Als je een huis hebt, dan heb je een dak en kan je zonnepanelen plaatsen. Maar wanneer je, net als Amsterdam, de ambitie hebt om de energietransitie te bespoedigen met het plaatsen van een miljoen zonnepanelen, dan gaat het om grootschalige stedelijke planning. Kennis van daken en zichtlijnen is hierbij niet afdoende. Het ondergrondse elektriciteitsnetwerk en zelfs de afvoer van regenwater moeten worden meegenomen.

Voordat Maarten Verkou betrokken raakte bij de groene ambities van de stad Amsterdam deed hij op veel kleinere schaal onderzoek naar het gebruik van zonnepanelen. Tijdens zijn masteropleiding in Sustainable Energy Technology ontmoette hij Hesan Ziar, universitair docent in de Photovoltaic Materials and Devices-groep en gespecialiseerd in het ontwikkelen en gebruik van fotovoltaïsche systeemtechnologie (zonneceltechnologie). ‘Ziar was mijn begeleider toen ik voor mijn afstuderen een haalbaarheidsstudie deed naar een lamp op zonne-energie voor gebruik binnenshuis,’ zegt Verkou. ‘De lamp mocht alleen energie winnen uit indirect, diffuus, zonlicht. Niemand wist of dit mogelijk was.’ Voor dit onderzoek maakte hij driedimensionale modellen van twee typisch Nederlandse kamers – zijn eigen huiskamer en kantoor – en voerde hij gedetailleerde simulaties en berekeningen uit. ‘Vooral het vooruitzicht om een prototype lamp te bouwen vond ik zeer aanlokkelijk omdat ik een bachelor werktuigbouwkunde heb.’

Overtollig regenwater

Meteen na zijn afstuderen kreeg Verkou het aanbod van zijn vakgroep om zich als projectonderzoeker een jaar lang te verdiepen in het grootschalig gebruik van zonnepanelen in een stedelijke setting. ‘Amsterdam heeft de ambitie uitgesproken om in 2022 een hoeveelheid zonne-energie op te wekken die overeenkomt met het plaatsen van een miljoen zonnepanelen,’ zegt Verkou. ‘Ze willen inzicht in waar ze het beste de installatie van deze panelen kunnen stimuleren, of zelfs subsidiëren. Maar welke wijk, welke straat, en zelfs welk huis zal de hoogste energieopbrengst hebben? Zijn er mogelijke beperkingen in het lage-voltage elektriciteitsnetwerk? En hoe zit het met tegenstrijdige belangen zoals de wens tot meer groene en blauwe daken voor het verbeteren van de luchtkwaliteit en het verwerken van overtollig regenwater?’ Deze en andere vragen maken allemaal deel uit van project dat wordt uitgevoerd door het Amsterdam Institute for Advanced Metropolitan Solutions (AMS Instituut). Het was universitair hoofddocent Olinda Isabella – hoofdonderzoeker bij het AMS Instituut, hoofd van de Photovoltaic Materials and Devices-groep aan de TU Delft en initiator van het project – die precies de juiste persoon wist voor het uitvoeren van de uitgebreide 3D-modellering en de benodigde simulaties en berekeningen. ‘Hoofddoel van het project is een routekaart voor de gemeente Amsterdam voor wat betreft de installatie van zonnepanelen,’ zegt Verkou. ‘Deze komt in de vorm van een advent kalender, aan de hand waarvan ze de verschillende wijken en buurten kunnen prioriteren.’

Ideaal voor op een dak

Je kunt je afvragen of het niet veel eenvoudiger is om een paar weilanden vol te gooien met zonnepanelen, in plaats van daar een plekje voor te zoeken in de stad. ‘Dat sluit goed aan bij hoe we het elektriciteitsnetwerk op dit moment gebruiken, centrale productie met éénrichtingsdistributie,’ legt Verkou uit. ‘Maar dat is niet de toekomstvisie voor stedelijke gebieden. In plaats van steeds meer elektriciteit naar steden te transporteren, om in hun toenemende vraag naar energie te voorzien, zullen steden evolueren richting de lokale productie en afname van energie – zelfvoorzienende wijken die net zoveel energie opwekken als dat ze gebruiken. Daarnaast zijn zonnepanelen licht en plat en dus ideaal voor op een dak.’

Van skyline naar rendement

‘De eerste stap is het berekenen van de maximaal mogelijke opbrengst in zonne-energie, voor elk huis in een gebied,’ zegt Verkou. ‘We bepalen alle locaties waarvan de terugbetaaltijd van een zonnepaneel onder de tien jaar ligt. Hiervoor gebruiken we het Actueel Hoogtebestand Nederland, met daarin gedetailleerde hoogte-informatie voor heel Nederland. We maken een driedimensionaal model waarin we, virtueel, op alle daken en muren zonnepanelen plaatsen en hun oriëntatie ten opzichte van de zon optimaliseren.’ Standaard rekenmethoden berekenen de energieopbrengst in een jaar voor elk van de 8760 uren (365 dagen van 24 uur) afzonderlijk. Daarbij houden ze rekening met de schaduwwerking van hoogbouw en bomen. ‘Een prima methode voor een enkel gebouw, maar te tijdrovend voor een hele wijk, of zelfs een hele stad,’ legt Verkou uit. ‘Gelukkig hebben mijn begeleiders recent een methode gepubliceerd voor het zeer snel berekenen van de jaarlijkse energieopbrengst aan zonne-energie in een stedelijke omgeving.’ Deze methode brengt de hele skyline, zoals het zonnepaneel die in alle richtingen “ervaart”, terug tot slechts twee parameters – een parameter voor het schatten van de jaarlijkse lichtinval van indirect, diffuus zonlicht, en een parameter voor de lichtinval van direct zonlicht. ‘Binnen een paar minuten berekenen we de mogelijke opbrengst van duizend gebouwen,’ aldus Verkou.

Van links naar rechts – Olindo Isabella, Maarten Verkou & Hesan Ziar.

Een ingewikkeld spinnenweb

Met zijn achtergrondkennis van zonnepanelen en het reeds beschikbare wiskundige model was het berekenen van de zonne-energie opbrengst relatief eenvoudig voor Verkou. Het bepalen van mogelijke beperkingen in het lage-voltage elektriciteitsnetwerk was geheel nieuw voor hem. ‘Dit netwerk is behoorlijk oud en is oorspronkelijk ontworpen voor de eenrichtingsdistributie van elektriciteit,’ zegt hij. ‘Als de zon vanachter de wolken komt en duizenden zonnepanelen plotseling elektriciteit aanleveren bij het transformatorhuisje van de buurt, dan kan dit overbelast raken en bezwijken.’ Het is vanwege zulke piekvariaties dat bepaalde wijken of straten slechts een fractie van hun maximale opbrengst zullen mogen produceren. ‘In Amsterdam heeft het lage-voltage netwerk vele dwarsverbindingen, waardoor het wat op een spinnenweb lijkt,’ gaat Verkou verder. ‘Dit is ideaal voor een toekomst met lokale productie en gebruik van energie, maar het bemoeilijkt wel het rekenen aan mogelijke storingen in het netwerk.’

Vele lagen aan stadsinformatie

‘Wat ons project zo uniek en waardevol maakt, is dat we veel verschillende lagen aan stadsinformatie samenvoegen,’ zegt Ziar, die wederom de dagelijks begeleider van Verkou is. In stedelijke planning draait het immers altijd om het afwegen van tegenstrijdige belangen. De gemeente Amsterdam voorziet de onderzoekers van informatie over waar zich historische gebouwen bevinden, zodat deze niet in de berekeningen worden meegenomen. Een andere dataset geeft aan welke daken mogelijk als groen of blauw aangemerkt zullen worden, om zo Amsterdam te helpen beschermen tegen de gevolgen van hoosbuien. De netbeheerder verstrekt gegevens over reeds geïnstalleerde zonnepanelen en de onderzoekers reconstrueren zelf de locatie van dakterrassen aan de hand van aangevraagde en verleende vergunningen. ‘Wat wij ontwikkelen is een totaaloplossing voor het bepalen van hoe ver je kan gaan met het grootschalig gebruik van zonnepanelen in een stedelijke omgeving,’ zegt Ziar.

Het grotere geheel

Elke grote verandering in de productie en distributie van elektriciteit kan de dynamiek van het netwerk volledig verstoren. In plaats van afwachten is het veel beter om te kunnen voorspellen of zulke veranderingen tot bijvoorbeeld stroomonderbrekingen zullen leiden. Het Electrical Sustainable Power Lab van de TU Delft helpt hierbij. Komend voorjaar wordt het definitief in gebruik genomen, maar onderzoekers van het lab werken nu al aan een Real-Time Digital Simulator van het gehele Nederlandse elektriciteitsnetwerk. Hiermee kunnen huidige en toekomstige scenario’s worden doorgerekend. Het werk van Maarten Verkou en zijn collega’s, aan het modelleren van de grootschalige stedelijke implementatie van zonnepanelen, vergroot de voorspellende kracht van deze simulaties. Zo helpt het project eraan mee dat ons elektriciteitsnetwerk ook in de toekomst een zeer hoge mate van betrouwbaarheid heeft.  

Echte en virtuele realiteit

Het project is bijna afgerond. Verkou heeft ondertussen een scherpe blik ontwikkeld op het gebruik van zonnepanelen. ‘Zo doe je dat,’ denkt hij als hij langs een Duits dorpje vol zonnepanelen rijdt. Hij maakte ook een fietstocht door de Pijp, de Amsterdamse buurt die ze als eerste modelleren. ‘Het was erg boeiend om de buurt in het echt te zien en wat de potentie ervan is voor het installeren van zonnepanelen,’ zegt hij. Het daadwerkelijk visualiseren van de optimale locatie en impact van een miljoen zonnepanelen, vergt echter meer dan een fietstocht. ‘Daarom bouwen we ook een virtual reality omgeving. Gemeenteambtenaren krijgen daarmee een compleet overzicht van hun stad wat betreft de potentie van zonnepanelen. Het zal ook de behoefte aan groene en blauwe daken inzichtelijk maken en mogelijke problemen met het lage-voltagenetwerk, waarschijnlijk middels kleurcoderingen.’ Het wordt daarnaast een belangrijk hulpmiddel voor het enthousiasmeren van inwoners. Met de tool kunnen ze zien dat het plaatsen van zonnepanelen bij henzelf of hun buren mogelijk slechts een geringe invloed heeft op het straatbeeld.

Tot ver buiten de stad Amsterdam

‘Als onze tool af is, kan hij ook voor Rotterdam en elke andere stad gebruikt worden,’ zegt Verkou. ‘De hoogtedata is vrij beschikbaar. Het importeren van het lage-voltagenetwerk en de andere datalagen maken we zo gebruiksvriendelijk mogelijk. Daarna volstaat één druk op de knop.’ Alhoewel de tool voor stedelijke gebieden is ontworpen, kan hij ook gebruikt worden voor grote open gebieden zoals Schiphol en zelfs voor het plaatsen van zonnepanelen in weilanden. ‘Het project zal waarschijnlijk uitmonden in een spin-off van de TU Delft,’ zegt Verkou. ‘Een start-up om de energietransitie in heel Nederland te bespoedigen.’

Tekst: Merel Engelsman | Fotografie: Frank Auperlé

Een driedimensionale impressie van de potentie van zonnepanelen in de Pijp in Amsterdam. Het geeft alle locaties weer waarvoor de terugverdientijd van een zonnepaneel tien jaar of minder is.

Op de dag met de hoogste zonnekracht kunnen sommige wijken te veel zonne-energie produceren. Dit leidt tot spanningsverschillen (donkerrood, meer dan 10% spanningsverschil) waardoor het (lokale) elektriciteitsnetwerk uit balans kan raken. De netwerkbeheerder moet dan ingrijpen om een mogelijk domino-effect te voorkomen.

/* */