend van stijgende rendementen die we in de afgelopen decennia hebben gezien in de periode 2020-2030 worden voortgezet. 18
Rendement"(%)" 25" 20" 15" 10" 5" 0" 2000" 2002" 2004" 2006" 2008" 2010" Jaar" 2012" 2014" silicium" dunne" films" 2016" 2018" 2020" hybrides" Wafer&silicium&-& high-end&mono& Wafer&silicium&-& mainstream&mono& Wafer&silicium&-& mainstream&mul4& Dunne-film&CIGS& Dunne-film&CdTe& Dunne-film&aSi/ µcsi& Dunne-film&aSi& Figuur 8: Rendementsontwikkeling van commercieel verkrijgbare zonnepanelen Funderend en lange- termijnonderzoek op het gebied van geavanceerde PV- conversieconcepten vindt op dit moment vooral plaats als onderdeel van de NWO Propositie bij het FOM- Instituut AMOLF en bij universiteiten (TUD, TU/e, UU, RUN, RUG, UvA, UT), in nauwe samenwerking met ECN en Solliance. 3.3. Routekaart/ innovatieaanpak Overkoepelend doel is om in 2020 oplossingen commercieel beschikbaar te hebben waarmee: - zonnestroom kan concurreren in grote delen van de totale elektriciteitsmarkt (inclusief het commerciële segment); - een breed scala aan toepassingen kan worden bediend; - kan worden voldaan aan scherpe duurzaamheids- en kwaliteitscriteria. Dit doel wordt gerealiseerd via het adresseren van de volgende belangrijke drivers: - het verlagen van de productiekosten van cellen, panelen/folies, overige systeemcomponenten en complete systemen, door toepassing van innovatieve productieprocessen en gerelateerde - apparatuur, en door toepassing van voor de sector nieuwe materialen en nieuwe productconcepten; - het verlagen van de opwekkosten (Levelized Cost of Electricity, LCoE) door het verhogen van het conversierendement, het verhogen van de elektriciteitsproductie per Wp (ook op plaatsen die niet ideaal zijn georiënteerd en schaduwrijke plaatsen), het verlengen van de levensduur van systeemcomponenten en het verlagen van kosten voor onderhoud en beheer; - het vergroten van de toepasbaarheid (o.m. verhogen van esthetische kwaliteit, vormvrijheid en de mate waarin een PV product kan worden geïntegreerd in een multifunctioneel bouwdeel); - verbeteren van de duurzaamheid door het verlagen van het materiaalgebruik, het toepassen van de mogelijkheden tot recycling, door design- for- sustainability en door total quality control. Voor de eindgebruiker zijn de (systeem)opwekkosten een belangrijke parameter. Deze is op een complexe manier gekoppeld aan aspecten die direct via innovatie kunnen worden geadresseerd (zie ook de eerder genoemde drivers), waarbij onderscheid gemaakt kan worden tussen doelen op het 19
niveau van PV- panelen/folies en van PV- systemen. In onderstaande tabel worden deze doelen benoemd voor wafergebaseerde kristallijn- silicium PV- panelen (xsi PV), panelen gebaseerd op dunne- film technologieën (TF PV) en hybride panelen (hybride PV) gebaseerd op een combinatie van xsi PV- en TF PV- technologieën, alsmede voor complete PV- systemen. Tabel 2: Samenvatting van ontwikkelaspecten en doelen Programmalijn 1: Zonnestroomtechnologie (PV) Panelen Doelen *) (deze voeden tevens Programmalijn 3) Ontwikkelaspecten 2020 2030 Lange termijn potentieel Productiekosten 0,3-0,4 /Wp 0,1-0,3 /Wp 0,1 /Wp Rendement 24% (xsi, hoogste rendement) 22% (xsi, laagste kosten) 18% (TF, hoogste rendement) 12% (TF, laagste kosten of nieuwe toepassingen) 28% (hybride tandems eerste prototypes) 32% (hybride tandems, hoogste rendement) 20% (technologieën voor laagste kosten of speciale toepassingen) Levensduur 30 jaar 30-40 jaar 40 jaar Duurzaamheid Recyclebaar Ontworpen voor duurzaamheid Nieuwe toepassingen 2- zijdige werking, flexibiliteit vormvrijheid, lichtgewicht, (folies). Optie: geïntegreerde bevestigingspunten en elektrische aansluitingen Zie 2020, + semitransparantie en breed kleurenpalet >40% (technologieën voor hoogste rendement) 25% (technologieën voor laagste kosten of speciale toepassingen) Ontworpen voor duurzaamheid Zie 2030, + PV- functie volledig geïntegreerd met andere functies Systemen Doelen *) (deze voeden tevens Programmalijn 3) Ontwikkelaspecten 2020 2030 Lange termijn potentieel Turn- key kosten 0,6-0,8 /Wp 0,3-0,5 /Wp <0,3 /Wp Energieopbrengst Opwekkosten **) 0,9 kwh/wp/jr (NL, standaard) 1,0-1,1 kwh/wp/jr (NL, lage T- coëfficiënt, 2- zijdig) 0,05-0,10 /kwh Nieuwe technologieën bankable.***) 1,0 kwh/wp/jr (NL, standaard) 1,1-1,2 kwh/wp/jr (NL, lage T- coëfficiënt, 2- zijdig) 0,03-0,06 /kwh Nieuwe technologieën bankable Zie 2030 Levensduur 30 jaar 30-40 jaar 40 jaar Duurzaamheid Recyclebaar Ontworpen voor duurzaamheid Nieuwe toepassingen Gebouw- geïntegreerde PV (BIPV), Infrastructuur- geïntegreerde PV (I2PV), tweezijdig werkende systemen. Zie 2020, + kassen, schakelbare, stroomproducerende vensters 0,02-0,03 /kwh Nieuwe technologieën bankable Ontworpen voor duurzaamheid Zie 2030, + kleding, wegen, etc. *) Lange- termijn doelen indicatief. Niet alle subdoelen kunnen of hoeven gecombineerd te worden in één oplossing **) Opwekkosten worden mede bepaald door de kosten van kapitaal, die in belangrijke mate van externe factoren afhankelijk zijn. ***) Nieuwe technologieën moeten op voldoende schaal gedemonstreerd zijn om bankable te zijn en lage opwekkosten te geven. 20