Streven. Vlaamse editie. Jaargang 47

(1979-1980)– [tijdschrift] Streven. Vlaamse editie– rechtenstatus



[pagina 166]
Toekomst zonne-energie in Nederland S.H.A. Begemann, N.V. Philips Recente ontwikkelingen in het Midden-Oosten (Iran-olie) en in de Verenigde Staten (Harrisburg-kernenergie) leren ons dat onze energievoorziening vooralsnog een punt van blijvende zorg zal zijn. Zuiver technisch gezien heeft de wereld voldoende fossiele en nucleaire energievoorraden en natuurlijke energiebronnen om een bijna ongelimiteerde energiehonger van de mens te kunnen stillen. Het zijn echter vooral economische, politieke, maatschappelijke, milieutechnische en ethische overwegingen die de beperkende randvoorwaarden voor de werkelijke energievoorzieningsmogelijkheden vormen. Energie discussies worden hierdoor uiterst verwarrend en ondoorzichtig, omdat de discussianten per definitie niet op alle relevante deelonderwerpen deskundig en objectief kunnen zijn, laat staan dat er iemand is die alle voor- en nadelen en de onderlinge beïnvloeding kan beoordelen. In dit verband moet geconstateerd worden dat in Nederland t.a.v. de mogelijkheden voor zonne-energie een meer genuanceerde discussie wenselijk en mogelijk is. In dit artikel zullen eerst een aantal feiten t.a.v. benuttingsmogelijkheden van zonne-energie op een rijtje gezet worden. Vervolgens zal aangegeven worden wat de implicaties hiervan zijn voor een grootschalig gebruik van zonne-energie in Nederland.
Zonne-energie: direct en indirect Zonne-energie is een verzamelnaam geworden van een breed scala van z.g. alternatieve bronnen waar energie uit gewonnen kan worden, die direct of indirect hun oorsprong ontlenen aan het feit dat de aarde door de zon bestraald wordt. In deze allesomvattende definitie schuilt reeds een stuk verwarring, omdat
[pagina 167]
de indruk gewekt kan worden dat het hier gaat om nieuwe (‘alternatieve’) energiebronnen met vaak een groot potentieel. Wij maken daarom allereerst een onderscheid tussen de z.g. directe en indirecte bronnen waarbij het onderscheid vooral hierin bestaat dat bij de directe vorm, zonne-energie rechtstreeks omgezet wordt in een bruikbare energievorm. Bij indirecte vormen worden onder invloed van zonnestraling fysische en/of chemische processen op gang gebracht waaruit in tijd en vaak in plaats verschoven energie gewonnen kan worden. Indirecte vormen zijn: de onder invloed van de zonnestraling teweeggebrachte ‘scheidingen’ of verdelingen in de atmosfeer, hydrosfeer en biosfeer, waaruit bruikbare energie gewonnen kan worden, zoals windenergie, waterkracht en biomassa, welke laatste vorm varieert van het verbranden van hout tot het vergisten van mest, pulp, stro enz. Directe vormen zijn: de rechtstreekse omzetting van de uitgestraalde licht(foto)-energie van de zon in bruikbare elektrische of thermische energie, de zo geheten fotovoltaïsche omzetting in elektriciteit en de fotothermische omzetting in warmte. Het zijn vooral de indirecte vormen die voor sommige landen nu reeds een grote rol spelen, met belangrijke uitbreidingsmogelijkheden voor de toekomst. Een sprekend voorbeeld daarvan is te vinden in ref. 1Ga naar voetnoot1, waarin voorgerekend wordt dat Zweden in het jaar 2015 volledig ‘solar’ kan zijn. Van de dan geprojecteerde 568 eenheden primaire energie die per jaar nodig zullen zijn, komen 65 (= 12%) uit waterkracht, 30 (= 5%) uit windkracht en 351 (= 60%) uit biomassa waarvan 260 (= 46%) door energieplantages geleverd moeten worden. Tussen haakjes: met vergelijkbaar energieverbruik in Nederland zou daarvoor alleen al ons totaal bodemoppervlak gebruikt moeten worden. Slechts 120 eenheden (= 21%) worden geleverd door directe vormen. Wat dus voor Zweden als discussie-uitgangspunt niet bij voorbaat onzinnig hoeft te zijn, betekent echter niet dat hetzelfde voor Nederland opgaat. Voor Nederland kan van de indirecte vormen van zonne-energie in feite alleen windenergie van importantie worden. Studies van de mogelijkheden hiervoor (ref. 2)Ga naar voetnoot2 laten zien dat met 5.000 windturbines met een diameter van 50 meter in 20% van onze huidige elektriciteitsbehoefte is te voorzien, ofwel 4% van het Nederlandse brandstofverbruik. Hiervoor is een windturbineveld van 5.000 km² in de
[pagina 168]
Noordzee nodig. Onder het motto alle kleine beetjes helpen kan aan windenergie niet zondermeer voorbijgegaan worden. Wij beperken ons in dit artikel echter tot de directe benutting van zonne-energie.
Kenmerkende eigenschappen van directe benutting van zonne-energie Aangezien zonne-energie van nature een lage energiedichtheid heeft, zijn voor de winning grote ‘verzameloppervlakten’ nodig, iets wat in het dichtbevolkte Nederland schaars is. Om de implicaties hiervan te zien zetten we het volgende gedachtenexperiment op. Stel dat we wetten van de thermodynamica mogen vergeten en geen onderscheid hoeven te maken tussen laag- en hoogwaardige energie (= kwaliteit) maar alleen hoeven te kijken naar de hoeveelheid primaire energie die we gebruiken. Deze bedraagt nu in Nederland ca. 10¹¹ kWh/jaar. Nederland krijgt per jaar ongeveer 1.000 kWh/m² zonne-energie. Als het nuttige omzettingsrendement op jaarbasis 30% zou zijn dan hebben we nodig 2.200 km² ofwel ca. 6.5% van de oppervlakte van Nederland. Bedraagt het nuttig rendement geen 30% maar 3% dan zou 65% van Nederland één grote ‘zonnecollector’ moeten zijn als we alle energie uit de zon willen halen. Het zal duidelijk zijn dat bij een gemiddeld nuttig jaarrendement van 3% alleen al het benodigde collectoroppervlak voor Nederland onaanvaardbaar is. Het is daarom van belang om dieper in te gaan op de overige karakteristieken van zonne-energie die bepalend zijn voor de realiseerbare jaarrendementen. Dit is dan het in tijd sterk wisselend aanbod van zonne-energie en de consequenties hiervan, wanneer men een ‘verbruiker’ aan een zonne-installatie koppelt.
Het aanbod van zonne-energie Voor het Nederlandse klimaat is een verdeling over een jaar van de gemiddelde hoeveelheid zonne-energie per maand gegeven in figuur 1. Van bijzonder belang is hierbij het grote verschil tussen winter en zomer (1:5). Deze ongunstige verhouding is karakteristiek voor het Noord-europese depressieklimaat. Voor een plaats met een typisch lanklimaat (Madison, V.S.A.) ligt de
[pagina 169]
Figuur 1: Verdeling van de gemiddelde daginstraling per maand (hellingshoek = 50°; oriëntatie = Zuid). verhouding winter-zomer op 1:2. Naast de golvende seizoencyclus is er nog het grillige verloop van dag tot dag, waarvan een voorbeeld is gegeven in figuur 2 en vaak een grillig verloop van uur tot uur. Het zal duidelijk zijn dat met een zo sterk fulcuerend aanbod het afstemmen van vraag (= gebruik) en aanbod problemen kan opleveren. Welke de consequenties hiervan kunnen zijn, zullen we hieronder laten zien.
De realiteit van een zonnesysteem Wat de karakteristieke problemen zijn die ontstaan door het verschil in vraag en aanbod, zullen we illustreren aan de hand van één van de meest uitgesproken voorbeelden, het verwarmen van een huis d.m.v. zonnecollectoren. Dit voorbeeld is met opzet gekozen, omdat hier de effecten versterkt naar boven komen. De effecten als zodanig zijn echter inherent aan de benutting van een z.g. ‘stromingsenergiebron’. Er zijn vele mogelijkheden om een zonneverwarmingssysteem te maken. We maken ook hier weer een keuze die zo karakteristiek mogelijk is en aansluit bij de types ‘zonnehuizen’ die in Nederland bekendheid hebben gekregen. Deze bestaan uit de combinatie van vloeistofcollectoren op een
[pagina 170]
Figuur 2: Verdeling van de gemiddelde daginstraling over een jaar (hellingshoek = 50°; oriëntatie = Zuid). naar het zuiden georiënteerd dak en een warmteopslag bestaande uit een goed geïsoleerd vat met water. Om een ruw idee te krijgen wat we met de zon kunnen doen om een woning te verwarmen, kijken we eerst naar de gemiddelde vraag en het gemiddelde aanbod. De huidige doorsneewoning heeft in de winter een gemiddeld energieverbruik tussen de 100 en 250 kWh/dag. Figuur 1 leert ons dat er in de winter per dag gemiddeld 1 k Wh/m² zonne-energie beschikbaar is. Zelfs als we dit met een opvangrendement van 50% in warmte kunnen omzetten, dan hebben we nog altijd 200 tot 500 m² collectoroppervlak nodig om volledig in de warmtebehoefte van het huis te voorzien. Het zal duidelijk zijn dat we met een beschikbaar dakoppervlak van 25 tot 50 m² slechts zo'n gering percentage van onze behoefte kunnen dekken dat het niet eens de moeite waard lijkt. Met bovenstaande gesimplificeerde berekening krijgen we ook geen informatie wat we precies zouden moeten doen om de situatie te verbeteren. Meer collectoroppervlak per huis is om vele redenen onmogelijk. De enige oplossing lijkt te liggen in het terugdringen van de warmtevraag, m.a.w. beter isoleren. Bovendien heeft dit als voordeel dat in een goed geïsoleerd huis met een lagere watertemperatuur van de verwarmingsinstallatie vol
[pagina 171]
staan kan worden. Deze lagere temperatuur heeft weer een gunstige invloed op het opvangrendement van de zonnecollectoren enz., enz. Op basis van dergelijke redeneringen zijn veel van de eerste zonnehuizen gebouwd. Willen we echter een goed inzicht krijgen in wat er precies gebeurt, dan moeten we ons gaan bedienen van computersimulatietechnieken. Hiermee is het mogelijk om de effecten van het veranderen van verschillende parameters, zoals collectoroppervlak, grootte van de opslag, mate van isolatie van het huis enz. nauwkeurig te bestuderen. De veronderstellingen die in de computermodellen gestopt worden, moeten uiteraard door praktijkproeven geverifieerd, c.q. gecorrigeerd worden. De computermodellen en praktijkproeven zijn nu voldoende ver geanalyseerd dat we er een betrouwbaar beeld uit krijgen. Hoe dit er uit ziet voor een zonneverwarmingsinstallatie voor een huis, zullen we hieronder bespreken. We gaan uit van een standaard 4-persoons huis waarvoor we een prefab model kiezen dat in Europa (Duitsland, Zweden) veel toegepast wordt, met een inhoud van 300 m³, woonoppervlak van 115 m² en vensteroppervlak van 24 m². Met enkel glas en huidige isolatienormen heeft dit huis voor verwarming nodig ongeveer 50.000 kWh/jaar (N-huis). Verminderen we de warmte verliezen van dit normale huis door toepassing van muur- en vensterisolatie (thermopane) en kierafdichtingen volgens de Zweedse normen, dan wordt de verwarmingsbehoefte teruggebracht tot de helft = 25.000 kWh/jaar (S-Huis). Het blijkt mogelijk om met bestaande materialen en bouwtechnieken de warmteverliezen nog verder te verminderen. Door Philips is op het terrein van de researchlaboratoria in Aken bovengenoemd prefab huis gebouwd met toevoeging van zware isolatie en speciale voorzieningen om de natuurlijke ventilatie (verliezen door kieren e.d.) te minimaliseren. Dit huis heeft een verwarmingsbehoefte van 9.000 kWh/jaar (E-huis). In een dergelijk huis is het wel noodzakelijk om met behulp van mechanische ventilatie voor de nodige luchtverversing te zorgen. We rusten elk van de drie bovengenoemde huizen uit met een zonne-installatie, bestaande uit vloeistofcollectoren en een watertank, waarin warmte voor enkele dagen opgeslagen kan worden. Bij gegeven collectortype zijn het collectoroppervlak en opslagvolume van grote invloed op de hoeveelheid warmte die we nuttig van de zonne-Ga naar voetnoot3
[pagina 172]
installatie kunnen betrekken. De mate waarin de zonneinstallatie bijdraagt aan de verwarming, noemen we het dekkingspercentage. Hoe dit dekkingspercentage afhangt van het collectoroppervlak en opslagvolume, is voor de drie verschillende huizen geïllusreerd in fig. 3 voor een collector met zeer hoog rendement. We merken allereerst op dat bij vergroting van collector-oppervlak en/of opslagcapaciteit er verzadigingseffecten optreden. Deze zijn karakteristiek voor zonne-installaties. Als we ons beperken tot een in de praktijk maximaal beschikbaar dakoppervlak van 40 m², dan zien we dat het normale huis een gemiddeld dekkingspercentage van 25% heeft. Het Zweeds geïsoleerde huis benadert zo'n 55% en het extreem geïsoleerde experimentele Philips huis een 80% dekking. Figuur 3 wekt de indruk dat als we maar goed genoeg isoleren, het mogelijk wordt om het grootste deel van de verwarmingsbehoefte met de zon te dekken. Dit is technisch gezien juist. Het is echter ook nodig om zich af te vragen wat in zo'n geval de kosten gaan worden. Hiertoe bekijken we fig. 4 waarin bij gegeven tankvolume het jaarsysteemrendement is uitgezet als functie van het collectoroppervlak. Dit rendement is gedefinieerd als de verhouding tussen de nuttig voor ruimteverwarming gebruikte zonne-energie en de in één jaar op het collectoroppervlak vallende hoeveelheid zonne-energie. Dit systeemrendement is omgekeerd evenredig met de ‘zonne-energie-kosten’, immers hoe hoger het rendement, hoe meer energie de installatie voor dezelfde investeringskosten levert. Fig. 4 illustreert op dramatische wijze dat, als we willen proberen om een voldoende groot deel van onze verwarmingsbehoefte uit de zon te dekken, we hiervoor een steeds hogere prijs moeten betalen, omdat het nuttig rendement afneemt. Dit voorbeeld illustreert ook dat zonne-energie weliswaar met rendementen van zo'n 25% om te zetten is in warmte, maar dat, als we willen proberen om een belangrijk deel van de warmtevraag te dekken, het nuttige gebruiksrendement snel afneemt. Dit, nog door weinigen onderkende, effect is één van de belangrijkste beperkende factoren voor toepassing van zonne-energie in Nederland. De computersimulaties helpen ons om deze systeemeffecten te bestuderen om op grond daarvan te kunnen komen tot optimale oplossingen. Ze hebben ons inmiddels ook geleerd, dat zelfs bij geoptimaliseerde oplossingen de toevoeging van een zonne-installatie in zeer veel gevallen een dure oplossing is, die gezien goedkopere mogelijkheden om vergelijkbare besparingen te krijgen daardoor zeker niet de eerste keus zal zijn. De belangrijkste oorzaak van de slechte kosten-baten verhouding van
[pagina 173]
Figuur 3: Dekkingspercentage zonne-energie voor ruimteverwarming voor prefab huis als functie van collectoroppervlak, opslagvolume en mate van isolatie (Normaal, S(zwaar) en Extreem geisoleerde woning). Figuur 4: Jaarlijks systeemrendement van de zonneinstallatie voor het normaal (N), zwaar (S) en extreem (E) geisoleerd huis (opslagvolume 9 m³).
[pagina 174]
zonne-installaties voor de meeste toepassingen in Nederland is de grote discrepantie, zowel in grootte als in tijd gezien, tussen vraag naar warmte en aanbod van zonne-energie. Het is hierdoor onjuist om vergelijkingen te trekken met ontwikkelingen en verwachtingen in het buitenland. Ter illustratie hiervan dienen het feit dat de zonne-installaties in bovengenoemde 3 huizen in Madison (V.S.A.) met zeer koude, maar zonnige winters, die karakteristiek zijn voor een landklimaat, 2 keer zoveel nuttig bruikbare energie voor ruimteverwarming leveren. M.a.w. ‘zonnewarmte’ in Madison kost de helft van die in Nederland. Als we bovendien bedenken dat ginds op vele plaatsen het alternatief ‘dure elektrische weerstandsverwarming’ is, die teruggerekend op vergelijkbare warmtebasis 2 tot 3 maal zo duur is als ons aardgas, dan moeten we constateren dat het verschil tussen Madison (V.S.A.) en Nederland in het geval van ruimteverwarming een factor 4 tot 6 is.
Conclusies De toepassingsmogelijkheden van zonne-energie in Nederland zijn uiteraard niet beperkt tot het bovengenoemde voorbeeld voor ruimteverwarming. Warmtapwatervoorziening ligt een stuk gunstiger, omdat hier sprake is van een min of meer continue vraag naar warmte over het hele jaar. In vele gevallen is de warmwaterbehoefte van een Nederlands gezin echter zo gering dat een ‘zonneboiler’ installatie oneconomisch klein wordt. De combinatie warmwatervoorziening en openlucht zwembad is nog gunstiger, omdat vraag en aanbod elkaar nagenoeg dekken, waardoor de zonne-installatie optimaal benut kan worden. Het zal echter duidelijk zijn dat, gezien het geringe aantal, hier weinig bijdrage aan onze nationale energiehuishouding geleverd zal worden. We moeten dan ook constateren dat de benutting van zonne-energie in Nederland vooralsnog slechts op beperkte schaal toepassingsmogelijkheden zal vinden. Het gaat hierbij primair om de produktie van laagwaardige warmte. Verwarming van zwem-, tap- en process-water biedt de meeste perspectieven, zij het dat hiervoor de energieprijzen moeten stijgen tot niveaus die zelfs met huidige vooruitzichten niet vóór 1990 bereikt zullen worden. De ruimteverwarming met behulp van zonne-energie zal zeker niet geschieden op de manier waarop de eerste zonnehuizen in Nederland zijn gebouwd en die in dit artikel als voorbeeld zijn gehanteerd. Ook in
[pagina 175]
vakkringen begint het besef door te dringen dat besparing op ruimteverwarming veel meer gezocht moet worden in architectonische en bouwkundige maatregelen in combinatie met zuiniger verwarmingsunits. Een energiebewust ontworpen en goed gebouwd huis kan t.o.v. de huizen die nu gebouwd worden, zo'n 30 tot 50%, op de energiebehoefte besparen voor extra investeringen die nu reeds rendabel zijn. De grootste bijdrage aan toekomstige energiebesparingen is dan ook niet te verwachten van zonne-installaties maar van betere voorlichting, scholing en overheidsmaatregelen om de bouwwereld ‘energie-efficiënt’ te maken. Daarna pas zal, op een veel hoger energie-prijsniveau, zonne-energie aan bod kunnen komen. Het spreekt vanzelf dat het verstandig is om in de nieuwbouw nu reeds rekening te houden met de mogelijkheid om t.z.t. een zonne-installatie toe te voegen. In Duitsland liggen voorstellen op tafel om hiervoor voorzieningen in de bouwvoorschriften op te nemen. Van de huizen en gebouwen die er in het jaar 2000 in Nederland zullen staan, is ± 70% nu al gebouwd. Slechts een beperkt deel hiervan zal door zijn gunstige ligging t.z.t. in aanmerking kunnen komen voor een zonne-installatie. Het zal dus zaak zijn om in de bestaande bouw en bij renovatie veel aandacht te besteden aan verbetering van de warmtetechnische kwaliteit. De eerder genoemde processwarmte lijkt in ons land vooralsnog beperkte mogelijkheden te hebben. De twee belangrijkste redenen hiervoor zijn het feit dat beschikbaar oppervlak om de nodige collectoren te plaatsen veelal ontoereikend is, c.q. duur zou worden, en dat veel van de processwarmte voor een lage prijs in z.g. gecombineerde kracht-warmte opwekking ter beschikking komt van de betrokken industrie. In dit artikel is niet gestreefd naar volledigheid, wel naar realiteit. Zonne-energie is voor Nederland een zaak op lange termijn, waar nu reeds met verstand aan gewerkt moet worden. Het is echter te verwachten dat in het jaar 2000 veel minder dan de officiële prognose (ref. 3) van 1 tot 2% van de Nederlandse energiebehoefte met zonne-installaties is te dekken. De feiten dwingen tot voorzichtiger conclusies over de mogelijkheden zoals die geprojecteerd zijn door actiegroepen en andere groepen van belanghebbenden. Er is echter de geruststellende zekerheid dat in tegenstelling tot de kern-energie er geen 35 jaar, miljarden guldens en geheimhouding nodig zullen zijn om naast de mogelijkheden ook de beperkingen van zonne-energie te leren kennen. Zonne-installaties zijn in een paar jaar gebouwd en beproefd. Het is dan ook veel meer een vak voor installateurs dan voor ‘wetenschappers’ die
[pagina 176]
zonder vakkennis proberen verwarmingstechniek en loodgieterswerk te verheffen tot een nieuwe wetenschap. Energiebesparing op ‘conventionele’ wijze lijkt daarom vooralsnog de meest verstandige keuze.	voetnoot1 Solar Sweden, Ambio 1978, Vol. 7, No. 2. voetnoot2 Voorstel Nationaal Onderzoekprogramma Windenergie. LSEO, 2 juni 1975. voetnoot3 Rapport van de werkgroep ter voorbereiding van het nationaal onderzoekprogramma voor de laag-kalorische toepassing van zonne-energie in Nederland. LSEO 873, juni 1977.