De zon: onze enige energieleverancier
Het is de enige energieleverancier op aarde: onze zon. Op bijna 150 miljoen kilometer afstand straalt zij enorme hoeveelheden energie op ons af. Op de zon wordt net zoveel energie opgewekt als een miljard atoombommen per seconde! En dat al circa 4,5 miljard jaar lang…
Zonder de zon zou leven niet mogelijk zijn. Dankzij de zon hebben we warmte, licht, wind en neerslag. Zeewater wordt verdampt tot wolken. Door temperatuursverschillen ontstaat luchtbeweging. Ook planten kunnen niet leven zonder zonlicht en water.
We staan er niet bij stil, maar al onze energie hebben we te danken aan de zon. Fossiele brandstoffen als aardgas, olie en steenkool zijn in honderden miljoenen jaren ontstaan door rottende plantenresten onder hoge druk diep in de grond. Deze voorraden raken een keer op en dragen bij aan problemen die in de wereld spelen zoals milieuvervuiling en klimaatverandering.
De voorraden olie en gas zorgen voor een ongelijke verdeling en machtsmisbruik in de wereld. Voor de zon geldt dat niet. Die straalt overal haar energie. In elk land. Wij kunnen deze energie heel goed gebruiken. Bijvoorbeeld door elektriciteit te maken en warmte op te slaan voor al onze gebouwen. Er zijn al een aantal technieken beschikbaar die hierbij helpen. Volgens wetenschappers blijft de zon nog zeker een aantal miljard jaar schijnen, dus we zullen nog een hele tijd zonne-energie kunnen oogsten!
Hoe werkt de zon?
De zon is geen planeet maar een ster. Ze heeft namelijk geen vaste kern en is dus een gasbol. Omdat ze zo dichtbij ons staat, krijgen wij van haar veel licht en voelen we de warmte goed.
Binnen in de zon is het wel 15 miljoen graden Celsius. Daar gebeurt iets waar we op aarde ook experimenten mee doen: kernfusie. Dit is een natuurkundig proces waarbij deeltjes waterstof onder zeer grote druk en gigantisch hoge temperaturen worden omgezet in helium. De zon is zo groot dat zij elke seconde net zoveel energie produceert als een miljard atoombommen!
Ook aan de oppervlakte van de zon is het nog enorm heet: 5500°C. Daar wordt de energie uitgestraald naar onder andere onze planeet. De helft van de straling zien we als zichtbaar licht (met alle kleuren), bijna de helft is infrarood en een heel klein deel is ultraviolet.
Energie van de zon
De zon straalt dus enorme hoeveelheden energie naar ons toe. Zouden we alle zonne-energie over de hele wereld opvangen, dan is er meer dan genoeg energie voor alle aardbewoners. Maar hoeveel energie is dat eigenlijk en hoeveel kunnen we daarvan omzetten in bruikbare energie voor onszelf?
In de 19e eeuw waren Franse wetenschappers aan het onderzoeken hoeveel energie de zon naar de aarde toe straalde. Claude Pouillet ontwikkelde een nieuw, vrij simpel instrument (een pyrheliometer). Deze moet op de zon gericht zijn en zet de warmte om in stroom waarmee de zonnesterkte gemeten kon worden.
Tegenwoordig zijn er ook andere manieren waarop de zonne-energie kan worden gemeten, zoals met satellieten. De zon straalt gemiddeld tussen de 1360 en 1370 Watt per vierkante meter naar de rand van onze atmosfeer. Deze hoeveelheid energie verandert door de jaren niet veel en heet daarom de zonneconstante.
De zon levert ons 50 keer meer energie dan we nodig hebben.
Niet alle energie die de zon naar onze planeet schijnt, bereikt ook het aardoppervlak. Een deel wordt opgenomen in de lucht (absorptie) door bijvoorbeeld waterdamp en ozon. Wolken weerkaatsten of verspreiden de stralen of houden deze tegen.
Maximaal driekwart van de zonne-energie bereikt ons aardoppervlak. Op een onbewolkte dag in juni staat de zon op het hoogste punt (op het Noordelijk halfrond). Aan het begin van de middag schijnt de zon het krachtigst met een sterkte van 1000 Watt per m² naar de aardbodem. Deze waarde wordt gebruikt om het rendement van zonnepanelen te bepalen.
In december straalt de zon op het hoogste punt bij onbewolkt weer hooguit nog maar zo’n 200 Watt. Omdat de zon lager aan de hemel staat, worden de zonnestralen over een groter oppervlak verspreid. Daardoor wordt er dus minder energie per vierkante meter ingestraald.
Behalve de stand van de zon speelt ook de duur en de hoeveelheid bewolking een rol. In de winter is er meer bewolking dan in de zomer. Ook is het aantal uren daglicht in de winter een stuk korter.
In totaal schijnt de zon in Nederland rond de 1500 uur per jaar. Dit is wanneer er sprake is van geen of slechts dunne bewolking; er zijn ongeveer 4380 daglichturen per jaar. Gemiddeld schijnt de zon 1000 kilowattuur per vierkante meter per jaar naar ons Nederlandse aardoppervlak.
Het ene moment schijnt de zon langer en feller dan het andere. Dat komt door de verschillen in de winter en zomer, maar ook bewolking heeft hierin een grote invloed. Gemiddeld wordt in Nederland per jaar ongeveer 1000 kilowattuur aan energie ingestraald door de zon. Zouden we al deze energie in heel Nederland kunnen opvangen, dan is dat 50 keer zoveel als we per jaar verbruiken!
Helaas bestaat er nog geen apparatuur waarmee we 100% zonne-energie kunnen opvangen. Ook ontbreekt nog technologie om energie of warmte langdurig te kunnen opslaan. Toch kunnen we wel een (heel klein) deel nu al omzetten in bruikbare energie. Hoe dat kan lees je hieronder.
*Het totale energieverbruik in Nederland wordt weergegeven in PetaJoule, zodat makkelijk verschillende energiesoorten met elkaar vergeleken kunnen worden. Dit is per jaar 3100 PJ. In Nederland wordt per m² circa 1000 kWh zonne-energie ingestraald. Dit is 1 miljard kWh per km². Aangezien Nederland 41.543 km² aan oppervlak heeft, gaat het dus om 41.543.000.000.000 kWh. Omgerekend is dat 149.554 PJ energie, dus ongeveer 50 keer zoveel.
Bronnen:
https://www.clo.nl/indicatoren/nl0052-energieverbruik-per-sector https://nl.qwe.wiki/wiki/Solar_constant
Hoe kunnen we zonne-energie gebruiken?
Elke dag komt de zon gratis en voor niks op. Waarom zouden we deze energie niet gebruiken?
Hoe kunnen we de energie uit het zonlicht voor onszelf gebruiken? Bekijk hieronder een aantal voorbeelden.
Direct benutten
Je ziet het vaak gebeuren: zodra de zon schijnt sluiten mensen de gordijnen. Jammer, want die gratis warmte is welkom en bespaart direct op je energiekosten.
Van oktober tot en met maart schijnt de zon gemiddeld bijna 500 uur uitbundig. Waarom zou je geen gebruik van al die uren gratis warmte?
Houd bij een verbouwing rekening met de zon. Een voorbeeld is een serre als uitbouw van je woning. Dankzij het glas warmt deze ruimte in de winter lekker op als de zon schijnt. Een afgesloten serre kan ook dienen als isolatie voor de rest van je woning.
Zonnepanelen
Zonnepanelen wekken elektriciteit op. Maximaal 20% van de zonne-energie wordt gebruikt om er stroom mee te maken. Een heel groot deel van de zonnestraling wordt dus helaas niet benut.
Toch zijn zonnepanelen onmisbaar in de opwekking van duurzame stroom.
Zonneboiler
Met een zonneboiler kun je warm water gebruiken die helemaal of deels door de zon is verwarmd! Een zonnecollector op het dak gebruikt tot 80% van de zonne-energie om er water in een boiler mee te verwarmen.
Dit verklaart de hoge opbrengst van een zonneboiler, want er wordt 50% bespaard op de energiekosten voor warm water. De warmte blijft opgeslagen bij jou thuis.
De realiteit over zonne-energie
Denk je erover na om systemen aan te schaffen die zonne-energie opwekken? Beschouw deze apparatuur als een klein hulpmiddel. Het is leuk om je eigen stroom op te wekken of te douchen met water dat is opgewarmd door de zon. Maar het gaat allemaal om kleine hoeveelheden.
We kunnen (nog) niet alle stroom of warmte van de zon opslaan. Ideaal zou zijn als we alle hitte uit de zomer zouden kunnen opslaan om in de winter te gebruiken! Helaas bestaat deze technologie nog niet.
Het nadeel van elektriciteit uit zonnepanelen is dat er geen goede balans is tussen de stroomproductie in de zomer en de winter. In de wintermaanden is de bijdrage van zonnestroom heel bescheiden, terwijl we op een zonnige zomermiddag niet weten waar we de stroom kwijt moeten.
Toch zijn er genoeg mensen die zelf hun eigen systemen op zonne-energie ontwerpen. Zoals een warmeluchtcollector, die de opgevangen warmte van de zon direct naar binnen blaast. Op internet is genoeg te vinden.
Verder is het aan te raden om te oriënteren op andere energiebesparende maatregelen. Er zijn andere manieren die eigenlijk veel meer winst voor het milieu opleveren en die vaak minder geld kosten!
Bronnen:
National Geographic Reis door het heelal
http://www.weerstationhaaksbergen.nl/weather/index.php/Weblog/zonnestraling-en-zonnepanelen.html
https://schooltv.nl/video/ontdek-de-ruimte-met-andre-kuipers-de-zon/