Duitsland bereikte mei 2012 gedurende enkele uren voor het eerst het punt waarop meer elektriciteit opgewekt werd door middel van alternatieve energiebronnen dan door fossiel. Energieonafhankelijkheid ligt dichterbij dan we denken.
Duitland kreeg als eerste grote land als eerste voor elkaar wat nog nergens anders is gelukt: meer dan de helft van alle energie uit de zon opwekken. Bron: Wikimedia Commons
Ondanks slecht klimaat, toch het eerste zonne-energierecord
Duitsland is niet bepaald het ideale land voor zonne-energie. Hoewel het land iets zonniger en droger is dan Nederland en gemiddeld iets zuidelijker ligt, levert een zonnepaneel maar ongeveer de helft van de energie op die het in bijvoorbeeld Spanje op zou brengen. De reden dat de Duitsers hierin toch slaagden, is het stimuleringsprogramma voor zonne-energie. Duitse particulieren en bedrijven plaatsen massaal zonnepanelen op hun dak of op hun land, waardoor de Duitsers nu een piekvermogen van 22 gigawatt bereikten: voldoende om tien kerncentrales te vervangen. Dit is de eerste keer dat een groot land er in is geslaagd meer dan de helft van zijn energiebehoefte uit duurzame bronnen op te wekken. Een bewonderenswaardige prestatie.
Alleen in de zomer bij zeer zonnig weer
Hier passen de nodige kanttekeningen bij. Het was in die periode, eind mei, buitengewoon zonnig en droog weer. De piek in zonne-energie in noordelijke landen ligt rond 21 juni, het zomer-zonnesolstitium als de daglengte het grootste is. In de winter is de situatie een stuk minder prettig met een fractie van de hoeveelheid zonnestraling in de zomer.
Honderd procent duurzaam haalbaar?
Toch laat dit zien dat het in principe haalbaar is de gehele energievoorziening uit duurzame bronnen op te wekken. Je kan bijvoorbeeld denken aan een systeem waarbij de zonne-energie in de zomer wordt gebruikt om methanol uit kooldioxide en waterstof te maken, die vervolgens in de winter wordt opgestookt. Een andere mogelijkheid is gebruik te maken van aardwarmte en windenergie. Windenergie is helaas geen stabiele bron, dus dan zal er flink moeten worden geïnvesteerd in energieopslag.
Financiering geen probleem
Klaarblijkelijk vinden Nederlandse politici het geen punt om veertig miljard euro cadeau te doen aan financiële brokkenpiloten, zie dit, dit en dit artikel. Dit achten ze “minder controversieel” dat het onder water zetten van een Zeeuws poldertje van een paar hectare. Slechts een fractie van dit bedrag, dat we gezien de incompetentie van politici en inhaligheid van bankiers vrijwel zeker kwijt zijn, is nodig om ons volledig energieonafhankelijk te maken. In plaats van leningen aan Spaanse banken, die niets opleveren dan nog meer schulden, moeten er investeringen in Spaanse zonnecentrales komen, zodat Spanje beschikt over een duurzaam en winstgevend exportproduct en de noordelijke landen over een duurzame energiebron.
Onzichtbaar zweeft er genoeg energie om ons heen om bijna elk land in een Saoedi-Arabië te veranderen. Waar wachten we op?
Oliejunks
Op dit moment passen oliemaatschappijen de meest bizarre kunstgrepen uit om het laatste beetje olie uit de rotsen te persen. Zeewater wordt de olievelden in gepompt, in de Canadese teerzandgroeven wordt zelfs schaars aardgas opgestookt om de latste druppels teerzandolie uit het teerzand te persen. Vanzelfsprekend verandert de plaats waar deze winning plaatsvindt in een ecologische rampzone, maar dat mag de pret niet drukken. Per slot van rekening snuiven cocaïneverslaafden ook met graagte een lijntje dat daarvoor een onwelriekende reis door de endeldarm van een bolletjesslikker heeft gemaakt.
Het grootste potentieel van het olieveld Ghawar zit niet onder maar boven de grond.
Twee keer het IJsselmeer opgestookt
Dit terwijl de energie letterlijk voor het grijpen ligt. Neem nu het olieveld Ghawar, verreweg het grootste olieveld ter wereld. Ghawar, dat aan de oostkust van het naargeestige koninkrijk Saoedi-Arabië ligt, vormt een onderaards oliemeer van driehonderd bij dertig kilometer groot. Sinds de ontdekking van Ghawar, in de jaren vijftig, is er uit dit enorme veld 10,3 kubieke kilometer olie gepompt. Tweederde van alle Saoedische olie en tien procent van alle wereldolieproductie komt uit dit veld. Een indrukwekkende hoevelheid, dat zeker. 10,3 kubieke kilometer is ongeveer twee keer de inhoud van het IJsselmeer. Allemaal in rook opgegaan.
Iedere wereldbewoner gratis elektriciteit
Toch, geloof het of niet, valt dit volkomen in het niet vergeleken met de hoevelheid ‘onzichtbare olie’ die dit veld bevat. Of liever gezegd: die op het veld neerkomt. De Saoedische oostkust is niet het allerzonnigste deel van het land, daarvoor moet je in de kurkdroge Rub al-Khali zandwoestijn in het zuidoosten zijn, maar per vierkante meter per jaar komt er desondanks meer dan 2000 kilowattuur neer. Precies, waarde lezer, dit lees je goed. Het totale elektriciteitsverbruik van een Nederlander of Belg is te dekken met één enkel zonnepaneeltje met een rendement van 100% op de dorre vlakte van Ghawar. En er zijn nogal wat van die vierkante meters. Tien miljard om precies te zijn (in feite is het veld niet echt een rechthoek, maar wat kleiner). Let wel: alleen de oppervlakte van Ghawar. Meer dan genoeg dus om iedereen ter wereld van alle elektriciteit te voozien die we nodig hebben. (Ik weet het, zonnepanelen halen helaas in werkelijkheid slechts 15-20-% maar toch.)
Twintig centimeter aardolie-per jaar
Nu is deze zonne-energie ook om te rekenen in hoeveelheden olie. Immers: een kilowattuur is 3,6 megajoule (MJ). Ook een liter aardolie bevat verbrandingsenergie, die in megajoules is uit te drukken: rond de 35 MJ per liter. We kunnen dus zeggen dat een kilowattuur gelijk staat aan de chemische energie in 100 ml aardolie. De totale hoeveelheid onzichtbare aardolie die elk jaar neerkomt op Ghawar is daarmee uit te rekenen: 2000 kWh maal 10 miljard (300 km x 30 km) maal 0,1 liter per kWh geeft een volume van 2000 miljard liter, meer dan een barrel olie per vierkante meter per jaar (een laag zwarte drab van 20 cm diep die het hele Ghawarveld bedekt). Let wel, per jaar. En nu komt de grootste grap. Uit het Ghawar-veld is sinds de ontdekking van het veld tot nu, 60 miljard vaten olie (een laag olie van een meter diep) gehaald. Met andere woorden: als we onze hypothetische wonderpanelen weer uit de kast halen, en alle energie in olie omzetten, kunnen we hiermee in vijf jaar evenveel olie produceren als uit het productiefste en grootste olieveld ter wereld in zijn gehele bestaan geproduceerd heeft.
De naam is niet erg poëtisch: HIP 56948. Desondanks wekt deze ster heel veel interesse, omdat hij als twee druppels water lijkt op onze zon. Zou hier ook een exo-aarde omheen draaien?
Dubbelganger van de zon
Voor het eerst is een ster gevonden die sterk op de zon lijkt. De grootte is vrijwel gelijk aan die van de zon, de temperatuur ook en wat uniek is: ook de chemische samenstelling lijkt als twee druppels water op die van de zon. Dat wil zeggen dat de ster extreem zuurstofrijk is en arm aan zware elementen.
De ster HIP 56948 is de meest zonchtige ster ooit waargenomen. Zou hier ook een exo-aarde omheen draaien?
Bewoonbare Zone
In de zoektocht naaar exo-aardes is het voornaamste doel, een planeet met ongeveer dezelfde grootte als de aarde te vinden die zich in de Bewoonbare Zone bevindt. Dat is de zone rond een ster waarin de temperaturen op de oppervlakte van de planeet niet te hoog of te laag zijn voor vloeibaar water. Vrijwel alle sterren – de koude Y-klasse op kamertemperatuur uitgezonderd – hebben een dergelijke zone. Bij de Y-klasse bruine dwergen is de atmosfeer van de dwerg zelf een dergelijke zone. Bij een blauwe, hete ster ligt deze zone verder van de ster, bij een koele rode ster dichter bij de ster dan de aarde van de zon. Een speciaal geval vormen witte dwergen, die weliswaar zeer fel zijn maar door hun kleine afmeting maar weinig licht uitzenden. Hier ligt de zone ondanks de witte kleur toch zeer dicht bij de ster. Uiteraard heeft de verschillende kleur licht een grote invloed op het leven. Planten op een planeet met een roodachtige zon zullen vermoedelijk donkere bladeren hebben die vooral rood absorberen (dus blauw zijn), terwijl plantengroei op een planeet met een blauwe zon juist roodachtig getint zal zijn. Zie hier.
Teerballen
Maar daarmee zijn we er nog niet. Want als de chemische samenstelling van de nevel, waaruit het planetenstelsel wordt gevormd, sterk afwijkt van die van ons zonnestelsel, zal het planetenstelsel er heel anders uitzien. Zo zijn veel sterren erg rijk aan koolstof. Berekeningen wijzen uit dat in dergelijke planetenstelsels zogeheten teerballen, planeten die extreem rijk zijn aan koolstof, voorkomen. Deze planeten hebben meer weg van een totaal uit de hand gelopen olieramp dan van een lieflijke exo-aarde. Als hier al leven voorkomt, zal dat extreem verschillen van het aardse leven. Sterren met een lage metalliciteit (astronomen bedoelen hiermee: sterren met weinig andere elementen dan de gassen waterstof en helium) brengen ook een planetenstelsel voort dat alleen gasreuzen zoals Jupiter en Saturnus kent. Kortom: de beste plek om voor een aardachtige planeet te zoeken is bij een ster die net als de zon erg zuurstofrijk is. Alleen bij een dergelijke ster zal zich veel water en silicaatgesteente vormen, essentiële onderdelen van de aarde.
Tweelingzusje
Enter HIP 56948 (uitgebreider Engelstalig artikel). Deze ster staat op ongeveer 217 lichtjaren afstand in het sterrenbeeld Draco en nam de titel over van de vorige kandidaat-dubbelganger, 18 Scorpii. Uit nieuwe waarnemingen[1] blijkt dat HIP 56948 nog meer op de zon lijkt dan eerder al werd vermoed, wat de kansen sterk vergroot dat de ster aardachtige planeten bij zich draagt. De laatste precieze waarnemingen wijzen uit dat HIP 56948 niet te onderscheiden is van de zon qua grootte, massa en helderheid en slechts 17 graden warmer is dan de zon. Ter vergelijking: 18 Scorpii is 54 graden warmer. Ook heeft 18 Scorpii aanmerkelijk meer ijzer in de fotosfeer, waar HIP 56948 chemisch gezien vrijwel geheel op de zon lijkt, dus arm is aan ijzer en andere zware elementen. Dit is zeer veelbelovend. De zon is namelijk vergeleken met sterren van dezelfde grootte, ook opvallend arm aan zware elementen. Eén van de verklaringen voor dit verschijnsel is dat de zware elementen opgesloten zitten in rotsplaneten zoals de aarde in plaats van bijgemengd in de ster.
‘Ook zonachtig planetenstelsel’
Als deze hypothese klopt, moet volgens de auteurs het planetenstelsel van HIP 56948 dezelfde hoeveelheid metalen en rotsen bevatten als ons zonnestelsel. Materiaal dat een zonnestelselachtig planetenstelsel zou kunnen vormen, aldus teamleider Jorge Melendez van de Universiteit van São Paulo in Brazilië, waarbinnen de planeten ook met de aarde en Mercurius, Venus en Mars te vergelijken gesteenten en mineralen bevatten. Ook stelde het team vast dat er geen zogeheten hete Jupiters in het stelsel voorkomen. Dat zijn gloeiend hete gasreuzen dicht bij de centrale ster die de onhebbelijke gewoonte hebben als koekoeksjongen kleinere rotsplaneten ver weg de wereldruimte (of richting ster) te schieten. Of op te slokken.
Een miljard jaar jonger
Dus, als HIP 56948 opkomt boven de horizon van een bijbehorende rotsachtige planeet, geeft de ster een opmerkelijk zonachtig licht – een licht dat valt op blauwe zeeën, groene bladeren en bergen van graniet. Al zullen er mogelijk geen intelligente levensvormen voorkomen die daarvan bewust kunnen genieten. HIP 56948 is namelijk ongeveer een miljard jaar jonger dan de zon. Een miljard jaar geleden was de hoogste levensvorm op aarde een amoebe en was het land bedekt met bacterieel slijm. Tenzij, natuurlijk, aards leven door een meteorietinslag op deze planeet terecht is gekomen of het leven op deze planeet zich veel sneller ontwikkelde.
In de ruimte schijnt altijd de zon en is er geen belemmerende atmosfeer. Zonnecentrales in de ruimte zouden de energieproblemen op aarde kunnen oplossen, maar zijn peperduur. Is de SPS-ALPhA van NASA de oplossing?
John Mankins ontwikkelde in opdracht van NASA een nieuw type solar-power satelliet. Volgens Mankins kunnen zijn satellieten overal op aarde waar een tekort is, energie leveren. Mankins leidde ook het eerste NASA-team dat in de jaren negentig de mogelijkheden voor orbitale zonne-energiecentrales onderzocht.
De zogeheten SPS-ALPHA (Solar Power Satellite via Arbitrarily Large PHased Array) is volgens Mankins het eerste praktische zonnesatellietconcept, dat een nieuwe biomimetische (door biologische organismen geïnspireerde) benadering hanteert. In de visiei van mankins komen er enorme platforms die elk uit tienduizenden kleinere elementen bestaan. Deze elementen kunnen volgens Mankins draadloos overal ter wereld, of aan ruimtemissies, tientallen tot duizenden megawatts afleveren.
De Solar Power Satellite SPS-Alpha.
SPS-ALPHA gebruikt een groot rooster van individueel bestuurdare dune-film spiegels, die op de gebogen oppervlakte van de satelliet zijn aangebracht. Deze beweegbare spiegels onderscheppen en richten binnenkomend zonlicht richting zonnecellen die aan de achterzijde van de satelliet zijn aangebracht (de binnenkant van de punt van de trechter op de afbeelding).
De satelliet stuurt met behulp van microgolfzenders een coherente, laag-intensieve bundel radiogolven naar ontvangstations op aarde.
Verder maakt het SPS-ALPhA concept een zonnesatelliet mogelijk die in zijn geheel uit individuele systeemelementen bestaat. Samen wegen deze niet meer dan 50 tot 200 kg. Dit betekent dat de satellieten in fabrieken in massaproductie van de lopende band kunnen rollen, wat ze uiteraard veel goedkoper maakt dan bestaande, handgemaakte, satellieten. Ook hier geldt echter dat de lanceerkosten, zowel in geld als in energie uitgedrukt, astronomisch blijven – afhankelijk van het gewicht tussen de 50 000 en 200 000 euro, resp. 2-8 gigajoule (500-2000 kWh, bij een elektromagnetische katapult). Dit – en soortgelijke – ideeën staan of vallen dus met een goedkope methode om vracht te lanceren. Ook ben je er nog niet met de satellieten, er zullen ook de nodige ontvangers op aarde moeten worden gebouwd.
98% van alle energie op aarde wordt geleverd door de zon. Waar haalt de zon de ontzagwekkende hoeveelheid energie vandaan om te schijnen? Negentiende-eeuwse astronomen stonden voor een raadsel. Pas met de ontwikkeling van de moderne atoomtheorie werd duidelijk wat er in de kern van de zon gebeurt: kernfusie. Deze korte video maakt je in twee minuten deelgenoot aan het geheim van de zon.
Er is heel wat lef voor nodig om in de overvoerde markt voor zonnepanelen met een nieuw product te komen. Semprius, een start-up in samenwerking met de Duitse elektronicareus Siemens, durft het toch aan. Met reden. Hun zonnepaneel breekt alle efficiëntierecords voor ‘normale’ zonnepanelen met stukken.
Het Semprius zonnepaneel bestaat uit duizenden minizonnecellen met bijbehorende lenzen.
Minilensjes met drie dunne laagjes
Semprius ontwikkelde een zonnepaneel dat gebruik maakt van kleine concentratorlenzen. Deze werken in combinatie met drie lagen galliumarsenide boven elkaar die elk gevoelig zijn voor een andere golflengte van het licht. Het gevolg is dat een veel grotere fractie van het licht in elektriciteit om wordt gezet dan in een “gewoon” zonnepaneel.
Een tweede voordeel is dat het gebruikte galliumarsenide veel meer zonlicht absorbeert dan silicium, het materiaal in de meeste zonnecellen.
Galliumarsenide: schaars en duur
Gallium is een schaars en dus duur metaal, dat een zo laag smeltpunt heeft dat het smelt in je hand. Het dodelijk giftige arsenicum komt veel meer voor, getuige, bijvoorbeeld, de vele slachtoffers van arsenicumvergiftiging door grondwater in onder meer Bangladesh. Deze zonnecel maakt zeer efficiënt gebruik van kleine hoeveelheden galliumarsenide door de concentratorlenzen die het zonlicht op een plekje, zo groot als een punt gezet met een balpen concentreren. Hierdoor is er per vierkante meter zonnepaneel toch maar enkele grammen gallium nodig.
Zuinige productietechniek
Dit krijgt Semprius voor elkaar door de zonnecellen te etsen op een drager van galliumarsenide. met behulp van een robot worden de zonnecellen overgebracht naar een goedkoop substraat. Zo kan met een kleine hoeveelheid galliumarsenide een enorme hoeveelheid zonnecellen goedkoop worden gefabriceerd.
Recordefficiëntie
Een derde partij heeft de zonnepanelen van Semprius doorgemeten en vastgesteld dat deze een recordhoge efficiëntie bereikt: 33,9%, twee procent beter dan de efficiëntie van het beste huidige verkrijgbare commerciële zonnepaneel. Er bestaan al zonnepanelen met een efficiëntie van veertig procent, maar deze zijn zo duur dat ze alleen in zonneconcentrators en op satellieten interessant zijn. De hoogste efficiëntie ooit in een laboratoriumcel bereikt is 48%.
Minder dan tien dollarcent per kilowattuur
De fabriek van Semprius staat in de VS, maar kan toch met China concurreren door de extreem hoge efficiëntie van de cel. Daardoor kan een kleinere oppervlakte cellen dezelfde energie leveren als een groot goedkoop zonnepaneel. Op dit moment zitten de meeste kosten niet meer in de zonnepanelen zelf, maar in de installatiekosten, bevestiging en de begeleidende elektronica die de zonnestroom omvormt tot netstroom, waardoor deze cellen toch zeer interessant worden. Bij massaproductie verwacht Semprius dat de prijs per kilowattuur daalt tot onder de tien dollarcent (rond de zeven tot acht eurocent). Dit is een derde van de consumentenprijs in Nederland en is ongeveer gelijk aan de kosten van opwekking uit fossiele brandstoffen als gas.
De prijzen voor PV-zonnepanelen zijn de afgelopen 2 jaar enorm gedaald. Veel mensen weten dan ook (nog) niet dat stroom uit zonnepanelen in Nederland inmiddels ruim 40% goedkoper is voor consumenten, dan als ze stroom kopen bij de energieleverancier. Zelf stroom uit zonnepanelen opwekken kost vandaag de dag slechts 14 cent per kWh. Zet dit af tegen de gemiddelde prijs van 25 cent per kWh die de energieleveranciers vragen en dan wordt al snel duidelijk dat zonne-energie een van de beste inversteringen is die een huishouden op dit moment kan doen.
Ziet het gemiddelde dak in Nederland er over 5 jaar zo uit?
Voor de liefhebbers een korte berekening om te laten zien hoe we aan deze bedragen komen. Waar zonnepanelen een jaar geleden nog rond de €3,20 per WattPiek lagen is dit inmiddels naar beneden gegaan naar rond de €2,20. Dit zijn bedragen inclusief omvormers, installatie van de panelen en het aanpassen van de meterkast. Over de 25 jaar levensduur van zonnepanelen bereken we daarnaast jaarlijks 1% onderhoudskosten van het systeem en komen zo op een totaalbedrag van €2,75 per WattPiek aan investeringskosten. In deze berekening zijn we conservatief en berekenen we dat elke WP aan zonnepanelen jaarlijks 0,77 kWh aan stroom oplevert. Over 25 jaar resulteert dit in 19,13 kWh. De stroom uit je eigen zonnepanelen komt hierbij op een bedrag van 14 cent per kWh. Als je dit vergelijkt met de 25 cent per kWh die je bij de energieleverancier betaald wordt het al snel duidelijk hoeveel goedkoper zelf zonnestroom opwekken in Nederland vandaag de dag is.
Het is dan ook een raadsel waarom we in Nederland bezig zijn met het bouwen van vervuilende kolencentrales naast ons werelderfgoed de Waddenzee. Ook Maxime Verhagen, die druk op zoek lijkt naar een commissariaatje voor na zijn politieke carrière, kan wellicht beter op iets anders gaan inzetten dan kerncentrales.
De zon is een energiebron die tot aan het einde der dagen van de aarde volop hernieuwbare energie kan leveren.
Een beter milieu begint bij jezelf en het levert in dit geval economisch ook behoorlijk wat op. Ook als land is het veel slimmer om grootschalig zonne-energie (en andere hernieuwbare energiebronnen) te gaan winnen omdat dit Nederland onafhankelijker maakt van fossiele en nucleaire energiebronnen, het scheelt vervuiling, het geld voor energie wordt in de het eigen land rondgepompt en bloed zo niet uit je economie weg, en tot slot zorgt het voor werkgelegenheid in de regio in plaats van in Rusland en Saudi Arabië.
Voor mensen die meer willen weten over het hoe en wat van PV zonnepanelen is het dossier zonne-energie interessant. Hier komen vele aspecten van zonne-energie aan bod zoals: leveranciers, installatie, ligging panelen etc. Voor mensen die zelf geen geschikt dak hebben zijn coöperatieven zoals de Zonvogel een prima manier om toch mee te kunnen doen met het opwekken van eigen zonnestroom maar dan wellicht via een geschikt dak van een ander.
Mochten mensen mijn rekenmodel nader willen bestuderen stuur dan een mailjte naar info@permacultuurnederland.org met dit verzoek. Ik kan het model dan in Excell vorm opsturen. Of ga zelf aan het rekenen met dit online rekenmodel.
Er komt steeds meer bewijs dat de geschiedenis van de aarde nog merkwaardiger is verlopen dan tot nu toe gedacht. Is de zon geboren in het centrum van de Melkweg?
Aarde vermoedelijk in aanraking gekomen met veel kosmische catastrofes
Elke 200 miljoen jaar voltooit het zonnestelsel één cyclus rond de Melkweg,het galactische jaar. Sinds het ontstaan van de aarde zijn er dus slechts 23 galactische jaren voorbij gegaan.
Is de zon afkomstig van het centrum van de Melkweg?
In deze rondgangen zijn er veel kosmische catastrofes geweest: supernova´s, gammaflitsen en stofwolken. Sommige hiervan hebben mogelijk de aarde geteisterd en zo een ijstijd of een uitsterfgolf veroorzaakt. Andere kunnen de aarde voorzien hebben van leven.
Maan bevat sporen tot meer dan 4,5 miljard jaar terug Helaas gaat het geologisch geheugen van de aarde niet erg ver terug. De oudste aardse rots is gevonden in Groenland en dateert van 3,6 miljard jaar geleden. Gelukkig is de maan al miljarden jaren geologisch dood. De maan draagt min of meer ongeschonden de sporen bij zich die de roerige reis van het zonnestelsel door het heelal heeft achtergelaten.
Beweging spiraalarm kan ster wegslingeren
Ons melkwegstelsel kent dichtheidsgolven, die we waarnemen als spiraalarmen. Als een ster op een dergelijke dichtheidsgolf op de juiste manier meesurft, voor meer dan tienduizend lichtjaar ver, is het mogelijk dat een ster uit het metaalrijke centrum van de Melkweg naar de buitenste regionen wordt geslingerd.
Komt de zon uit het centrum van de Melkweg?
De zon kan wel eens zo’n ster zijn geweest – verschillende metingen wijzen er op dat de zon abnormaal veel zware elementen bevat. In het centrum van de Melkweg vonden veel meer sterexplosies plaats, waardoor het interstellaire gas daar veel meer zware elementen bevat dan in de tegenwoordige omgeving van het zonnestelsel. Deze zwaartekrachtsinvloeden kunnen ook verklaren waarom de verre ijsdwerg Sedna zo’n bizarre, elliptische baan aflegt – en wie weet (deze speculatie is voor persoonlijke rekening) ook het late Heavy Bombardment rond de drie tot vier miljard jaar geleden.
Zonnepanelen worden mogelijk overbodig. Tot voor kort was het rendement van thermo-elektrische verf en andere materialen afgrijselijk laag en de kosten enorm. Daar komt nu verandering in. Dit revolutionaire materiaal, dat je met een verfkwast kan aanbrengen, zou de energiemarkt wel eens helemaal op zijn kop kunnen zetten. En er zijn meer werkende thermo-elektrische concepten.
Zonnepanelen zijn duur en alleen door een dure vakman te installeren. Hoewel de zon voor particulieren al goedkoper is dan stroom van de elektriciteitsmaatschappij en zonnepanelen snel in prijs dalen. Het zou een uitkomst zijn als zonnepanelen net zo makkelijk aan te brengen zouden zijn als verf. Het goede nieuws: daar is nu zicht op. Nieuw onderzoek bestudeert het gebruiken van thermo-elektrische materialen om zonlicht om te zetten in energie.
Zonneverf uit een blik in plaats van een zonnepaneel. De toekomst?
Wat is thermo-elektriciteit?
Wellicht ken je koelelementjes op elektriciteit, zoals die in bierkoelers, waarmee diverse fabrikanten elkaar op leven en dood beconcurrreren, worden gebruikt. Die berusten op het Peltier-effect: de elektronen in de elektrische stroom ‘voeren’ de warmte, in feite trillingen van elektronen, als het ware met zich mee. Het omgekeerde kan ook. ‘Hete’ elektronen bewegen sneller dan ‘koude’, waardoor de elektronen zich ophopen aan de koude kant en zo een spanningsverschil veroorzaken dat je kan benutten. Eklektriciteit uit warmte dus, al is de efficiëntie laag, tot voor kort rond een procent. Een schijntje vergeleken met de twintig procent die een goed zonnepaneel haalt. Geen wonder dat dit principe tot voor kort vrijwel alleen voor koeling, of omgekeerd, in satellieten met een radioactieve bron, werd gebruikt.
Thermo-elektriciteit: de assepoester van de zonne-energie
In een traditionele zonnecel mept een lichtdeeltje, een foton, een elektron uit zijn energieniveau en laat deze naar een ander materiaal springen. Dit wekt spanning op die wordt afgetapt. Traditionele zonnepanelen lopen tegen een (voor dit type systeem) fundamentele beperking aan. 37,7% omzetting van zonlicht in elektriciteit, de Shockley-Quissler limiet, is het theoretische maximum dat een traditionele zonnecel kan halen. De reden: fotonen met te weinig energie kunnen elektronen niet over de energiekloof laten springen, fotonen met te veel energie kunnen maar gedeeltelijk benut worden, dus wordt meer dan de helft van alle energie weggegooid. Zonde natuurlijk. Sterker nog: deze energie komt vrij als warmte, oververhit het zonnepaneel en werkt zo zelfs tegen.Vandaar trouwens dat de zuidpool (in de zomer) en het hooggebergte zo interessant zijn voor klassieke zonnepanelen.
Thermodynamisch gezien is in theorie veel meer rendement te halen. De zon heeft een oppervlaktetemperatuur van rond de zesduizend graden (Celsius of Kelvin, die 273,15 graden verschil maakt bij zeer hoge temperaturen nauwelijks meer uit). De oppervlakte van de aarde een temperatuur van, zeg, rond de driehonderd kelvin (27 graden Celsius; in werkelijkheid gemiddeld veertien graden, maar 27 C rekent lekker makkelijk en komt redelijk overeen met de temperatuur in zonnige gebieden). Thermodynamisch gezien kan een zonnepaneel dus in theorie een efficiëntie halen van 1-(300 K/6000 K) is rond de 95% hebben, als er een warmtepomp tussen de zon en de aarde zou bestaan. In feite meer: zelfs vrijwel honderd procent, omdat een zwarte straler van 300 K per vierkante meter slechts 1/16 000 van het zonneoppervlak uitstraalt. ([latex]j^{\star} = \sigma T^4[/latex]). Wat dat betreft presteren zonnepanelen dus akelig slecht.
Maria Telkes was een pionier op het gebied van zonne-energie.
Dat moet slimmer kunnen, dacht in 1954 al onderzoekster Maria Telkes. Ze experimenteerde met een plaat thermoelektrisch materiaal, die zonnewarmte omzette in elektriciteit. Het rendement was laag: onder een procent[1]. Zonnepanelen deden het toen niet veel beter, maar al kort daarna schoot het rendement van zonnepanelen omhoog tot tien procent. Telkes’ ontdekking werd niet meer overtroffen en raakte in de vergetelheid. Ook al omdat materialen als bismuthtelluride uit zeer zeldzame en dus erg dure chemische elementen bestaan. Dit veroordeelde de techniek tot een kwijnend bestaan (de ruimtesonde Voyager wordt er bijvoorbeeld mee op gang gehouden. Het warmteverschil tussen een klont radioactief plutonium en het extreem koude heelal levert thermo-elektriciteit).
Thermo-elektriciteit kent geen limiet
Onderzoekers benaderen nu al met een enkelvoudige zonnecel de SQ limiet. De beste zonnepanelen op de markt zitten al jarenlang tegen de vijftien tot twintig procent. Stapelen van zonnecellen kan, maar maakt ze veel duurder. De doorbraken komen vooral neer op stapelen of op goedkopere fabricagetechnieken. Gefrustreerde onderzoekers zijn ten einde raad. Eer komt daarom steeds meer belangstelling voor de lang verwaarloosde thermoelektrische materialen. Immers: deze kennen een dergelijke limiet niet en zijn bovendien veel simpeler in structuur. Of elektronen nou veel of weinig energie hebben maakt niet zoveel uit: ze botsen met elkaar en de energie middelt uit tot een mooie stabiele stroom.
Nanotechnologie verbetert thermo-elektriciteit
Helaas is er nog steeds het zeer lage rendement, die te maken heeft met het snel verdwijnende warmteverschil. Elektrische geleiders geleiden meestal ook goed warmte-quasideeltjes (fononen), waardoor het warmteverschil snel weglekt. Terwijl de elektronen stromen, stromen de fononen van warm naar koud, zonder elektronen in beweging te zetten en zo energie op te leveren.
De onderzoekers Huiming Yin and Dajiang Yang[4] slaagden er in een nanomateriaal te ontwikkelen dat wel elektronen doorlaat, maar de warmtetrillingen blokkeert. Eerder waren er niet dergelijke materialen. Door uitgekiende foutjes in het materiaal worden de fononen weerkaatst, terwijl de elektronen ongestoord kunnen stromen. Dit verdubbelt de efficiëntie van een thermo-elektrisch materiaal. In een watergekoeld zonnepaneel, waarin ook het warme water wordt benut, levert dit meer dan vijftig procent rendement op.
Chen en zijn student tonen de concentrator. Bron: MIT Technology Review
Verf even effectief als zonnepaneel
Charles Stafford van de universiteit van Arizona in Tucson besloot het pas echt radicaal aan te pakken.[2] Waarom niet in één klap afrekenen met zonnepanelen en die vervangen door één laag fononen blokkerende verf? Dit is spotgoedkoop om aan te brengen en die verf kan werkelijk met hectoliters tegelijk kunnen worden geproduceerd, in plaats van moeizaam gepriegel in stofvrije ruimtes. Hij koos een volkomen nieuwe klasse materiaal: polyfenol ether. Dit bulkmateriaal is erg goedkoop. Stafford wil de polyfenol ethermoleculen van zorgvuldig uitgekiende zijgroepen voorzien, die fononen blokkeren terwijl ze elektronen doorlaten. Volgens Stafford’s berekeningen kan zijn materiaal in theorie 20 tot 25% van alle zonlicht in elektriciteit omzetten: zes maal zo hoog als het best bekende thermoelektrische materiaal. Maakt hij deze boude bewering waar, dan worden zonnepanelen een relikwie van het verleden.
Goedkope hitteconcentrator
Een andere onderzoeker, Gang Chen van het MIT, bedacht een zeer simpele maar uiterst effectieve methode om zonnewarmte te concentreren. Licht concentreren is lastig. Daar heb je een duur volgsysteem met lenzen of spiegels voor nodig. Met zonnewarmte is dat anders. Zijn recept: stukjes koper in vacuüm. Het koper wordt in het zonlicht extreem heet. De hitte in het koper, dat honderden graden heet wordt, kan alleen weg via kleine hittebruggetjes die uit thermo-elektrisch materiaal bestaan. Zo kan je de opgevangen hitte concentreren. Chen haalde met zijn opstelling door het extreme temperatuurverschil een rendement van 4,6 procent. Let wel, met een standaard thermo-elektrisch materiaal. Met een nano-engineered materiaal zou het rendement wel eens kunnen verveelvoudigen. Als je dit combineert met een zonnecollector voor warm water haal je hiermee twee keer profijt van een enkele installatie[3]. Kortom: zeer hoopgevende ontwikkelingen. Vooral het briljant simpele idee van Chen, dat uit te voeren is met simpele, alledaagse materialen, laat zien dat peak fantasy een veel groter probleem is dan zogenaamd uitgeput rakende energie- en andere hulpbronnen.
Op een dag, miljarden jaren na nu, is de waterstof in de zon omgezet in helium en zwelt de zon op tot rode reus. Hoe zal de aarde er in die verre toekomst uitzien? Zal de aarde het overleven? Bekijk de beelden in deze video.
Gelukkig is vijf miljard jaar na nu nog een hele tijd. Als we onszelf voor die tijd niet uit hebben geroeid, zullen onze verre nakomelingen waarschijnlijk een manier hebben bedacht om aan de opzwellende zon te ontkomen of – wie weet – de dan helse ster te temmen. Als de zon daarna is veranderd in een witte dwerg, is het zonnestelsel in principe voor miljarden jaren weer bewoonbaar, zij het veel dichter bij de zon dan nu.
