Zonne-energie

Voor landen waar de zon bijna de hele dag schijnt bestaat een goede technologie om zonne-energie te oogsten: geconcentreerde zonne-energie, ook wel thermische zonne-energie genoemd. Hierbij worden de zonnestralen door middel van spiegels samengebracht op een klein oppervlak, waar een hoge temperatuur ontstaat. Met die hoge temperatuur wordt stoom gemaakt, waarmee net als in een gewone centrale elektriciteit wordt opgewekt. In Californië functioneren sinds de jaren 80 een aantal CSP-centrales met een gezamenlijk piekvermogen van 350 MWe naar volle tevredenheid. CSP kan gecombineerd worden met gesmolten zout. Overvloedige warmte kan overdag gebruikt worden om zout te smelten, om 's nachts teruggewonnen te worden. Hiermee wordt zonne-energie een betrouwbaardere bron van energie.

Een minder toegepaste techniek is de zonnetoren. Lucht wordt opgewarmd door zonnewarmte onder een cirkelvormig doorschijnende collector die aan de rand open is. Zo vormt het doorschijnende dak samen met de grond een opslagruimte voor door de zon opgewarmde lucht. In het midden van de cirkel staat een verticale toren, die aan de basis een grote doorsnede heeft. Omdat hete lucht lichter is dan koude lucht, stijgt deze op door de toren. De toren zuigt meer lucht aan en er wordt nieuwe koude lucht aangevoerd aan de rand van de opslagruimte. Een continue stroom van lucht kan bereikt worden door met water gevulde buizen onder het dak te plaatsen. Overdag warmen deze op en ’s nachts geven ze hun warmte af. Zo is er sprake van een constante stroom veroorzaakt door zonnewarmte. De energie die ontstaat bij deze opwaartse stroom lucht wordt door windturbines omgezet in mechanische energie en met generatoren wordt deze mechanische energie omgezet in elektrische energie.

Zoals in de introductie al vermeld, is de potentiële hoeveelheid zonne-energie vele malen groter dan het elektriciteitsverbruik van de gehele mensheid.

De zonneconstante, de maximale hoeveelheid energie die per vierkante meter per tijdseenheid op het oppervlak valt, bedraagt circa 1367 watt per vierkante meter. Deze vormt dan ook een beperking voor de maximale opbrengst. Over het algemeen geldt dat er veel oppervlakte nodig is voor zonne-energie ten opzichte van andere technieken. In gebieden met weinig wolken waar de zon hoog in de hemel staat is zonne-energie het voordeligst. Toch is het in gematigde streken ook steeds vaker economisch voordelig ten opzichte van fossiele energie.

Ter illustratie van het potentiële vermogen van grootschalige zonne-energie het volgende voorbeeld. Het energiegebruik van Europa bedraagt ca. 10²⁰ joule per jaar (ruim 3 × 10¹² watt). Op basis van een energieopbrengst met een rendement van ca. 15% zou een gebied in de Sahara met een oppervlakte van netto ca. 50.000 vierkante kilometer voldoen voor alle energie die in Europa wordt gebruikt. Zie het oranje gebiedje op het kaartje in de Sahara. Dit is exclusief ruimte voor wegen, wonen en werken in het gebied van de zonnecentrale. En mits het probleem van energieopslag en -transport wordt opgelost. Voor een dergelijke zonnecentrale in Zuid-Europa (bijvoorbeeld Spanje, zie de illustratie) zou grofweg het dubbele oppervlak nodig zijn. Met vanzelfsprekend dezelfde kanttekening m.b.t. logistiek en opslag zoals hiervoor genoemd. Bovendien gaat bij noordelijker gelegen centrales het verschil tussen de seizoenen een grotere rol spelen.

Sinds de jaren tachtig is het ontwikkelen van een auto op zonne-energie een belangrijk doel voor ingenieurs. Het was dan ook dat de grootste race voor auto's op zonne-energie in 1987 van start ging, de Australische World Solar Challenge. Over een afstand van ruim drie duizend kilometer wordt slechts gereden met behulp van zonne-energie. Het team van de TU Delft heeft de wedstrijd meermaals gewonnen. Het snelste team ooit haalde een gemiddelde snelheid van ruim 100 km/h. Elektrische auto's zonder eigen zonnepanelen kunnen toch op zonne-energie rijden door de batterij op te laden met stroom afkomstig uit zonnepanelen op het dak van een gebouw.[1][2]

In 1975 werd de eerste boot op zonne-energie gemaakt. Sindsdien is het gelukt een boot te maken die de hele wereld over kan varen op zonne-energie.[3] Het TU Delft Solar Boat Team bouwt een boot op zonne-energie. Een kleinschalig voorbeeld is het fiets- en voetveer 't Leeuweveerke dat voorzien is van zonnepanelen.[4]

In 2016 lukte het ook met het zonnevliegtuig Solar Impulse de wereld om te gaan.[5]

Zonnepanelen op een woning

Een voordeel van zonnepanelen is het feit dat men elektrische energie kan verkrijgen op plaatsen waar het moeilijk, of onmogelijk is, om elektrische leidingen te leggen. Hierbij wordt over het algemeen wel gebruik gemaakt van opslag (e.g. accu's) en een DC/DC converter om het fluctuerende DC-vermogen te stabiliseren.

Zonnecentrale op basis van spiegels en een stoomturbine in Sevilla (Spanje)

Aardolie, aardgas en steenkool zijn eigenlijk ook afgeleide vormen van zonne-energie. Ze werden gevormd uit de restanten van levende wezens in het geologisch verleden; allemaal ondersteund door fotosynthese. De snelheid waarmee we deze bronnen momenteel verbruiken wordt echter bij lange na niet bijgehouden door de snelheid waarmee door fotosynthese nieuwe organische brandstoffen worden aangemaakt. Ook waterkracht is een vorm van zonne-energie: het water verdampt door zonnewarmte, wordt door wind (ook een gevolg van temperatuurverschillen) omhoog getransporteerd, valt als regen weer op een berg of hoogte en de potentiële zwaartekrachtenergie van de massa van het water wordt als elektriciteit weer teruggewonnen bij het naar een lager niveau vallen of - stromen. Ook windenergie bestaat uitsluitend bij de gratie van door de zonnewarmte opgewekte temperatuurverschillen. Slechts getijdenenergie, geothermische energie en kernenergie zijn niet te herleiden tot zonne-energie, hoewel kernenergie gebruikmaakt van zware elementen die alleen in een supernova (ontploffing van een ster in zijn laatste levensstadium) konden ontstaan, maar dat was dus niet 'onze' zon.