Milieuloket:
Zonne-energie

Zonne-energie is één van de bekendste soorten duurzame energie. De zon zelf is eigenlijk een enorme kernfusiereactor. Bij kernfusie komt een enorme hoeveelheid warmte en energie in de vorm van straling vrij. De zon heeft nog voldoende brandstof om ons nog ongeveer zes miljard jaar van warmte en energie te voorzien. Doordat ze nog zo lang energie uitstraalt, noemen we het een onuitputtelijke bron van energie.

De zonnestraling die door de aarde wordt opgevangen is de motor achter bijna alle processen op onze planeet. Voor de mens is zonne-energie op meerdere manieren bruikbaar. De systemen zijn onder te verdelen in twee soorten: passieve en actieve. De passieve systemen richten zich op bouwkundige technieken zoals isolatie en inrichting. Bij actieve zonnesystemen kunnen we denken aan fotovoltaïsche zonnepanelen (PV) ofwel zonnecellen, en de zonneboiler, een systeem om met behulp van de zon water te verwarmen.

Momenteel zijn de opbrengsten van zonne-energie nog niet zo heel groot in vergelijking met andere duurzame energiesoorten, zoals windenergie en biomassa. Toch is de bijdrage van zonne-energie sinds het jaar 2000 ruim verdubbeld, maar maakte slechts twee procent uit van de totale duurzame energie productie. Ook in de nabije toekomst is geen grote bijdrage van zonne-energiesystemen te verwachten.

Oorsprong

Door de kernfusiereactie straalt de zon zoveel licht en straling uit. In deze kernfusiereactie gaan twee waterstofatomen samen en vormen een heliumatoom. Bij deze reactie komt een enorme hoeveelheid warmte en straling vrij. De hoeveelheid energie die hiervan op de aarde valt, is in verhouding vergelijkbaar met de hoeveelheid licht dat een speldenknop opvangt op een paar meter afstand van een gloeilamp die naar alle richtingen straalt.

Eigenlijk staat zonne-energie aan de basis van alle duurzame energiesoorten. Windenergie is afkomstig van door de zon onregelmatig opgewarmde lucht. Het plantaardige deel van biomassa kan alleen maar groeien als er licht van de zon op valt. Zelfs fossiele brandstof is in feite zeer lang geleden opgeslagen zonne-energie. Duurzame energiesoorten als windenergie en biomassa noemen we indirecte zonne-energie.

De techniek om zonne-energie om te zetten in elektriciteit is afkomstig uit de ruimtevaart. Hoog in de ruimte is deze vorm van energie namelijk overvloedig aanwezig, in tegenstelling tot een stopcontact. De techniek is langzaam doorgeëvolueerd in voorwerpen zoals rekenmachines, praatpalen, lichtboeien op zee, enzovoort.

Zonne-energie is een zeer overvloedig beschikbare bron van energie. Het is schoon en raakt de eerste miljarden jaren niet op. De hoeveelheid energie is gigantisch: per minuut vangt de aarde meer energie van de zon op dan we per jaar wereldwijd aan energie verbruiken. Ook in de winter als het wat kouder is geeft de zon nog voldoende energie om er gebruik van te maken.

Helaas zijn de technieken om actief zonne-energie te gebruiken duur. Dat komt mede omdat de grondstoffen voor fabricage van zonnecellen moeilijk te produceren zijn. De hogere kostprijs voor een zonneboiler ten opzichte van een (cv)ketel na ongeveer zeven tot twaalf jaar - afhankelijk van het gebruik - terugverdiend door besparingen op uw energiegebruik.

Beschikbaarheid

Daarnaast is zonne-energie, net als bij windenergie, niet altijd voor honderd procent beschikbaar. De intensiteit van de beschikbare energie van de zon fluctueert per seizoen. In de zomer geeft de zon meer energie af per vierkante meter dan in de winter. Maar ook op kortere termijnen zijn er intensiteitsverschillen, bijvoorbeeld als het bewolkt is. Hierdoor fluctueren ook de prestaties van de zonnesystemen.

Passief

Passief gebruik maken van zonne-energie houd in het gebruik maken van binnenvallend zonlicht, zonder dat daarvoor apparaten nodig zijn. Dit heeft vooral betrekking op de warmte huishouding in gebouwen en woningen, maar ook het invallende licht. Gebruik maken van passieve zonne-energie kan een flinke energiebesparing opleveren.

Een aantal passieve zonne-energie maatregelen:

• - 

  Grote ramen op de zuidzijde en kleinere op de noordzijde van een woning/gebouw;
• - 

  zonneschermen om oververhitting in de zomer te voorkomen
• - 

  goede isolatie rond warme ruimten
• - 

  inrichting aanpassen (warme ruimten zoals woonkamer aan de zuidzijde, koudere - minder gebruikte - ruimten aan de noordzijde)

Actief

Zonnecellen (PV-systemen)

Fotovoltaïsche systemen (PV komt van het Engelse PhotoVoltaic ), ofwel zonnecellen, zetten zonnestraling direct om in elektriciteit. De systemen bestaan uit panelen van wisselende grootte met daarin een verzameling aan elkaar gekoppelde zonnecellen. Dit is vergelijkbaar met wat planten doen, deze zetten het zonlicht alleen niet om in elektriciteit, maar in chemische energie.

De zonnecellen zijn in serie gekoppeld om een bruikbare spanning te kunnen leveren. Tegenwoordig bestaan de meeste zonnecellen uit twee lagen silicium die met elkaar verbonden zijn met stroomgeleiders. Als zonlicht op silicium valt komen elektronen vrij, die een elektrische stroom veroorzaken via stroomgeleiders tussen de twee lagen. De geproduceerde elektrische stroom gaat - eventueel via een apparaatje om de stroom geschikt te maken voor de ontvanger - naar een accu of het stroomnet.

Zonneboiler

Een zonneboiler maakt gebruik van de zon om water te verwarmen. Het concept is vrij simpel. Het systeem bestaat uit een zonnecollector, een warmtepomp, een opslagvat en een naverwarmer. De zonnecollector ziet eruit als een zwarte bak waar water (soms met antivries) doorheenloopt via heel dunne buisjes. Hier verwarmt de zon het water. Het eventuele antivries is toegevoegd om bevriezing in de winter te voorkomen. Het door de zon opgewarmde antivrieswater verwarmt het leidingwater via de warmtewisselaar, waarna het in een opvangvat terecht komt. Nu kan het gebruikt worden, eventueel na naverwarming.

Een zonneboiler bespaart per jaar ongeveer de verbranding van 200 kuub aardgas. Over het algemeen is de aanschaf van een zonneboiler binnen zeven jaar terugverdiend.

Deze wijze van waterverwarming kent naast ruimteverwarming legio andere toepassingen. Overal waar men warm water gebruikt kan het zonneboilersysteem een bijdrage leveren in energie(kosten)besparing en verminderen van het gebruik van fossiele brandstoffen. Een goed voorbeeld daarvan is zwemwaterverwarming.

De zonnetoren

De zonnetoren is een soort glazen overdekking met in het midden en toren. De lucht onder de ramen warmt op als in een broeikas en wil omhoog. De toren in het midden trekt de lucht naar zich toe, waar de lucht onderweg turbines aandrijft.

Een groot nadeel van het systeem is de maatvoering: voor een vermogen van ongeveer 200 MW (ongeveer 200.000 huishoudens) is een overkappingsdiameter nodig van 7 kilometer met een toren van 1000 meter hoog. In gebieden met veel ruimte en zon hoeft dat echter geen problemen op te leveren.

In Spanje (Manzanares) heeft al een proefmodel gedraaid in de jaren tachtig. Het model had een toren van 200 meter hoog en had een doorsnede van 10 meter. De broeikas had een oppervlak van ongeveer 180.000 vierkante meter. Het leverde een vermogen van ongeveer 50 kW. Dat komt ongeveer overeen met de energiebehoefte van bijna 60 huishoudens. De verrassing van het concept was dat het ook werkte als het regende, maar ook s nachts. Dat laatste kwam doordat de zon ook de bodem opwarmde. De bodem warmt s nachts de lucht op, zodat het systeem ook dan werkt.

Eind 2003 was er in Nederland ongeveer 46 MW (200.000 m2) aan zonnepanelen opgesteld, waarvan 16 megawatt direct aan het elektriciteitsnet gekoppeld is. Die hoeveelheid (46 MW) komt overeen met de gemiddelde opbrengst van ongeveer 80 flinke windturbines van 2,5 MW per stuk. De bijdrage aan de geproduceerde hoeveelheid duurzame energie bedroeg toen ongeveer een half procent.

De nadelen van zonnepanelen zijn vooral de relatief hoge kosten. Zonnestroom is ongeveer 20 keer duurder als elektriciteit uit conventionele productie. Energie onderzoekscentrum Nederland (ECN) verwacht dat wanneer de productie meer op gang komt, de kostprijs van bruikbare energie van de zon naar beneden gaat.

Zonneboilers staan garant voor een aardige besparing in het aardgasverbruik. Als we uitgaan van de 67.000 zonneboilers die eind 2002 in Nederland geïnstalleerd waren, heeft dat ongeveer een besparing van 13,4 miljoen kuub aardgas per jaar gerealiseerd. In 2003 is het opgesteld aantal zonneboilers nog eens met 11 procent gegroeid, waardoor de bijdrage aan duurzame energieproductie ruim één procent was.

Zonne-energie kan erg goed worden toegepast in bebouwde gebieden waar energie - zowel elektriciteit als warmteopwekking - nodig is. Dat komt omdat zonne-energie een stille, behoorlijk onderhoudsvrije energiesoort is die nagenoeg geen visuele vervuiling oplevert. Zeker niet wanneer men in ontwerpen rekening houdt met zonnepanelen en/of zonnecollectoren. Zo kunnen ze goed geïntegreerd worden in daken of andere delen van het huis of gebouw.

Voor plaatsing van een zonnepaneel kan een vergunning ingevolge de Woningwet nodig zijn. In veel gemeenten wordt echter plaatsing zonder vergunning toegestaan, maar u moet de plaatsing wel melden bij uw gemeente (www.naam-van-uw-gemeente.nl) bij de dienst bouw- en woningtoezicht.

Voor grootschalige elektriciteitsopwekking kunnen we vooral denken aan zonrijke en ruimtelijke gebieden, zoals de woestijn. Probleem hier is het energietransport. In de toekomst kan het een aardig bijdrage leveren in de productie van duurzame waterstof .

Zon PV-systemen

Bij ontwikkelingen in de PV-systemen valt vooral te denken aan het efficiënter en goedkoper maken van de systemen. Momenteel is het nog niet echt rendabel voor consumenten om een dergelijk systeem aan te schaffen.

Een andere ontwikkeling is het dunner en flexibeler maken. Dit vergroot de toepasbaarheid. Tegenwoordig zijn deze systemen er al, maar hebben relatief een laag rendement. Wel zijn ze goedkoper. Dat komt doordat fabrikanten het makkelijker in grote hoeveelheden kan produceren. Om het rendement te verhogen en de kosten te verlagen zijn onderzoekers druk aan het experimenteren met polymeren (een soort plastic) en bepaalde kleurstoffen om het moeilijk te produceren silicium te vervangen.

De hoge productiekosten maakt elektriciteitsproductie uit zonnecellen niet erg aantrekkelijk. Het duurt ongeveer vijftien jaar voordat de kostprijs van een systeem is terugverdiend. Dat komt niet zozeer omdat er geen goede technologische alternatieven zijn, meer omdat de techniek voor een groot deel meelift op de bestaande elektronicatechnologie. De kosten voor vier vierkante meter zonnepaneel liggen ongeveer op 700 euro. Om de energie te verkrijgen dat een gemiddeld huishouden verbruikt is ongeveer veertig vierkante meter paneel nodig.

Zonneboilers

De ontwikkelingen op het gebied van zonnewarmte richten zich ook op het verhogen van het rendement. Het doel is het water meer op te warmen door gebruik van andere materialen of opstellingen.

Zonnecellen

De overheid heeft als doelstelling voor de sociale woningbouwsector dat tenminste de helft van nieuw te bouwen woningen voorzien zijn van zonnepanelen. Daarnaast heeft de overheid de doelstelling om in 2007 ongeveer 250 MW zonne-energie te produceren. Dit komt neer op zo'n 2,5 miljoen panelen. Een convenant (een afspraak tussen overheid en bedrijven) met energiebedrijven, fabrikanten en de bouwsector moet hiervoor zorgen.

Voor de wat langere termijn (2020) streeft de overheid naar 1500 MW opgesteld piekvermogen. Dit komt overeen met de behoefte aan elektriciteit van ongeveer 400.000 huishoudens.

De grootste toekomst voor zonnecellen verwacht de overheid in autonome (op zich zelf staande) systemen. Voor het plaatsen van zonnecellen kunnen we naast daken van huizen en gebouwen ook de geluidsschermen en andere onbenutte onderdelen van wegen benutten. In de landbouw gebruikt men al veel zonnecellen voor de aandrijving van waterpompen. Het gebruik van zonnecellen voor dat soort kleine stroomverbruikers van stroom zal toenemen, bijvoorbeeld in de straatverlichting.

Daarnaast kunnen nieuwere technieken, zoals flexibele zonnecellen, gebruikt worden in kleding om bijvoorbeeld draagbare apparatuur van stroom te voorzien. Op die manier kunnen zonnecellen het gebruik van zeer inefficiënte batterijen terugdringen.

Zonneboiler

De warmteopwekking neemt 40 procent van de totale energieconsumptie voor haar rekening. Zonnewarmte kan hier een aanzienlijke bijdrage gaan leveren. Ondanks een pessimistisch Nederlands vooruitzicht verwacht de Europese branchevereniging ESTIF in de toekomst een bijdrage van zes procent zonnewarmte van de totale energieconsumptie.

In Nederland stagneert de markt voor zonneboilers de laatste jaren. Eind 2002 waren er ruim 67.000 zonneboilers geïnstalleerd. Dit kwam mede dankzij subsidies tot stand. Door de afschaffing van de energiepremie verminderde het aantal nieuw geïnstalleerde zonneboilersystemen sterk. Toch heeft de overheid als doelstelling dat er 400.000 zonneboilersystemen geïnstalleerd moeten zijn in 2010, en een miljoen in 2020.

Energiebijdrage

De overheid heeft als doelstelling dat zonnepanelen en zonneboilers in 2020 samen een bijdrage leveren van 0,42 procent van het totale energieverbruik.

De ECN berekende dat de zonne-energie in 2020 een aandeel zal hebben van ongeveer 6 PJ in de energiebehoefte. Dat is ongeveer drie procent van het verwachte totale aandeel duurzame energie in 2020. Bij deze schatting schatten de onderzoekers de bijdrage van fotovoltaïsche systemen ongeveer twee keer zo hoog in als de bijdrage van zonneboilers. ECN heeft bij deze berekeningen wel een forse onzekerheidsmarge meegenomen. De overheid streeft echter naar een bijdrage van 4,2 procent van zonne-energie van het aandeel duurzame energie.

Voor de verre toekomst, omstreeks 2050, zal de bijdrage uit zonne-energie vooral komen van lokale (decentrale) systemen. Hierbij moeten we vooral denken aan passieve systemen en zon-thermische (warmte) systemen. Daarnaast kan met behulp van de zonne-energie waterstofgas geproduceerd worden.

In Duitsland is er een wedloop ontstaan op PV-systemen door de invoering van een nieuwe subsidieregeling. In deze subsidieregeling is geregeld dat je voor iedere geproduceerde kWh aan zonnestroom 45 tot 57 eurocent krijgt, gegarandeerd twintig jaar lang. De wedloop is zelfs zo erg dat de vraag uit Duitsland naar zonnepanelen het wereldwijde aanbod overstijgt.

In Spanje en Italië zijn soortgelijke subsidieregelingen in de maak. Dit zal de markt en ontwikkeling een enorme boost geven.

Toekomstvisie voor Europa

In een toekomstvisie van PV-Atrac opperen de onderzoekers dat Europa in 2030 ongeveer 350 keer zoveel elektriciteit opwekt door middel van de zon als in 2004. Dat komt dan neer op het gehele energieverbruik van Duitsland en Frankrijk bij elkaar. Deze voorspelling baseren de onderzoekers voortgang van technische vooruitgang, een hogere levensduur, bredere toepasbaarheid. Daarnaast gaat het rapport uit dat PV-systemen een standaard voorziening in elk nieuw huis zal zijn.