Zon, zee, elektriciteit: experimenteren met zonneweides op het water

Elektriciteit De behoefte aan zonne-energie groeit. Te veel grote zonneparken op land zijn ongewenst. Daarom worden nu proeven gedaan met drijvende zonne-weides. Zoals op het Oostvoornse Meer.

Op het Oostvoornse Meer test TNO drie constructies met drijvende zonnepanelen. Vanaf links: vrijwel platliggende panelen; rond eiland dat meedraait met de zon; panelen in dakjes tegen elkaar.
Op het Oostvoornse Meer test TNO drie constructies met drijvende zonnepanelen. Vanaf links: vrijwel platliggende panelen; rond eiland dat meedraait met de zon; panelen in dakjes tegen elkaar. Foto TNO

„Sinds het meten is begonnen in december hebben we al heel wat stormpjes gehad. In de sneeuwperiode in februari stond hier windkracht zeven, acht, uit het oosten. Dat gaf golven van bijna een meter hoog. We keken dat weekend niet naar Netflix maar naar de beelden van de camera’s daar.” Jan Kroon wijst naar de oever van het Oostvoornse Meer.

Kroon is projectmanager zon op water bij TNO. Zonnepanelen op water zijn vrijwel onontgonnen terrein, maar de oppervlakte is hard nodig. Hoe dat er precies uit zal zien, is onduidelijk. Op het Oostvoornse Meer worden daarom drie drijvende constructies met zonnepanelen getest. Of ze golfslag goed aankunnen is een belangrijke onderzoeksvraag – de februaristorm hebben ze alvast overleefd. Een tweehonderd meter lange loopbrug loopt langs twee van de drie ‘eilandjes’ met zonnepanelen. De derde ligt tijdelijk aan de oever voor verbeteringen aan onder meer de verankering. Sinds december wordt er met talloze sensoren aan de eilanden gemeten, de proef zal een jaar lopen.

In Nederland staat nu zo’n 10 gigawattpiek (GWp) aan zonnepanelen opgesteld, goed voor 7 procent van de elektriciteitsbehoefte. Er is veel meer zonne-energie nodig. TNO schat dat in 2050, als de energietransitie afgerond moet zijn, 200 GWp nodig is, een vertwintigvoudiging. „Dat is een realistisch getal”, zegt Wiep Folkerts, programmamanager zonne-energie bij TNO. „Het is gebaseerd op hoeveel elektriciteit er dan nodig is, een deel is ook voor warmte en transport. In dit scenario komt zo’n 30 tot 40 procent van ons verbruik uit zonne-energie.”

Deels wordt dat ingevuld door een slimme opstelling van panelen en nieuwe typen zonnecellen. Maar dat is niet genoeg, er is ook meer oppervlak nodig. „Wij zien een heel grote rol voor zonne-energie op water”, zegt Folkerts. „We hebben nu eenmaal veel water in Nederland. Het opwekken van windenergie is naar zee verplaatst, dat is niet voor niets. Er is veel concurrentie om land en mensen willen windmolens niet in hun zicht hebben. Met zonne-energie valt dat nu nog mee, maar als het grootschaliger wordt dan gaat dat natuurlijk ook gebeuren.”

TNO berekende in 2017 dat zo’n 25 GWp op binnenwateren gebouwd kan worden, en 45 GWp op zee. Dat betekent niet dat alle natuurgebieden en recreatieplassen vol komen te liggen. „We denken aan industriële binnenwateren zoals vloeibassins en zandafgravingen. Op het IJsselmeer kan zonne-energie wellicht samengaan met natuurontwikkeling. Dan kun je denken aan natuur-eilan-den met een binnenbaai voor drijvende zonne-energie”, zegt Folkerts.

Geen scheepvaart toegestaan

Op zee kunnen panelen komen tussen windmolens. „Scheepvaart is er niet toegestaan, dus het wateroppervlak wordt voor niets anders gebruikt”, zegt Folkerts. „En er is nog een voordeel: zonne-energie vult windenergie goed aan. Als het hard waait schijnt de zon vaak niet, en als het heel zonnig is waait het meestal minder, de capaciteit van de kabels om elektriciteit te vervoeren kan optimaal benut worden.”

Op kleine wateren met weinig golfslag zijn nu al mondjesmaat zonnepanelen te zien. Er ligt nu zo’n 100 MWp, bijvoorbeeld op de Bomhofplas en Sekdoornse plas in Overijssel. Naar grotere wateren, met hogere golven, en de Noordzee, waar golven van meer dan tien meter hoog voorkomen, wordt volop onderzoek gedaan.

De spannendste vraag is hoe de constructies zich houden bij golfslag van een meter hoog

We lopen een eind de loopbrug op, aan weerszijden ligt een eiland. „Dit is een rond systeem. Je ziet twee zwarte ringen liggen, de buitenste ring ligt vast met ankers, de binnenste ring kan draaien. De panelen hebben een vrij hoge hellingshoek, dat kan omdat het eiland meedraait met de zon.” Minne de Jong is namens TNO projectleider op het Oostvoornse Meer en legt uit hoe de constructies van elkaar verschillen. Het ronde eilandje met zonnepanelen is beweeglijk, elk paneel staat op zijn eigen drijver. „Als het golft dan zie je dit helemaal meebewegen, je ziet de golf er als het ware doorheen trekken. De gedachte is dat als een systeem zich niet verzet, je ook geen krachten op de constructie krijgt.”

Drijvende kunststof pijpen

Aan de andere kant ligt een rechthoekig eilandje. Twee rijen zonnepanelen staan als dakjes tegen elkaar. „Deze panelen draaien niet met de zon mee, ze wijzen naar het oosten en het westen”, zegt de Jong. „Het geheel is vrij vlak, het vangt minder wind. Daardoor is er minder stevige verankering nodig, is het idee.” Hier liggen de panelen op grote, drijvende kunststof pijpen met een metaalconstructie erop, het maakt dit ontwerp iets minder beweeglijk op de golven. „Dit zijn veelgebruikte en daarmee relatief goedkope materialen die je overal kunt kopen, er is altijd een leverancier in de buurt.”

De spannendste vraag is hoe de constructies zich houden bij golven van een meter. Welke onderdelen krijgen welke krachten te verduren van wind en golfslag? Met gegevens afkomstig van sensoren op en aan de eilanden, op een boei verderop in het water en aan referentiepanelen op het land hopen ze nog veel meer vragen te beantwoorden. Voor hoeveel corrosie zorgt het brakke water? Het water koelt de panelen, hoeveel meer opbrengst levert dat op? Komen er chemicaliën vrij die invloed hebben op de waterkwaliteit? Wat gebeurt er met de ecologie onder en rond de eilandjes?

Foto Walter Herfst
Foto Walter Herfst
Foto Walter Herfst
Drijvende zonnepanelen op het Oostvoornse Meer.
Foto’s Walter Herfst

Naast TNO doen veel bedrijven en instituten mee aan het onderzoek. Het Noorse energiebedrijf Equinor doet mee omdat ze meer willen weten over mechanische robuustheid en verankering, materiaalproducent Sabic wil weten welke plastics geschikt zijn voor gebruik in drijvende systemen. Maritiem onderzoeksinstituut Marin doet hydrodynamische studies, Hogeschool Zeeland onderzoekt onder meer de waterkwaliteit. „Veel partners ja, dat is ook nodig omdat er veel tegelijkertijd onderzocht moet worden. Het zou jammer zijn als je het technisch allemaal voor elkaar hebt, en dat het dan te duur blijkt. Of dat het toch niet kan omdat de waterkwaliteit er te veel onder te leiden heeft”, zegt Kroon.

In 2018 deed TNO ook al een onderzoek met vier verschillende constructies, even verderop op het water van de Slufter. „Daar hebben we vooral geïnventariseerd wat er allemaal fout kan gaan”, zegt Folkerts nuchter. „In het mechanische en het elektrische ging van alles kapot.” De constructies konden de golven niet goed opvangen, het elektrisch systeem had last van spatwater en er was schade door corrosie. Ze beseften dat er meer pilotstudies nodig waren. „Wat we toen leerden, gebruiken we nu”, zegt Kroon. „Deze constructies houden zich tot nu toe alledrie goed.”

Het derde eiland met panelen, tijdelijk langs de kant, is vrijwel vlak met eromheen loopruimte. „Loopruimte lijkt triviaal maar het is handig voor onderhoud. Dat wordt belangrijker als het eilanden van 300 bij 300 meter worden”, zegt De Jong. Van de drie eilanden is dit de meest ‘dichte’ constructie, relatief weinig licht kan het wateroppervlak bereiken. Wat betekent dat voor de ecologie? „We doen hier een jaar metingen, voor onderzoek naar de effecten daarop heb je eigenlijk een langere adem nodig”, zegt Kroon. „En wat het helemaal lastig maakt is dat deze proefconstructies heel klein zijn ten opzichte van een enorm wateroppervlak. We kunnen met deze metingen wel parameters in de modellen invullen, zo bouwen we toch inzicht op.”

Een dichte constructie is op plekken waar veel planten en dieren onder water leven niet voor de hand liggend, verwachten de onderzoekers. Maar het is niet voor alle toepassingen nadelig. „Stel je bouwt op een drinkwaterreservoir of een stuwmeer in een warm land, daar wil je graag verdamping tegengaan en dan is zo’n dichte constructie handig”, zegt Folkerts. „Daarom willen we graag zo veel mogelijk parameters in kaart brengen, dan heb je voor allerlei toepassingen straks een passende oplossing. Heerlijk!”

De TNO’ers hebben er vertrouwen in dat na deze proef zonnepanelen op water met golfslag tot een meter hoog binnen handbereik zijn. Maar toepassing op zee gaat nog wel even duren, denken ze.

Vrij dicht bij de kust

Ook op zee wordt ondertussen veel kennis opgedaan, TNO is er nauw bij betrokken. Eén van de voorlopers is het bedrijf Oceans of Energy, dat zo’n anderhalf jaar geleden een eerste pilot-eiland op de Noordzee legde. Dat eiland ligt vrij dicht bij de kust, daarna is een tweede eiland gebouwd, op 15 kilometer uit de kust. „Windparken liggen op ongeveer 15 kilometer van het strand. De zonnepanelen moeten tussen de windmolens komen te liggen, dus wilden we heel graag weten of ons ontwerp het daar zou houden”, zegt directeur Allard van Hoeken.

Van Hoeken denkt dat er een nog grotere rol voor zonnepanelen op zee is weggelegd dan waar TNO rekening mee houdt. „Wij denken dat 50 procent van de Nederlandse energiebehoefte op de Noordzee kan worden opgewekt, 300 GWp. Er is nu windenergie gepland op 20 procent van het Nederlandse deel van de Noordzee, als je tussen een kwart van die windmolens zonnepanelen neerlegt, ben je er al.”

Hij ziet een grid van vierkante eilanden van 1 km2 voor zich, van elk zo’n 180 MWp. Tussen de eilanden kan gevaren worden, voor onderhoud aan de windmolens en zonnepanelen. Hoe de constructie in elkaar zit wil Van Hoeken niet uit de doeken doen omdat er nog patentaanvragen lopen. Op de foto’s die het bedrijf op zijn site heeft staan zijn platliggende panelen te zien, die ten opzichte van elkaar enigszins lijken te kunnen bewegen.

Oceans of Energy zet in op één ontwerp. „We hebben eerst heel veel opties doorgerekend en kleinschalig getest”, zegt Van Hoeken. Het eerste eiland begon klein, met 28 panelen, en werd daarna uitgebreid tot 150 panelen. „De zee is een grote oplossing, maar kent ook grote uitdagingen”, zegt Van Hoeken. Golfslag was ook hier de spannendste factor. Daar kwam de verankering bij, plus het waterdicht maken van de elektrische componenten. Een systeem moet 25 jaar op zee overleven. „Het gaat nu twee winterseizoenen goed”, zegt Van Hoeken. „Of de constructie het zou houden was onze hoofdzorg, we waren in eerste instantie nog helemaal niet bezig met de elektrische opbrengst.”

Invloed op ecologie

De rekensom rond de elektrische opbrengst lijkt wel positief uit te vallen. De Universiteit Utrecht deed mede op basis van metingen aan het systeem van Oceans of Energy een modelstudie, waaruit bleek dat zonnepanelen op zee dankzij koeling van het zeewater en meer instraling dan boven land tot 13 procent meer opleveren dan op land. „We willen dit nu graag ook in de praktijk uitgebreider gaan meten”, zegt Van Hoeken.

Foto Walter Herfst

Net als op het Oostvoornse Meer wordt de invloed op water en ecologie onderzocht, al is dat ook hier lastig. „Op zee blijft het water altijd stromen, het ligt maar heel kort onder onze platforms. We hebben wel gemodelleerd en hieruit komt dat de invloed onmeetbaar klein is.” Tot nu toe slaat de balans uit in het voordeel, zegt Van Hoeken. „Vis gaat onder de platforms zitten ter bescherming en er groeit van alles aan. Het lijkt erop dat de natuur een kans ziet.” Bij het nieuwe drijvende eiland wordt ook gekeken of een combinatie met het kweken van zeewier zinvol is.

„We waren de eersten die een systeem op zee neerlegden. De toekomstscenario’s zien er heel goed uit. Nu is het hopen dat de overheid dat ook inziet. Voor wind op zee heeft inzet van de overheid tot grote kostendalingen geleid, dat is voor zon op zee ook nodig”, zegt Van Hoeken. De volgende stap voor zijn bedrijf is opschalen naar een eiland ter grootte van 1 MWp.

Ook aan het Oostvoornse Meer zien ze in de nabije toekomst opschaling voor zich. Folkerts verwacht dat er in 2024 pilots met constructies van 100 bij 100 meter op de grotere binnenwateren liggen. „Dan heb ik het over wateren van 100 hectare en meer, met enige golfslag. Voor zon op zee moet in onze optiek nog veel onderzocht worden.”

Bij hun eigen project zouden ze het liefst ook nog meer onderzoeken. „We hebben bijvoorbeeld gezien dat verankering heel belangrijk is”, zegt Kroon. „Daar meten we nu nog niet veel aan, dat zouden we wel heel graag doen. We kijken altijd wat we nog meer kunnen leren.”