Zonne-energie

'De zonne-energie die de aarde in een tijdspanne van één uur bereikt, is gelijk aan het stroomverbruik van de menselijke beschaving op een heel jaar, aldus het wetenschappelijk vakblad Nature. De kwestie is alleen om die energie in elektriciteit om te zetten. Het is een beeld dat zonneboeren over de hele wereld graag gebruiken, maar wordt het ooit realiteit?

Uiteraard zal zonne-energie slechts één van de componenten zijn in de energiemix van de toekomst, zij het een belangrijke. Voor wat het heden betreft, is er nog heel wat werk aan de winkel inzake het efficiënter en goedkoper maken van het winnen van stroom uit zonlicht. Een heikele kwestie in dat verband is het enorme waterverbruik van installaties die zonlicht via zonnespiegels omzetten in elektriciteit. En natuurlijk wordt er ook naarstig gewerkt aan oplossingen voor die momenten waarop de zon niet schijnt.

Zonne-energie is een snel groeiende bedrijfstak. In de VS kwamen er in de loop van 2008 een kwart installaties bij, wat het totale vermogen op 882 MW brengt voor de tien grootste zonneparken alleen. In België hebben momenteel meer dan 30.000 fotovoltaïsche installaties een gezamenlijk vermogen van 160.000 Kw-piek (Cijfers van eind augustus 2009. Bron: VREG). En er wordt overal naarstig verder geïnstalleerd. De Amerikaanse Solar Electric Power Association kondigde aan om in de loop van de komende zeven jaar meer dan 7.500 MW aan extra vermogen te installeren. Weliswaar nog altijd een schijntje van de meer dan 1 miljoen MW die de elektriciteitssector in de VS kan produceren (zie wired.com).

Hoe dan ook, in een toekomstscenario waarin duurzame energie de boventoon voert, kan je niet om zonne-energie heen. WWF schat in dat zonne-energie tegen 2050 8% van de energievoorziening van de wereld voor zijn rekening zal nemen (5% fotovoltaïsch, 2% thermisch-elektrisch en 1% thermisch). De Europese fotovoltaïsche industriefederatie EPIA gelooft zelfs dat 12% zonnestroom in het elektriciteitsverbruik haalbaar is tegen 2020 (zie setfor2020.eu).

Concentrated Solar Power

De meest bekende manier om zonne-energie in elektriciteit om te zetten is via fotovoltaïsche cellen. Het zonlicht kan echter ook via zogenaamde Concentrated Solar Power-technologie (CSP) in elektriciteit worden omgezet. De meest geschikte zone voor toepassing van deze technologie situeert zich tussen de 35ste noordelijke breedtegraad en 35 graden zuiderbreedte. Het grootste deel van de VS, de Russische federatie en Noord-Europa vallen uit de boot, maar in Zuid-Europa, de Zuidelijke VS, het grootste deel van Zuid-Amerika, Afrika, het Zuiden van Azië en Oceanië zijn er bijzonder veel mogelijkheden voor CSP. Eind 2008 was CSP wereldwijd goed voor 400 MW vermogen. Momenteel zijn er in Europa voor zo'n 750 MW aan thermische zonnecentrales in aanbouw of al operationeel. De Europese vakvereniging Estela mikt op 2.000 MW tegen 2012 en acht een geïnstalleerd vermogen van 30.000 MW tegen 2020 mogelijk. Momenteel zijn er verschillende CSP-technologieën operationeeel, de ene al meer experimenteel dan de andere.

CSP centrale in Sanlucar La Mayor, Spanje (Marcelo Del Pozo / Reuters)

Het systeem van de parabolische trog bewijst zijn commerciële deugdelijkheid al sinds 1984. Trogvormige parabolische zonnespiegels weerkaatsen de zonnehitte op een buis die door het brandpunt van de spiegels loopt. Door die buis stroomt een vloeistof – doorgaans olie – die op zijn beurt gebruikt wordt om water tot stoom te verhitten en een turbine aan te drijven. De nieuwe Andasol zonneparken in de buurt van het Spaanse Granada werken volgens dit principe. De drie parken met een totale oppervlakte van een miljoen vierkante meter zullen 150 MW vermogen ontwikkelen, ideaal om de zomerpieken op te vangen van de airconditioningstoestellen. Andasol beschikt bovendien over een opslagsysteem met gesmolten zout om de warmte nog 7,5 uur vast te houden en te gebruiken nadat de zon is ondergegaan. Het vermogen van een zonnetrogsysteem kan oplopen tot 250 MW. De kostprijs van de elektriciteit van Andasol bedraag 27 eurocent per kWh.

Bij zonnetorens concentreren grote, vlakke, bewegende spiegels de zonnestralen op een ontvanger in de top van de toren. Daar kunnen temperaturen tot 600° C worden bereikt. DE PS10-toren in de buurt van het Spaanse Sevilla is de eerste commerciële zonnetoren ter wereld (zie foto rechts, © Marcelo Del Pozo/Reuters). Het zonneveld bestaat uit 624 spiegels van 120 m2, de toren is 115 m hoog en het vermogen van de installatie bedraagt 11 MW. Een tweede toren met een vermogen van 20 MW is ondertussen ook operationeel. De kostprijs van deze elektriciteit is nog niet officieel bekend.

Het Stirling schotelsysteem concentreert de zon via gebogen spiegels op een brandpunt waarin zich een heteluchtmotor of Stirlingmotor bevindt. De parabolische schotel volgt de zon de hele dag lang en de Stirlingmotor is met een rendement van 31,25 % de efficiëntste manier om zonnestralen in elektriciteit om te zetten. Grootschalige toepassingen bleven tot op heden uit, er loopt wel een pilootproject in New Mexico en een 1,5MW-installatie met 60 spiegels zal nog voor het einde van 2009 operationeel zijn in Arizona.

Een kwestie die voor hoofdbrekens zorgt bij het opzetten en operationeel houden van CSP-technologie is het gebruik van water. Het water dat door de zonnespiegels tot stoom is verhit, moet weer afgekoeld worden voor het aan een nieuwe cyclus doorheen het systeem kan beginnen. Dat kan eenvoudigweg door het water af te koelen in een koeltoren, waarbij de hitte verdampt. In zo'n systeem moet voortdurend water worden toegevoegd, wat geen evidentie is in de woestijnen en andere droge, zuidelijke gebieden die zo geschikt zijn voor deze vorm van elektriciteitsopwekking. Het water kan ook gekoeld worden in een gesloten circuit, zoals in een Stirlingmotor. Een 'droog' koelsysteem is ook toepasbaar bij de andere vormen van CSP. Het is in feite een variant op het koelsysteem van onze auto's: een radiator die met behulp van een ventilator en warmtewisselaars een vloeistof afkoelt. Nadeel is dat zo'n systeem extra kosten met zich meebrengt en de efficiëntie vermindert, maar het is te verkiezen boven natte koelsystemen die honderden miljoenen liter water zouden verbruiken middenin gebieden die geplaagd worden door waterschaarste.

Fotovoltaïsche cellen

De meest bekende en meest toegepaste manier om elektriciteit in stroom om te zetten is met behulp van kristallijn siliciumzonnecellen. Hun waterverbruik beperkt zich overigens tot het water dat nodig is om ze af en toe schoon te maken. Het fotovoltaïsche effect bestaat erin dat een zonnecel fotonen uit het zonnelicht absorbeert en zo een elektron doet vrijkomen. Het is voorlopig kiezen tussen betaalbare en niet ontzettend efficiënte systemen (die zichzelf weliswaar in Vlaanderen met subsidie binnen de zeven jaar terugverdienen) en superefficiënte maar peperdure systemen. Rendement is trouwens relatief zo lang je maar over voldoende oppervlakte beschikt: 10 m2 kristallijne zonnecellen hebben evenveel vermogen in kw-piek en een identieke jaarlijkse stroomproductie als 20 m² dunnefilm-zonnecellen.

Zonnepanelen in Portuga (Foto: Europese Commissie)

De meest gangbare fotovoltaïsche modules zetten zonlicht om in gelijkstroom tegen een efficiëntie van 14 à 16%. Er bestaan ook veel efficiëntere en duurdere hoogrendementszonnecellen, die bijvoorbeeld gebruikt worden voor de stroomvoorziening van satellieten. Zij bereiken een efficiëntie van 35% en bestaan uit op elkaar gestapelde zonnecellen uit verschillende materialen, die in staat zijn bijna het hele spectrum van het zonnelicht te absorberen. De hoogst rendabele galliumarsenide-zonnecellen drijven onder andere de marsrobots Spirit en Opportunity aan en ook de zonne-auto waarmee de ingenieursstudenten van het Solar Team Twente uit Nederland deelnemen aan de World Solar Challenge 2009 in Australië, een race van 3010 kilometer dwars door Australië.

Dat is, tussen haakjes, een sympathieke en mediagenieke manier om het gebruik van fotovoltaïsche cellen onder de aandacht te brengen, maar het is een illusie dat voertuigen, vliegtuigen of boten ooit rechtstreeks door zonnecellen zullen worden aangedreven. PV-cellen kunnen wel een belangrijke aanvullende rol spelen bij voertuigen. Zonnecellen op auto's kunnen bijvoorbeeld de ventilatie op gang houden terwijl de motor uit staat, zodat de batterij daarvoor niet moet worden aangesproken. Elektrische auto's kunnen wel degelijk op zonnestroom rijden, maar dan op de stroom die via een grote stationaire (thuis)installatie is opgewekt en in batterijen is opgeslagen.
Wanneer wordt door PV-cellen opgewekte zonne-energie competitief met grijze stroom? Het European PV Technology Platform schat dat stroom tegen 2015 à 2020 in Zuid-Europa aan 0,15 tot 0,12 euro/kWh kan worden opgewekt (competitief met de huidige kleinhandelsprijs) en tegen 2030 aan 0,06 eurocent (competitief met de groothandelsprijs van elektriciteit). Op lange termijn moet PV-stroom zo'n 0,03 €/kWh gaan kosten en zal een Zuid-Europese PV-installatie zichzelf op 3 maand terugbetalen (Meer info: A Strategic Research Agenda for Photovoltaic Solar - Energy Technology (pdf, 4.79 MB)).

En als de zon niet schijnt?

Zolang zonne-energie een klein aandeel in de totaal geproduceerde stroom heeft, is de opslag van zonne-energie niet aan de orde. In eerste instantie is het – zoals met alle hernieuwbare energie – vooral zaak om werk te maken van een decentraal elektriciteitsdistributienetwerk dat de schommelingen in stroomproductie kan opvangen. Op middellange termijn is de opslag van energie wel interessant, om de schommelingen in de productie af te vlakken en te controleren. Zo ontwikkelt de Saft Group, een producent van hoogtechnologische batterijen, een 10 kWh-batterijsysteem voor thuisgebruik waarbij opgeslagen elektriciteit wordt aangewend voor thuisgebruik, of doorgegeven aan het elektriciteitsnetwerk op het moment dat het elektriciteit nodig heeft en wanneer elektriciteit het meeste opbrengt. Het is een vorm van 'time shifting' waarbij de overproductie van een installatie tijdens de middaguren wordt opgeslagen en aangewend om de avondpiek op te vangen (Zie Residential PV Systems combined with Energy Storage Sol-ion and other examples - Michael Lippert (pdf, 755 KB)).