Zonnepanelen voor onze energie?


Energie

Energie is warmte en beweging, dus actie en vrijheid.
Eenheden van energie zijn de calorie en de Joule.
Calorie is een oude eenheid, nog in gebruik bij voedingsmiddelen.
Eén calorie is de hoeveelheid energie die nodig is om 1 gram water 1 graad Celsius in temperatuur te doen stijgen.
De nieuwe energie eenheid is de Joule, 1 calorie = 4,186 Joule. 1 Joule = 0,239 calorieën.

De hoeveelheid energie per tijdseenheid heet vermogen (Eng. power).
De eenheid van vermogen is de Watt. Eén Watt = 1 Joule per seconde.

Een mens heeft voor zijn lichaamsverwarming een vermogen nodig van ongeveer 100Watt,
dat is evenveel als de warmte van een kaarsvlammetje.
Daarnaast kan een mens met spierkracht 150Watt vermogen leveren.
Wandelen vraagt een vermogen van 75 Watt.
1 PK (paardenkracht) is 746 Watt.

Eén Watt is een erg klein vermogen, daarom wordt gerekend met kiloWatts.
1 KW (kiloWatt) = 1000 Watt.
Eén kilo Watt vermogen gedurende 1 seconde is nog steeds erg weinig energie, daarom geen seconden maar uren.
1 KWh (kilo Watt uur) = 1000 x 3600 = 3,6MJ (mega Joule)
Een stofzuiger in bedrijf heeft een vermogen van zo'n 1 KW.
Vijftien minuten stofzuigen verbruikt dus een energie van 0,25KWh.
Energie = vermogen x tijdsduur.
Vermogen = energie / tijdsduur.

In de media worden de begrippen energie en vermogen geregeld door elkaar gehaald.
Zo vermeldt men bij zonnepanelen en windmolens graag het geïnstalleerde vermogen.
Dat levert dan een onrealistisch groot getal op omdat er maar een gedeelte van de dag energie wordt geleverd.

Verbruik

Een Nederlands huishouden gebruikt per dag gemiddeld 9KWh elektrische energie en 40kWh in de vorm van gas.
Daarnaast verbruiken wij collectief in de industrie, transport, landbouw en diensten nog eens 350 kWh
per huishouden per dag.
In totaal dus 400 kWh per huishouden per dag, het werk van bijna 90 paarden.

Ons verleden

Tot in de middeleeuwen was land de enige energiebron.
De zon deed daarop planten en bomen groeien.
Bezit van land was bezit van energie, dus van macht.
De brandstof was hout. Het paard de biomotor. Een paard heeft voor zijn voer 1,5ha. land nodig.
In 1500 was, met minder dan één miljoen inwoners, ons land al grotendeels ontbost.
Turf hield de huizen warm.
De latere inpolderingen moesten het verlies van landbouwgrond door turfsteken compenseren.
70% van de bevolking werkte in landbouw en visserij.
In de Gouden Eeuw leverde een grote windmolen netto zo'n 15kW, dat is 20 PK.
zodat per molen 30 hectare landbouwgrond voor paardenvoer werd uitgespaard.

Vooruitgang

De stoommachine betekende het einde van dit tijdperk.
Hiermee kon al snel 20 tot 200 PK vermogen worden opgewekt,
waarmee pompen, schepen en treinen werden aangedreven.
De industriële revolutie was het gevolg.
Steenkool leverde overvloedig energie en ontkoppelde daarmee landbezit en macht.
De bedienden en landarbeiders konden hun kinderen naar school sturen.
Een breed toegankelijk onderwijssysteem ontstond waardoor iedereen zijn talenten kon ontwikkelen,
een historische prestatie.

Vooruitgang komt steeds weer neer op verminderde afhankelijkheid van land en natuur:
betere huisvesting, wegen, bruggen, tunnels en kanalen, transport- en communicatiesystemen,
medische zorg en machines voor zwaar, gevaarlijk en saai werk.
Dankzij fossiele brandstoffen heeft ons dichtbevolkte land ook weer veel mooie natuur.
Eén tractor vervangt 2000 landarbeiders. Voor elke tractor die stilstaat moet een grote scholengemeenschap
de deuren sluiten om de handen op het veld te leveren.
Dankzij goedkope energie van kolen, olie en gas kennen wij een hoog ontwikkelde samenleving ,
waarin ruimte is voor voetballen en vioolspelen. Dat is leuker dan met de hand kanalen graven.

Hernieuwbaar en duurzaam

Evenals turf zijn de voorraden kolen, olie en gas eindig al is er nog wel voorraad voor enkele eeuwen.
Met de “hernieuwbaren” bedoelen wij energiebronnen die niet eindig zijn, zoals wind en zon.
“Duurzaam” betekent dat de toepassing ervan gedurende vele generaties is vol te houden.
De zon schijnt gigantische hoeveelheden energie op de aarde.
Daarbij verbleken de menselijke activiteiten.
Energie van de zon lijkt daarom een prima idee.

Zonnepanelen.

Op een zomerse dag schijnt de zon met maximaal 1kW vermogen op een vierkante meter,
dat levert 4,5kWh energie per dag.
In de winter is dat maar 0,5kWh per dag, een factor negen minder.
Zonnepanelen zetten 17% van de invallende lichtenergie om in elektrische energie.
Een paneel meet 1x1,65m2 zodat maximaal 0,17x1,65x1000 = 280Watt vermogen kan worden opgewekt.
Dit maximaal te leveren vermogen wordt aangegeven met Wp (Watt piek).
Het gemiddeld geleverde vermogen is 9% van de Wp waarde.
De handel hanteert een omrekeningsfactor 0,85 van Wp naar KWh/jaar.
Een paneel van 280Wp levert 0,85x280KWh = 238kWh energie per jaar.
Vier zonnepanelen leveren samen een gemiddeld vermogen van 4 x 0,09 x 280 = 100 Watt,
evenveel als het vermogen van één waxinelichtje.

China is de grootste producent van zonnepanelen.
Die panelen worden met de energie van fossiele brandstoffen geproduceerd, wel steeds efficiënter.
De schatting is dat thans een paneel vier jaren stroom moet leveren om de productie energie terug te verdienen.
Zolang de fabricage echter afhankelijk is van fossiele energie zijn zonnepanelen niet duurzaam.
De verwachte levensduur van een zonnepaneel is 30 jaar.

Het elektriciteitsnet

Elektriciteit is geen energie maar een overbrengingsmechanisme zoals een fietsketting.
Zodra de generator in de centrale stopt houdt ook uw boormachine, stofzuiger of wasmachine er meteen mee op.
Elk moment levert de centrale evenveel energie als wordt afgenomen.
Ons elektriciteitsnet kan geen energie opslaan, het gasnet daarentegen wel.
De netbeheerder (TenneT) is verantwoordelijk voor de exacte afstemming van vraag en aanbod.
Bij te weinig stroom gaat het licht uit en bij teveel ontstaat brand.
De centrales regelen voortdurend bij door meer of minder kolen of gas te verbranden.
Dat heet een “vraaggestuurd” net.
Op elk moment van de dag beschikt de gebruiker via een stekkertje in het stopcontact over 3PK om koffie te zetten, zijn brood te roosteren of haren te föhnen.
En hier doemt een levensgroot probleem op.
Zonne-energie is er maar enkele uren per etmaal en bovendien varieert de zonnestraling sterk met de seizoenen.
Er zijn voor de oplossing van dit probleem drie mogelijkheden:

1. Off grid
Zonnestroom niet aan het net toevoegen maar gebruiken voor niet tijdkritische processen.
Onze voorouders gebruikten hun windmolens aldus voor het pompen van water,
malen van tarwe of het zagen van hout.

2.Backup
Zonnestroom gaat direct naar het net maar centrales vallen in bij bewolking of duisternis,
dus de zonnepanelen vervangen geen vraaggestuurde centrale.
Met kolen, olie, gas en uranium zijn strategische reserves aan te leggen, met zon en wind niet.
Deze optie is dus niet duurzaam en er is ook geen transitie.
Wel kan brandstof worden bespaard, maar er zitten een paar adders onder het gras:

a.
centrales kunnen niet snel op- en afregelen.
Bij een opklaring, die de opbrengst van een zonnepaneel plotseling verdubbelt
zal de centrale op vol vermogen blijven draaien.
De overtollige stroom kan tot nu toe tegen lage prijs op het Europese net worden gedumpt.
Dat houdt op als elk land over veel zonne-energie beschikt.
Ook vermindert op- en afregelen het rendement van een centrale.
Dat is 50 tot 60% voor stabiele levering maar slechts 30% in geval van snelle regeling.
Hoeveel brandstofbesparing levert zonnestroom nu op? Dat is onbekend.
Voorstanders van hernieuwbare energie melden euforisch de momenten waarop zon en wind een substantieel deel van de stroom leveren.
Bij aanzienlijke gas besparing zou ook zo'n positieve berichtgeving passen.
De grafieken van zon- , wind- en fossiele stroomopwekking geven echter het brandstofverbruik van centrales niet aan.
Dat doet vermoeden dat de besparing gering is.

b.
Behalve in technisch opzicht levert zonnestroom ook een economisch probleem op.
Centrales leveren minder energie en lopen dus inkomsten mis.
In het uiterste geval zullen ze gesubsidieerd moeten worden omdat ze onmisbaar zijn.
In de landen met veel hernieuwbare energie (Duitsland, Denemarken) zien we de hoogste stroomprijzen,
want uiteindelijk betaalt altijd de consument.

3. Buffers
Stel dat u voor uw watervoorziening afhankelijk bent van een bron die 1000 liter per jaar levert
wat neerkomt op zo'n 3 liter gemiddeld per dag. Genoeg voor één mens.
Een opslagtank is dan van levensbelang want de ene dag kan misschien 10 liter worden gepompt
maar vijf dagen erna niets. Een mens kan hoogstens drie dagen zonder water.
Een moderne maatschappij kan geen dag zonder stroom.
Een buffer is zo'n opslagtank.
Door bij overvloed energie op te slaan en bij tekort weer te leveren kan aanbod en gebruik worden afgestemd.
Dat maakt een echte energietransitie mogelijk.
Energiebuffers kunnen zijn:
stuwmeren, gewichten, vliegwielen, batterijen, vloeistoffen (methanol) of gassen (waterstof , methaan).
Stuwmeren zijn voor ons vlakke land geen optie.

a. mechanische opslag.
Een koekoeksklok krijgt zijn energie van omhoog getrokken gewichten.
We graven een 100 meter diep gat in de grond en hangen daarin een gewicht van 1 miljoen kilo.
Bij overvloedige zonneschijn hijst een motor het gewicht op en bij duisternis daalt het gewicht
waarbij de motor als dynamo werkt.
Met dit systeem bufferen we 270kWh aan energie.
Dat is de elektrische energie van 30 huishoudens voor één dag.
Hoewel...huishoudens hebben ook verwarming nodig en zijn afhankelijk van industrie, transport en landbouw.
Landelijk is per huishouden 400kWh per dag energie nodig,
zodat per huishouden meer dan één zo'n buffer nodig zou zijn.
Mechanische opslag is ontoereikend.

b. batterijen
Na een reeks stroomstoringen zijn in Zuid-Australië door de firma Tesla grootschalig batterijen geïnstalleerd
om de fluctuerende opbrengst van windmolens op te vangen.
Het betreft een buffer van 129MWh (megawattuur) en de kosten bedragen €80 miljoen.
De gemiddelde stroomvraag in Nederland is 12 GW. (giga = 1 miljard )
Zo'n buffer kan dus gedurende 36 seconden de Nederlandse stroom leveren.
Batterijen zijn een extreem duur middel om zeer korte perioden van energietekort te overbruggen.
Strategische energiereserves kunnen hier niet mee worden aangelegd.

c. Gas
Met de stroom van zonnepanelen kan water worden ontleed in waterstof en zuurstof.
Het rendement van deze waterstofproductie is 75%.
Door de waterstof (H2) aan kooldioxide (CO2) te koppelen ontstaat methaan (aardgas, CH4).
Het rendement hierbij is 90%. Dit aardgas kan meteen in het bestaande gasnet worden gepompt.
Centrales zetten aardgas met een rendement van 50% om in stroom.
De buffering stroom --> gas --> stroom heeft dus een rendement van 33%.
Hiermee is langdurige opslag mogelijk. Op dit terrein vinden talloze experimenten plaats.
De kosten zijn onduidelijk, de economische haalbaarheid van opschaling is onzeker.
Opvallend is steeds de hoge extra inzet van technologie en materialen
om wisselvallige stroombronnen in te passen in een vraaggestuurd net.

Ruimtebeslag

Aan beleving van de natuur hechten wij grote waarde.
Om de natuur te sparen zullen wij de zonnepanelen bij voorkeur op daken installeren.
Die ruimte is echter beperkt.
Momenteel zijn dan ook talloze lokaties in ontwikkeling voor zogenaamde zonneweiden of -parken.
Dat zijn wel eufemismen want onder zonnepanelen groeit niets meer.
Het Chinese bedrijf Chint bouwt een groot zonnepark bij de Groningse plaats Sappemeer.
Op 117ha. grond komen 430.000 panelen met een totaal vermogen van 103MWp (mega watt piek).
Volgens opgave gaan die stroom leveren aan 32.000 huishoudens.
103MWp komt na omrekening neer op 7,5kWh stroom per huishouden per dag.
Landelijk is per huishouden 400kWh/dag energie nodig voor onze levensstijl,
zodat in werkelijkheid geen 32.000 maar (0,85x103x10^6)/(365x400) = 600 huishoudens worden bediend.

Het zonnepark is direct aan het net gekoppeld zodat er na zonsondergang
geen huishoudens van stroom worden voorzien. In de winter is de opbrengst ook vrijwel nul.
Dit vereist, dat er in de zomermaanden stroom opgeslagen wordt om in de winter het licht te kunnen laten branden.
Hiervoor is alleen gasopslag een optie. Die conversieslag heeft een rendement van 33%.
Het werkelijk aantal duurzaam bediende huishoudens is dus 0,33 x 600 = 200.
Per huishouden is een grondoppervlakte van bijna 6000m2 nodig en een investering van 450.000 euro
aan zonnepanelen. Dit bedrag is nog exclusief de waterstof en methaan fabrieken.
Nederland telt 7,5miljoen huishoudens en daarvoor is na volledige transitie naar zonne-energie
45.000km2 land nodig. Dat is meer dan onze landoppervlakte.

Een praktijkgeval

Inpassing van zonne-energie in het landschap is niet eenvoudig.
Een creatieve oplossing is de SolaRoad in het Noord-Hollandse dorp Krommenie.
Het betreft een fietspad van 86 meter lengte dat uit zonnepanelen bestaat .
De aanlegkosten waren €3,5 miljoen en het pad bedient drie huishoudens van stroom.
Bij een levensduur van 30 jaar is de afschrijving per huishouden 3.500.000 / (3 x 30 x 12) = €3240 per maand.
TNO spreekt van een groot succes.
Commentaar van krantlezers laat echter andere geluiden horen.

Conclusies

Het aandeel van zonnepanelen in de landelijke energietransitie zal zich tot enkele procenten beperken.
Opslag met batterijen is onbetaalbaar.
Omzetting van stroom naar synthetisch gas is nog in de experimentele fase.
Nuttige toepassingen van zonne-energie kunnen wel gevonden worden in de recreatieve sector
zoals op campings en in volkstuinen omdat daar industrie en transport ontbreken.

In onze maatschappij vervult de overheid zorgtaken.
Een eerste zorg betreft de beschikbaarheid van voldoende betaalbare energie.
Vertrouwen op ontoereikende technologie houdt het risico van energieschaarste in.
Dan beschikken alleen de rijken nog over voldoende energie met als gevolg
grote maatschappelijke ongelijkheid en instabiliteit.
De natuur is ook verliezer want illegale houtkap wordt dan misdrijf nummer één.