white space

Zonne-energie

1 Wat is zonne-energie?

Zo’n vijftig jaar geleden, op 17 maart 1958, gingen op een satelliet de eerste zonnecellen de ruimte in. Ze waren een cm² groot en zaten met zes op een paneeltje. Acht van die paneeltjes hebben zes jaar lang genoeg zonlicht in elektriciteit omgezet om de satelliet de Vanguard I van 50 mW aan stroom te voorzien.

Er zijn inmiddels zonnepanelen die tientallen jaren lang tienduizend Watt vermogen kunnen leveren. Zonnestroom is nog volop in ontwikkeling. Er wordt rond de techniek, de uitvoering en de kostprijs, de komende decennia nog veel vooruitgang verwacht.

Zonnepanelen worden gebruikt in rekenmachines tot en met openbare elektriciteitsvoorzieningen. Elk jaar bereikt er genoeg zonlicht Nederland om 500 keer in de elektriciteitsbehoefte te voorzien, hiervoor worden zoveel mogelijk geschikte locaties gezocht op bijvoorbeeld daken van huizen. Om zonne-energie te benutten zijn er drie methoden: passieve zonne-energie, actieve thermische zonne-energie en fotovoltaïsche zonne-energie.

1.1 Passieve zonne-energie

Bij passieve zonne-energie wordt de zon zonder tussenkomst van installaties, direct of indirect benut. Een gebouw wordt zo ontworpen dat zonlicht en zonnewarmte optimaal worden ingevangen, opgeslagen en getransporteerd. Hierbij spelen oriëntatie, de grootte van ramen, indeling van het gebouw, optimale isolatie en bouwmassa een rol. Een voorbeeld van passieve zonne-energie is een serre. Hierin wordt ventilatielucht door de zon voorverwarmd, terwijl afkoeling via de gevel wordt beperkt.

1.2 Actieve thermische zonne-energie

Bij actieve thermische zonne-energie wordt een installatie gebruikt om energie van de zon op te vangen. In de installatie wordt direct zonlicht omgezet in warmte. De warmte wordt dan opgevangen door een warmtedragende stof, meestal water. Dit wordt dan gebruikt voor bijvoorbeeld warm water of centrale verwarming.

1.3 Fotovoltaïsche zonne-energie

Fotovoltaïsche zonne-energie wordt vaak afgekort naar PV (van het Engelse photovoltaic) of zonnestroom. Voor zonnestroom wordt gebruik gemaakt van zonnecellen, die licht omzetten in elektriciteit. Meerdere zonnecellen vormen een zonnepaneel. De zonnecellen die tegenwoordig gemaakt worden, worden gemaakt van een dunne laag siliciumkristallen. Aan de boven- en onderkant is dit materiaal bewerkt, waardoor invallend licht elektronen losmaakt en een spanningsverschil veroorzaakt.

2 Hoe werkt zonne-energie?

2.1 Zonneboilers

Het water in een tuinslang die de hele dag in de zon heeft gelegen, kan al behoorlijk warm worden. Door het gebruik van zonneboilers maken we op een slimme manier gebruik van dat principe. Zelfs in de winter wanneer de zon maar een paar uur schijnt, kan een zonneboiler voldoende warm water maken voor het dagelijkse gebruik van warm tapwater.

Een zonneboiler bestaat uit een zonnecollector en een voorraadvat. De zonnecollector vangt zonlicht op. Zo’n collector bestaat uit een donker gekleurd buizenstelsel dat afgedekt is met een vlakke glasplaat. De vloeistof (bijvoorbeeld water) dat door het buizenstelsel stroomt wordt verwarmd door het zonlicht. Bij felle zon kan de temperatuur van het water oplopen tot 90ºC. De collector wordt op het dak geplaatst. Het warme water wordt dan bewaard in een voorraadvat omdat de productie van de warmte met behulp van een zonnecollector niet gelijk is aan de warmtevraag. Bij een geopende warmwaterkraan stroomt het koude leidingwater via een warmtewisselaar door het opgewarmde voorraadvat naar de kraan. Als het water niet warm genoeg is, dan brengt bijvoorbeeld de Cv-ketel, de geiser of een warmtepomp het water op de gewenste temperatuur. Dit proces heet naverwarming.


Figuur 1: zonne-boiler

2.2 Fotovoltaïsche energie

Het proces waarmee een zonnecel werkt heet fotovoltaïsche omzetting: de omzetting van licht naar elektriciteit. Veelgebruikt is de afkorting “PV”, dat stamt van het Engelse woord ‘photovoltaic’. De meest gebruikte zonnecel is gemaakt van silicium. Silicium bestaat uit twee lagen, de zogenaamde N-laag en P-laag. Het verschil in de twee lagen ontstaat door kleine chemische toevoegingen, hierdoor ontstaat een spanningsverschil over het scheidingsvlak vergelijkbaar met de plus en de min van een batterij. Onder invloed van licht worden er extra elektronen in de zonnecel losgemaakt. Door een verbinding tussen beide lagen te maken, gaat er een
elektrische stroom lopen. Voor het op gang komen van het fotovoltaïsche proces hoeft de zon niet per sé vel te schijnen, ook op een bewolkte dag kan een zonnecel elektriciteit leveren.


Figuur 2: fotovoltaïsche energie

Materiaal zonnecellen

Voor de huidige toepassingen van zonnecellen wordt silicium als basis gebruikt. Er zijn drie verschillende typen cellen te onderscheiden:

  1. Monokristallijn silicium zonnecellen zijn gemaakt van siliciumplakken, die uit een groot donkerblauw ‘monokristal’ zijn gezaagd. Dit alles is een kostbaar en traag proces.
  2. Multikristallijn silicium zonnecellen worden gegoten en zijn goedkoper en eenvoudiger te maken dan monokristallijn silicium. Het rendement van deze cellen ligt in het algemeen iets lager dan dat van monokristallijn zonnecellen.
  3. Amorf silicium wordt niet zoals beide voorgaande kristallijnmaterialen uit een blok silicium gezaagd, maar wordt op een ondersteunend materiaal ‘opgedampt’. Door het gebruik van relatief weinig silicium en een versimpeld productieproces kunnen kostprijsverlagingen plaatsvinden.

Van zonnecellen en –panelen naar PV-systemen

Zonnecellen worden meestal aan elkaar gekoppeld en ondergebracht in een zonnepaneel. Panelen met zonnecellen leveren gelijkspanning van 12 of 24 Volt. In zo’n paneel zijn de cellen tegen weer en wind bestand. Meer zonnepanelen maken doorgaans deel uit van een compleet systeem, een zogenaamd PV-systeem. Andere componenten van een PV-systeem zijn hulpmiddelen zoals kabels, regelapparatuur en een draagconstructie. De PV-systemen kunnen gebruikt worden voor autonome en (elektriciteits-)netgekoppelde toepassing.

2.3 Plaatsing van de zonnecellen

De opbrengst van een zonnepaneel is afhankelijk van de hellingshoek van het paneel en de richting waarin het paneel staat. De opbrengst is optimaal wanneer het paneel een hellingshoek heeft van 36° en gericht is op het zuiden.


Figuur 3: plaatsing zonnecellen

Een gangbaar zonnepaneel van 1 m2 heeft een zogenaamd piekvermogen van 100 Watt-piek. Het piekvermogen is het maximale vermogen dat bij maximale zon-instraling onder vastgestelde condities wordt geleverd. In Nederland levert een autonoom PV-systeem van 1 m2 ongeveer 40 kilowattuur per jaar. Een netgekoppeld PV-systeem levert in Nederland ongeveer 80 kilowattuur per jaar. Het gebruik van een netgekoppeld PV-systeem van 4 m2 komt overeen met tien procent van het gemiddeld huishoudelijk elektriciteitsverbruik of met het verbruik van een koelkast.

Het verschil in opbrengst tussen de twee verschillende PV-systemen komt door het gebruik van de accu bij een autonoom systeem; wanneer de accu vol is, worden de zonnepanelen uitgeschakeld zodat er geen zonlicht meer omgezet wordt in elektriciteit.

3 Voor en nadelen van zonne-energie

3.1 Voordelen

Productie van elektriciteit uit aardgas of steenkool brengt blijvende schade toe aan ons milieu. Bij de verbranding van deze brandstoffen komen schadelijke gassen vrij. Eén daarvan is het broeikasgas CO2 dat bij door groeiende uitstoot zelfs tot een verandering van ons klimaat kan leiden. Vrijkomende stikstofoxiden en zwaveloxiden veroorzaken zure regen. Daarnaast zullen de brandstofvoorraden op lange termijn opraken. Afhankelijkheid van deze bronnen maakt de energievoorziening kwetsbaar. Toepassing van fotovoltaïsche zonne-energie brengt geen uitstoot van schadelijke gassen met zich mee en doet geen aanslag op schaarse hulpbronnen.

3.2 Nadelen

Een nadeel van zonne-energie is dat de zonnepanelen heel duur zijn, en niet iedereen vindt ze mooi op de daken staan.

4 Zonne-energie in Nederland

4.1 Stand van zaken

Zonne-PV is sinds begin jaren negentig volop in ontwikkeling. In 1999 werd ruim 3.100 kilowattpiek bijgeplaatst. Het totaal in Nederland geplaatst vermogen van autonome en netgekoppelde systemen werd hiermee per 1 januari 2000 ongeveer 9.600 kilowattpiek (9,6 megawattpiek). De hoeveelheid zonne-elektriciteit die hiermee kan worden geleverd is ca. 6.000.000 kilowattuur en is daarmee gelijk aan het elektriciteitsverbruik van bijna 2.000 huishoudens. In 1999 is 1,3 keer zoveel bijgeplaatst ten opzichte van 1998. De stijging wordt
bijna geheel gerealiseerd door plaatsing van netgekoppelde PV-systemen.


Figuur 4: bijgeplaatst vermogen aan zonne-energie

De overheidsdoelstelling voor fotovoltaïsche zonne-energie is ca. 1.500 megawattpiek aan PV-systemen in 2020. Dit is ongeveer 4,2% van de totale doelstelling voor duurzame energie en komt overeen met de elektriciteit behoefte van ongeveer 400.000 huishoudens. In 2007 moet er dan 300 megawattpiek aan PV-systemen opgesteld zijn (verbruik van 75.000 huishoudens).

Op zonne-energie zijn ook subsidies, zoals de Regulerende Energiebelasting (REB), Energiepremie 2002 (EPR), Groen beleggen, Willekeurige Afschrijving Milieu investering (Vamil), Energie-investeringsaftrek (EIA), Subsidie regeling Energievoorziening in de Non-profit en bijzondere sectoren (EINP) en het CO2-reductieplan, van toepassing. Het beleid van energiebedrijven en gemeenten is ook gericht op het bieden van financiële middelen voor de aanschaf van PV-systemen, maar dit verschilt per energiebedrijf en gemeente. Energiebedrijf en gemeente werken vaak samen bij het toepassen van PV-systemen in nieuwbouwprojecten.

4.2 Kosten

PV-systemen zijn relatief kostbaar. Investeringskosten voor netgekoppelde systemen bedragen ongeveer € 700,- voor een paneeloppervlak van 1 m2. Per opgewekte kilowattuur kost dat daarmee ongeveer € 0,70. Een autonoom systeem is door het gebruik van accu’s duurder. Voor een systeem met hetzelfde paneeloppervlak zijn de investeringskosten ongeveer € 1.400,-. De kosten per kilowattuur liggen daarom € 2,75 hoger.
Ondanks deze hoge kosten kan autonome zonne-PV bij afwezigheid van een elektriciteitsnet of aansluiting een goed alternatief zijn voor elektriciteitsopwekking. De investeringskosten zijn sterk afhankelijk van de toepassingen en zullen in de toekomst dalen.

4.3 Nieuwe ontwikkelingen

In laboratoria en proefproductielijnen wordt hard gewerkt aan de ontwikkeling van nieuwe PV-technologieën. De ‘dunne film’ zonnecel is één van deze nieuwe technologieën. Deze ‘dunne film’ zonnecellen hebben een laag gewicht, zijn flexibel en door het gebruik van relatief weinig silicium kan de kostprijs verlaagt worden. Verder zijn er organische cellen in ontwikkeling die gebruik maken van lichtabsorptie in organisch materiaal (kleurstof). De belangrijkste reden achter deze ontwikkeling is dat de kostprijs verder omlaag moet.

Een andere ontwikkeling op het gebied van PV-technologieën zijn gekoelde zonnepanelen. Het rendement van zonnepanelen neemt toe naarmate de temperatuur lager is, tevens kan de warmte die bij het koelen vrijkomt weer gebruikt worden.

Bronnen: Informatiecentrum Duurzame-energie / www.zonnewarmte.nl / Nuon
Welkom op Engineering-online.nl
hier ben je nu: Duurzame Energie / Zonne-energie