Zonne-energie

Update: Data van recente jaren toegevoegd; duidelijke kaart van de zonne-instraling Nederland toegevoegd.
Vrijwel alle energie waarover wij op aarde kunnen beschikken komt van de zon, direct of indirect.
De energie die de zon dagelijks uitstraalt naar de aarde is direct te benutten, middels zonnecellen en zonnecollectoren.

Zonne-energie als stromingsbron


Kernfusie

De energie van de zon is te danken aan het kernfusieproces dat in de kern van de zon plaatsvindt. Bij de kernfusie van twee waterstofatomen ontstaat helium; per seconde wordt er 600 miljoen ton waterstof in 596 miljoen ton helium omgezet. Het verlies in massa komt volgens Einstein's $E=mc^2$ formule vrij als energie. Deze energie bereikt na een periode van miljoenen jaren het oppervlak van de zon en wordt vervolgens uitgestraald in het universum.

Instraling van zonne-energie

De aarde ontvangt slechts een bescheiden deel van de energie uitgestraald door de zon, maar dat is nog altijd zo’n 9000 maal groter dan de wereldwijde energiebehoefte. Op astronomische tijdschaal is ook de zon als energiebron niet onuitputtelijk, want ooit zal de zon zijn opgebrand. Op onze tijdschaal beschouwen we onze zon als stromingsbron, de drijvende kracht achter de aardse stromingsbronnen: licht, warmte, stromend water, stromende lucht en kort-cyclische biomassa.

De figuren hieronder beschrijven de zonne-instraling in Nederland en Europa, in termen van de dag en maand, maar ook de regionale verschillen.


Figuur 1. Zonne-instraling in Nederland over het jaar en over de dag, in W/m$^2$. Bron: Velds 1992w


Figuur 2. Cumulatieve zonne-instraling in Nederland, in kWh/m$^2$. (bron: Wikimedia Commons)


Figuur 3. Zonne-instraling in Europa, gemiddeldes per dag in kWh/m$^2$. Bron: Velds 1992w

Zonne-energie en fossiele energie

Fossiele energiedragers als aardolie, gas en kolen zijn te danken aan de zon; ze zijn immers ontstaan uit sedimenten van (plantaardige) biomassa, die door geologische processen zijn omgezet, geconserveerd en geconcentreerd. Op de tijdschaal van geologische processen zou je zelfs fossiele energie als stromingsbron kunnen beschouwen, want ook vandaag de dag vinden die processen plaats. Op de tijdschaal van de economie, van jaren tot een mensenleven, is de aangroei van fossiele voorraden echter verwaarloosbaar; daarom spreken we van voorraadbronnen.

Opkomst van zonne-energie

Eveneens als windenergie is ook elektriciteit direct op basis van zonne-energie sterk in opkomst. Waar in 1985 nog slechts 25 MW aan zonnepanelen wereldwijd was geïnstalleerd was dit in 2004 al 3,7 GW en in 2010 al 40 GW, zie figuur 4.


Figuur 4. Wereldwijde capaciteit aan zonne-stroom. Bron: Wikipedia 2019w

De groei van zonne-energie heeft vooral te maken met de hoge subsidies die worden gegeven op het gebruik van zonne-energie. De grootste markten voor zonne-energie is Duitsland.

Zie ook: Animatie van de penetratie van zonnnepanelen in Duitslandw

In 2012 was in Nederland de totale elektriciteitsgeneratie afkomstig van zonnecel systemen ongeveer 0,25 TWh, overeenkomstig met 0.22% van het totale elektriciteitsverbruik (CBS 2016xw). In 2012 en 2013 is de capaciteit en daarmee de productie aan zonnestroom in Nederland zeer sterk gegroeid.


Figuur 5. Zonne-energie: capaciteit in Nederland, tussen 1990 en 2013, Bron: CBS 2016xw

Conversietechnologie voor zonne-energie


Zonne-energie wordt actief benut via zonnecellen en zonnecollectoren.

Zonnecollectoren

Bij een zonnecollector gaat het om het invangen van zonnewarmte voor het verwarmen van tapwater. Het door de zon verwarmde water wordt opgeslagen in een zonneboiler; hier kan het water op de conventionele manier worden bijverwarmd als de zon het even laat afweten. Zonnecollectoren hebben geen betekenis voor de productie van elektriciteit.


Figuur 6. Het eerste huis met zonnecollectoren in de VS in 1939 (bron: Wikimedia Commons)

Zonnecellen

Het proces waarbij in zonnecellen elektriciteit wordt opgewekt heet fotovoltaische omzetting. De gebruikelijke aanduiding zon-PV, of PV, staat voor 'photo-voltaic'. Het proces berust op het principe dat elektriciteit gaat stromen tussen twee niet identieke halfgeleiders als deze met elkaar in contact worden gebracht en aan licht worden blootgesteld. Een kenmerk van halfgeleiders is dat ze in vergelijking met metalen maar weinig 'beweeglijke' elektronen hebben. Maar juist door de absorptie van licht worden elektronen vrijgemaakt: die gaan zich daarna verplaatsen waarna een positief geladen gat overblijft. Een scheidingslaag zorgt dat gaten en vrije elektronen gescheiden worden, waardoor een potentiaal, een spanning ontstaat. Wanneer de voor- en achterzijde van de cel met elkaar worden verbonden gaat er gelijkstroom lopen.

Concentrated solar power

Concentrated solar power (CSP), bundelt zonne-energie met spiegels. "Systemen voor geconcentreerde thermische energie bestaan altijd uit spiegels en/of lenzen die het directe zonlicht bundelen en een receptor met daarin een vloeistof die door het gebundelde licht verhit wordt." (Thermische_zonne-energiew). Veelal wordt deze warmte gebruikt om een turbine aan te drijven en stroom op te wekken (zie elektriciteit-conversie).


Figuur 7. Een voorbeeld van concentrated solar power (bron: Wikimedia Commons)

Bronnen

Velds 1992w,
CBS 2016xw,
CBS 2016xw, CBS 2016, Data over capaciteit en opbrengst zonnepanelen in Nederland, geraadpleegd 22 februari 2016
Velds 1992w, C.A. Velds, Zonnestraling in Nederland, KNMI, 1992
Wikipedia 2019w, Wikipedia, geraadpleegd 20 februari 2019

Laatste wijziging: 20-02-2019
Creative Commons-Licentie
Deze publicatie valt onder een Creative Commons licentie. Zie hiervoor het colofon.