Er wordt wereldwijd veel onderzoek gedaan over het verbeteren van de opbrengsten van zonnestroom technologieën en ik zal met alle plezier de laatste ontwikkelingen in dit onderzoeksveld met de lezer in toekomstige columns willen delen. In deze eerste column zou ik graag eerst even stil willen staan bij het grote plaatje: klimaat, de energie transitie en de rol van zonne-energie.

De energietransitie is een uiterst complexe uitdaging voor onze maatschappij op politiek, bestuurlijk, economisch, sociaal en technologisch gebied. Maar tot welke inzichten is de wetenschap tot heden gekomen en welke rol gaat zonnestroom krijgen?

De natuurwetten toegepast op het klimaat: een ongemakkelijke boodschap

De atmosfeer en oceanen op aarde warmen op. Satellieten in de ruimte, weerstations, weerballonen, boeien in de oceaan -U zegt het maar- laten deze trends zien. Daarnaast zien we stijgende zeespiegels, krimpende gletsjers, snel afnemende hoeveelheden poolijs, verandering in regionale neerslagpatronen en de frequentie van extreme weeromstandigheden zoals o.a. hittegolven of zware orkanen toenemen. De gecollecteerde klimaatdata heeft inmiddels de gouden standaard van wetenschappelijk bewijs bereikt: de kans is kleiner dan één op de miljoen dat de huidige voortdurende klimaatsverandering is veroorzaakt door iets anders dan de mens. Ter vergelijking, de kans op een hoofdprijs in de meeste Nederlandse loterijen is groter dan dat de klimaatwetenschappers het bij het verkeerde eind hebben.

De huidige klimaatmodellen kunnen de wereldwijd waargenomen temperatuurtrends reproduceren. De temperatuur toename op aarde sinds het pre-industriële tijdperk is overtuigend toe te schrijven aan de toename van broeikasgassen. In het Parijs akkoord in 2015 hebben een kleine 200 landen als belangrijkste klimaatdoel afgesproken de opwarming van de aarde te beperken tot maximaal 2oC ten opzicht van de pre-industriële tijdperk (en dat een temperatuurstijging van slechts 1.5 oC mooi meegenomen zou zijn…). 

De moed zakt door zolen van je schoenen als je de huidige klimaatmodellen hier op los laat. Een razend snelle de-fossilisatie is nodig. De emissies van alle broeikasgassen moet in de jaren vijftig van deze eeuw al zijn uitgebannen en in de tweede helft van deze eeuw moeten er negatieve koolstofdioxide emissie gerealiseerd zijn (dat betekent dat er meer CO2 opgeslagen moet worden dan dat we uitstoten).  En dan nog… bij een temperatuur stijging van slechts 1.5oC  zijn de voorspellingen dat de vele kuststeden in de wereld verloren gaan, beginnende in gebieden rond de evenaar. Dit vereist actie! We moeten de wereldwijde transitie naar niet-fossiele energie bevorderen. Daarnaast zullen we er niet aan ontkomen om de leefomgeving aan de gevolgen van de opwarming van de aarde aan te passen. 

De energie transitie in een model gieten is een complexe uitdaging

De bovenstaande boodschap laat de noodzaak zien om betrouwbare scenario’s met een route naar een 100% hernieuwbare energie infrastructuur te ontwikkelen. Dit veld is nog relatief jong. De eerste wetenschappelijke publicatie over een 100% hernieuwbare energie systeem stamt uit 1996. Pas de laatste 10 jaar heeft het veld een bescheiden kritische massa gekregen met meer dan 10 publicaties per jaar. Het is een enorme uitdaging om de energie transitie in techno-economische modellen te beschrijven. De globale energie infrastructuur is een complex system en omvat de energie waardeketen van generatie, distributie, conversie, opslag en consumptie.

De grootste uitdaging voor dergelijke modellen is dat de uitkomst in grote mate afhankelijk is van de kwaliteit van de aannamen, data en trends die je er in stopt. Deze input bepaalt hoe snel een energie transitie gerealiseerd kan worden, welke technologieën langs de energiewaardeketen gebruikt gaan worden, hoeveel en wanneer er geïnvesteerd moet worden, en de ontwikkeling van de energieprijs in tijd.

Wat zeggen deze modellen over zonne-energie in 100% hernieuwbare energie systemen?

Christian Breyer (LUN universiteit, Finland) is de wetenschappelijke pionier in dit veld en ik zal zijn visie over de rol van zonne-energie in het toekomstige energie systeem hier kort samen vatten. De belangrijkste modellen van de laatste 10 jaar laten een bijdrage van zonnestroom in de totale hernieuwbare opwekking zien van 10% tot 80%! Een niet eenduidig resultaat op het eerste oog. Welke verschillen in aannamen resulteren in een zo’n grote fluctuaties in de uitkomst?

Ten eerste, in sommige modellen is de bijdrage van zonnestroom simpelweg beperkt door het gebruik van kunstmatige en arbitrair opgelegde limieten voor de oppervlakte van fotovoltaïsche technologieën. Ten tweede, sommige modellen stimuleren het gebruik van niet-duurzame bio-energie. Hierdoor krijgt het omzetten van het hernieuwbare elektrische vermogen in een brandstof (of materialen en voedsel) in tijden van overproductie een kleinere rol in het toekomstig energie systeem. Het gevolg is een kleinere behoefte aan zonnestroom.

Ten derde, het gebruik van verouderde kostprijzen in deze modellen is de belangrijkste en veel voorkomende oorzaak dat er ‘lagere bijdrage’ van zonnestroom uit de modellen rollen. De gerealiseerde kostprijsdaling van zonnestroom van de laatste 10 jaar wordt in belangrijke rapporten genegeerd! Het ‘World Energy outlook 2019’ van het International Energy Agency (IEA) en de ‘integrated assessment models’ van het International Panel for Climate Change (IPCC) gebruiken zwaar verouderde kostprijs data!

Zonder deze drie ‘euvels’ leiden de modellen tot hernieuwbare energie systemen waarin zonne-energie een totale globale bijdrage van 60-80% heeft! Christian’s conclusie is dat PV dé grootste bron van onze energie zal worden. De meeste regeringen en organisaties onderschatten de toekomstige rol van PV nog steeds.

Het belang van betrouwbare modellen voor de energie transitie

Het is vrij urgent om deze modellen verder door te ontwikkelen en betrouwbaarder te maken. Dit helpt simpelweg de maatschappelijke discussie over de energie transitie en de juiste integrale beslissingen op het juiste moment te nemen.  Zeker met het oog op onze nationale energietransitie ambities van de Nederlandse overheid, die langzaam vorm krijgen in het energie akkoord (2013) en het klimaatakkoord (2019). Na polderen en lobbyen van verschillende stakeholders aan tafels zijn er met alle goede bedoelingen ambitieuze doelen gesteld en op een tijdlijn geplakt. De wetenschap heeft niet veel tafels kunnen vinden. Het lijkt er op dat dit compromis nog niet door een solide techno-economische energietransitie model is doorgerekend.

Het is geen overbodige luxe om een wetenschappelijke onderbouwing en bevestiging van alle keuzes te zien. Gebrek aan onderbouwing in combinatie met de complexiteit van het probleem geeft de ruimte om de energie-transitie onnodig te politiseren: je ziet over het hele politieke spectrum rapporten verschijnen, waarin met behulp van de kunst van selectieve aannamen, de eigen politieke identiteit wordt bevestigd. Dit zie je ook terug in de scenario’s van grote energiebedrijven en organisaties, waarin hun eigen belangen in de energie transitie leidend zijn. De karakteristieke tijdschaal van bijvoorbeeld het ‘Sky’ scenario van Shell lijkt geijkt te zijn op economische duurzaamheid van lange termijn investeringen, het blijven verkopen van fossiele brandstoffen in de komende decennia en het opruimen van onwelkome broeikasgassen in de twee helft van deze eeuw. Wetenschappers als Christian Breyer komen tot andere scenario’s. Gezien de urgentie van het onderwerp, dient een discussie over de verschillende inzichten gevoerd te worden.

Laat het zonnetje maar schijnen.

De positieve boodschap aan de zonne-energie sector is dat de recente modellen laten zien dat zonne-energie de grootste energiebron (60-80%) van het globale energie systeem van de toekomst zal worden. Als ik een simpele achterkant van de envelop afschatting maak betekent dit dat de globale jaarlijkse markt nog 13 opeenvolgende jaren met 30% per jaar dient te groeien om in 2050 een vervangingsmarkt van ruwweg 6 TeraWatt (dat is 6 000 000 000 000 Wp) per jaar te realiseren (met een levensduur van een PV systeem van 25 jaar). Dit is ongeveer 50 maal de huidige globale markt. Er is nog veel werk aan de winkel in de zonne-energie sector om dit binnen een duurzame kringloopeconomie te kunnen realiseren.

De eeuw van de zonne-elektriciteit komt eraan! Het is een belangrijke taak voor de zonne-energie sector dat deze boodschap een groter bereik krijgt! Zonne-energie is een belangrijke stap in de strijd tegen klimaatverandering. Rammstein zingt het al krachtig uit volle borst: ‘Hier kommt die Sonne, Sie ist der hellste Stern von allen’.  Zeg het voort! Zing het voort!