7.6 Zonne-energie
Naar de verwachting van astrofysici zal onze zon nog wel 5 miljard jaar schijnen voordat ze zal opzwel-len tot een witte reus, om daarna af te sterven tot een zwakke rode dwergster. Voorlopig kunnen we daarom er vanuitgaan dat er zonne¨ınstraling zal zijn, en dat we die kunnen benutten.
De zon straalt 600 tot 800 keer meer energie op aarde dan het totale energie gebruik is. Omgerekend staat de gemiddelde hoeveelheid zonneinstraling per vierkante meter gelijk aan 190 kilogram steenkool per jaar.
Figuur 7.6: Gemiddelde Zonneinstraling in Nederland (bron: KNMI)
Karakteristiek van zonnestraling van belang voor energiesysteemanalyses:
• de intensiteit van zonlicht en totale instraling neemt toe als je van de polen naar de evenaar gaat. • de intensiteit kent een vast patroon met de seizoenen
• zonlicht is slechts een deel van een etmaal beschikbaar is.
• de netto hoeveelheid straling die het aardoppervalk bereikt is afhankelijk van de toestand van de atmosfeer en bewolking.
Deze karakteristieken leiden deels tot voorspelbare verandering van het aanbod aan zonnestraling op elke plaats op aarde. In Nederland is de jaarlijkse instraling bijvoorbeeld ± 1000 [kWh/jaar] (zie figuur 7.6. Aan de kust is de instraling het hoogst. In het binnenland is het gemiddeld meer bewolkt.
Belangrijk is dat deze karakteristieken op veel plaatsen leiden tot een grillig aanbod - het weer is op gematigde breedtes immers veranderlijk. Om hier mee om te gaan zijn er verschillende technieken en systemen ontwikkeld om toch effectief gebruik te maken van zonneenergie. Grosso modo valt dit uiteen in:
• opslag als elektriciteit in accu of batterij
• opslag als warmte in opslagvat warm-water of warmte/koude opslag systeem in de ondergrond • aansluiting op een elektriciteits- en/of warmtenet
De momenteel aanwezige technieken voor die gebruik maken van zonne-energie zijn: • Zonneboilers
• Photovolta¨ısche (PV) zonnecellen
Hoofdstuk 7. Duurzame Energie
7.6.1 Zonneboiler
Een zonneboiler is een apparaat voor de produktie van warm water met behulp van de zon. In figuur 7.7 is het principe van de in Nederland en Noord-West Europa gebruikelijke zonneboilersystemen gegeven.
Figuur 7.7: Schema Zonneboiler
Het belangrijkste onderdeel van de zonneboiler is de collector die de straling van de zon opvangt en omzet in warmte. De collector is gemaakt van zwart, geleidend materiaal. Hij is zo geconstrueerd dat de collector een hoge absorptiefactor voor zonnestraling heeft en een laag verlies van warmte naar de buitenlucht. Achter de collector is een metalen plaat bevestigd die in contact staat met leidingen waardoor het medium loopt. De opgevangen warmte wordt via dit medium vervoerd naar de warmte-wisselaar in de voorraadtank. Via de warmtewarmte-wisselaar wordt het water in de voorraadtank opgewarmd. Als er vraag is naar warmwater, kan dit worden naverwarmd met behulp van een CV-ketel, geiser of warmtepomp.
In Noord-West Europa zijn zogenaamde indirecte systemen voorgeschreven om mogelijke gezond-heidsproblemen te voorkomen. Immers, warm water wordt in hoofdzaak gebruikt voor douche en bad. Omdat door het jaar heen de temperatuur van het water niet altijd boven de 60◦C zal komen, is er ge-vaar voor besmetting met de legionella-bacterie. Deze kan zich ontwikkelen in stilstaand water en voelt zich thuis bij temperaturen tussen de 25◦C en 50◦C . Een besmetting gaat via waterdamp of druppel-tjes, en kan leiden tot longontsteking, afsterven van ledematen en de dood. Daarom is het tegenwoor-dig een vereiste voor warmwatersystemen in woningen, hotels en bedrijfsgebouwen dat warm water ”uit de kraan” minstens verwarmd is tot 60
◦C - bij die temperatuur overleeft de eventueel aanwezige legionella-bacterie niet. Daarom zal een warmwatertappunt bijna altijd een mengkraan zijn.
Zonneboilers worden meestal op het dak geplaatst, zo dat de hoek met het aardoppervlak ongeveer 45 graden is. Op die manier wordt zoveel mogelijk direct zonlicht op gevangen. Het medium is meestal water, eventueel aangevuld met antivries. Het schema in figuur 7.7 geeft aan dat het medium door de collector circuleert via een pomp. Het is mogelijk het systeem zo te ontwerpen dat er geen pomp nodig is, door gebruik te maken van het zgn. siphon-effect. Ook kan het collector systeem zo worden geconstrueerd dat de collector vanzelf leegloopt als er geen zonnestraling is. Dan kan als medium gewoon water worden gebruikt.
7.6. Zonne-energie
In Nederland is een
”standaard” systeem ontwikkeld met een collector oppervlak van 2.37 [m
2]. Zo’n systeem heeft een jaaropbrengst van 3.5 [GJ]. Dat is veel minder dan (slechts ± 40% van) de totale jaarlijkse zonneinstraling op de collector. Het verschil wordt veroorzaakt door
• de seizoenen: ’s winters wordt te weinig zonneinstraling opgevangen, zomers te veel voor de warmwaterbehoefte van een standaardhuishouden
• het gebruikspatroon: de meeste gezinnen gebruiken ’s ochtends en ’s avonds warm water, maar niet overdag als de zon schijnt. Er treden dus verliezen op omdat het warme water moet worden opgeslagen, of (’s winters) er is ’s ochtends tekort. Als een gezin ’s avonds weinig water gebruikt, blijft een deel van het overdag opgewarmde water onbenut
• de effici¨entie van het systeem. De collector heeft een rendement van 70-80%; de warmtewisse-laar in het opslagvat een rendement van 80-90%(het oppervlak is immers niet oneindig groot). Daarmee wordt het totaal rendement van zon naar warmwater al begrensd tot ongeveer 60 ´a 70%
7.6.2 Photovolta¨ısche zonnecellen
Photovolta¨ısche zonnecellen - PV-zonnecellen zetten zonlicht rechtstreeks om in elektriciteit. De materialen in zonnecellen zijn halfgeleiders - hun elektrische eigenschappen liggen tussen die van geleiders (zoals de meeste metalen) en isolators (zoals de meeste plastics).
Figuur 7.8: Photovolta¨ısche Zonnecellen
Figuur 7.9: Centrale met photovolta¨ısche Zonnecellen
Elektrische stroom is de verplaatsing van elektronen in een materiaal. Als een materiaal dit toestaat, noemen we het geleidend; worden elektronen juist niet of heel slecht doorgegeven, dan noemen we het materiaal een isolator. Geleiding werkt op hoofdlijnen als volgt. In vaste materialen bevinden elek-tronen zich altijd op een bepaald energieniveau. Omgekeerd bevat elk materiaal energieniveaus waar elektronen zich kunnen bevinden. Het hoogste energieniveau in een materiaal dat bezet is noemen we de valentieband. Het niveau daar weer boven is leeg, en noemen we de geleidingsband. Immers, omdat dit energieniveau leeg is, kunnen elektronen zich eenmaal op dit energieniveau gekomen, vrijelijk door
Hoofdstuk 7. Duurzame Energie
het materiaal bewegen. Andersom, als een elektron aan de valentieband wordt onttrokken, dan kan het ontstane positieve gat vrijelijk door het materiaal bewegen.
De afstand in energieniveaus tussen de bovenkant van de valentieband en de onderkant van de geleidingsband is de bandafstand (engels: band gap). Voor isolatoren is deze zeer groot, voor metalen gelijk aan 0. Halfgeleiders hebben een beperkte bandafstand. Het energieverschil komt min of meer overeen met de energieinhoud van fotonen in zichtbaar licht.
Efoton= h · ν = h · c λ
Waarin:
• h: de constante van Planck • ν: de frequentie van het licht [/s] • λ: de golflengte van het licht [m]
Dat betekent dat als licht op een geschikte halfgeleidermateriaal valt, er elektronen verhuizen van de valentieband naar de geleidingsband, en er in principe een stroom kan lopen. Echter, all´e´en een halfgeleider is niet voldoende, want de elektronen zullen gemiddeld na korte tijd weer terugvallen van de geleidingsband naar de valentieband, onder afgifte van warmte. Er gaat pas een bruikbare elektrische stroom lopen als de zonnecel een elektrisch potentiaalverschil cre¨eert.
Dat kan door halfgeleider materiaal zoals Silicium (Si) te doteren zodat n- en p-type halfgeleiders ontstaan. Dotering met Arseen, As, geeft een goed n-type halfgeleider - elektronen kunnen gemakkelijk naar de geleidingsband springen. Dotering met Gallium (Ga daarentegen geeft een p-type halfgeleider, waarin zich juist ”elektrongaten” in de valentieband bevinden, virtuele positieve ladingen die door het materiaal heen kunnen bewegen. Door nu een p- en n-type halfgeleider te combineren wordt een materiaal verkregen waar een asymmetrische ladingsverdeling zal ontstaan, en daarmee een elektrisch potentiaalverschil, op het moment dat er zonlicht op valt. Door beide te verbinden via een elektrische weerstand zal er een elektrische stroom gaan lopen die nuttig kan worden gebruikt.
Het theoretisch maximale rendement van PV-zonnecellen is 50%. Dat komt onder meer omdat niet het gehele lichtspectrum kan worden benut, en er ook licht is dat teveel energie bevat (per foton meer dan de bandafstand). Het verschil komt vrij als warmte.
De op dit moment commercieel verkrijgbare panelen hebben een rendement van ongeveer 16% Er wordt gewerkt aan verschillende nieuwe typen zonnecellen, ondermeer op polymeer folie. Ook zijn concepten ontwikkeld om zonlicht te concentreren op PV-cellen met behulp van Fresnel-lenzen. Zo kan het zonlicht van bijvoorbeeld een halve vierkante meter geconcentreerd worden op een cel van enkele vierkante centimeters.
Het grote voordeel van PV-zonnecellen is dat ze relatief eenvoudig zijn en veelzijdig; kleinere platen met cellen kunnen makkelijk vervoerd worden en op vele manieren toegepast worden. Dat is bijvoor-beeld een voordeel op plaatsen waar geen elektriciteitsnet aanwezig is. Dat is in veel landen ter wereld eerder regel dan uitzondering. In Nederland wordt zonne-energie gebruikt voor signalering langs we-gen, meetnetten, door agrari¨ers voor schrikdraad, drinkwaterpompen etc.. In dit soort situaties is de hogere prijs van zonne-energie te rechtvaardigen - de kosten voor het aanleg van meer elektriciteits-leidingen worden immers uitgespaard. En soms is aanleg van elektriciteitskabels eenvoudigweg niet mogelijk of toegestaan.
Voor stroomlevering aan woningen of bedrijfspanden vraagt een Zon-PV installatie niet alleen aan-schaf van (nog steeds dure) solar panels, maar ook om professionele plaatsing (veelal op schuine daken), omvormers en gecertificeerde aansluiting op de elektrische installatie in huis. Dat brengt enkele honder-den tot duizenhonder-den euros extra kosten met zich mee. Dat betekent in totaal een hoge initi¨ele investering, op dit moment (2011) ongeveere9000 voor een systeem dat zo’n 2000 [kWh] stroom genereert per jaar. De terugverdientijd (bij een elektriciteitsprijs van 0.25 [e/kWh] leidt bij deze aannames tot een terug-verdientijd van 18 jaar (bij een rentepercentage van 0 %).
In Californi¨e onstond na de blackouts van het elektriciteitsnet in 2001 een run op zon-PV ((Spiro and Stigliani, 2003)). Zon-PV wordt door velen gezien als een manier om min-of-meer onafhankelijk van het elektriciteitsnet stroom op te wekken en beschikbaar te hebben. In Nederland is het elektriciteitsnet
7.6. Zonne-energie
Figuur 7.10: Ontwikkeling van photovolta¨ısche zonnecellen (bron NREL, 2009)
echter zeer betrouwbaar en dicht. Daarmee vervalt dit voordeel, terwijl de kosten nog steeds hoog zijn. De afgelopen jaren is de prijs van solar panels wel steeds gedaald, soms met sprongen, terwijl de laatste jaren de elektriciteitsprijs fors is gestegen (m.u.v. de crisisjaren 2008 en 2009). In Europa wordt met het afschakelen van een aantal oudere Duitse kerncentrales ook een verhoging van de elektriciteitsprijs verwacht.
7.6.3 Zonnecentrales - Concentrated Solar Power
Zonnecentrales zijn vaak grootschalige installaties waarbij zonlicht met behulp van spiegels gecon-centreerd wordt om water of een ander medium op te warmen. Dit zijn de Concentrated Solar Power centrales, kortweg CSP genoemd. De in een CSP geconcentreerd zonnewarmte wordt gebruikt in een klassieke Rankine-cyclus, waarin ze wordt omgezet in elektriciteit en restwarmte (die dient te worden weggekoeld).
Er zijn vier typen concentrators die gebruikt worden voor CSP: • Parabolic Dish (figuur 7.11)
• Parabolic Trough (figuur 7.12) • Solar Tower (figuur 7.13)
• Linear Freshnel Mirror (figuur 7.14)
De parabolische schotel is te vergelijken met een radio-telescoop of ruimte-telescoop. Een parabo-lische spiegel concentreert het licht naar een ontvangst module in het brandpunt van de spiegel. Daar loopt water of een ander medium doorheen dat de geconcentreerde zonnewarmte afvoert.
De parabolische trog is in een aantal installaties toegepast, relatief goedkoop en eenvoudig. De trog kan in een vaste opstelling worden neergezet. Ze bestaat een een cylindervormige spiegel (die tientallen meters lang kan zijn), met in het brandpunt een leiding waar het water doorheen stroomt. Met een trogsysteem kan water/stoom van ongeveer 400-500◦C worden gemaakt.
Een zonnetoren is in feite een opschaling van de parabolische schotel. In een (rond) veld rond een toren, waarop zich de ontvanger bevindt, staan honderden tot duizende spiegels opgesteld, die het zon-licht naar de ontvanger op de toren kaatsen. Het medium - in tot nu toe gebouwde centrales vloeibaar Lithium Li bereikt zeer hoge temperaturen - boven de 2000◦C . Daarmee kan prima een Rankine cyclus van warmte worden voorzien; de ontvanger kan eveneens als opslag fungeren, waarmee (een deel van) de nacht kan worden overbrugd.
In plaats van troggen of parabolische spiegels kan zonlicht ook met lenzen worden geconcentreerd - het bekende”branden met een leesloep”. Grote lenzen kunnen relatief plat gemaakt worden door het
Hoofdstuk 7. Duurzame Energie
Figuur 7.11: Parabolische schotel
Figuur 7.12: Parabolische trog
Figuur 7.13: Zonnetoren