De zon is een onuitputtelijke en schone bron van energie. De energie bereikt de aarde als licht en warmtestraling. De hoeveelheid is ca. 9000 maal groter dan de energiebehoefte van alle 7 miljard aardbewoners samen.
De zon is eigenlijk een grote kernfusiereactor die is opgebouwd uit plasma (soort gas). Het is ook een grote magneet: rond de zon liggen magnetische velden. De atmosfeer (de dampkring om de aarde) en de magnetosfeer (het magnetisch veld van de aarde) beschermen het leven op aarde tegen het grootste deel van de schadelijke straling die de zon naast licht en warmte eveneens uitstraalt.
De kracht van het zonlicht is enorm. Iedere vierkante centimeter van het zonsoppervlak geeft even veel licht als 100 lampen van 60 Watt bij elkaar. Behalve zichtbaar licht (52%) straalt de zon ook infrarood (44%) en ultraviolet licht (4%) uit. Het infrarode licht kun je voelen, omdat het de huid verwarmt. Het ultraviolet licht geeft onze huid een kleurtje, maar kan ook zonnebrand of huidkanker veroorzaken.
De zon is een ster.
De zon staat op 150 miljoen kilometer afstand van de aarde.
Zonlicht doet er acht minuten over om de aarde te bereiken.
In de kern van de zon is het 15 miljoen graden Celsius.
Op de oppervlakte is de zon zo’n 6000 graden Celsius.
Klimaatverandering
Waarom is zonne-energie duurzaam?
In vergelijking met fossiele energiebronnen – olie, kolen en gas – heeft zonne-energie een belangrijk voordeel: het is duurzaam en schoon. Bij gebruik van zonne-energie komen er nauwelijks milieubelastende stoffen vrij, zoals CO2.
CO2
CO2 is een broeikasgas dat van nature in de atmosfeer (lucht) voorkomt en de warmte van de zon gedeeltelijk vasthoudt. Zonder broeikasgassen zou het op aarde veel kouder zijn dan nu.
Er zit nu 40 procent meer CO2 in de lucht dan 250 jaar geleden. Dat komt onder meer doordat de mens veel fossiele brandstoffen (olie, kolen en gas) gebruikt voor fabrieken, energiecentrales, huizen en vervoer. Om je een idee te geven: bij de productie van 1 kilowattuur (kWh) elektriciteit uit de verbranding van kolen komt minstens 900 gram CO2 vrij. Bij gasverbranding is dat 400 gram. Bij zonne-energie en andere schone energiebronnen komt er voor dezelfde productie veel minder CO2 vrij. Bij zonne-energie is dat bijvoorbeeld 50 gram.
Dat er bij zonne-energie nog CO2 vrijkomt, komt door de productie van de installaties zoals zonnepanelen en zonneboilers. Daarvoor zijn (nog) fossiele brandstoffen nodig en die tellen mee in de CO2 berekening.
Opwarming van de aarde
De extra broeikasgassen warmen de aarde op. En het gaat hard. Om een idee te krijgen: in de laatste 16 jaar zijn de 14 warmste jaren ooit gemeten. Gemiddeld is het nu 0,9 graden warmer dan 140 jaar geleden.
0,9 Graden lijkt misschien weinig, maar het heeft grote gevolgen voor het klimaat. Enkele voorbeelden: de stijging van de zeespiegel waardoor de kans op overstromingen toeneemt; grote droogte in bepaalde gebieden waardoor er niet voldoende voedsel verbouwd kan worden en er een tekort aan drinkwater ontstaat; het uitsterven van planten- en dierensoorten.
Vooral arme, tropische gebieden zullen last krijgen van de klimaatverandering. Maar ook voor Nederland heeft het gevolgen, denk maar aan de stijging van de zeespiegel.
Meer weten? Kijk naar dit filmpje over de gevolgen van klimaatverandering voor Nederland:
Maatregelen
Verminderen CO2 uitstoot
Deskundigen denken dat we de gevolgen waarschijnlijk aankunnen als de temperatuur niet meer dan 2 graden stijgt. Maar dat kan alleen als er rond 2050 op de hele wereld 40% minder CO2 uitstoot is in vergelijking met het jaar 2010. Daarom maken veel landen samen afspraken om de CO2-uitstoot te verminderen.
Nederland wil in 2020 in elk geval 16 % minder CO2-uitstoot dan in 2005, maar het liefst nog minder. Daarom stimuleert de overheid het gebruik van schone energiebronnen zoals windenergie en zonne-energie, duurzame mobiliteit, ander materiaalgebruik en het energiezuinig maken van gebouwen en huizen.
Zonne-energie
Van zonlicht naar zonne-energie
Instraling Elke dag bereikt een enorme hoeveelheid zonne-energie de aarde. Dit wordt ook wel de instraling genoemd. Zelfs bij bewolkt weer is er sprake van zoninstraling. We noemen dit diffuse straling. Bij onbewolkt weer spreken we van directe zoninstraling. De jaarlijkse instraling in Nederland bestaat voor circa 50 tot 60% uit diffuse straling.
Diffuse en directe straling
Ondanks dat het vaak bewolkt is, schijnt de zon zelf in Nederland voldoende om zonne-energie op te wekken. De hoeveelheid zoninstraling – en de daaruit te halen energie – is vele malen groter dan het energiegebruik.
kWh/m2 De instraling van de zon wordt uitgedrukt in kilowattuur per m2 (kWh/m2 - kilowattuur is de eenheid voor een hoeveelheid elektrische energie). De totale zoninstraling in Nederland op een horizontaal vlak bedraagt circa 1000 kWh per vierkante meter, per jaar.
Verschillen in zoninstraling
Gebied en jaargetijde
De instraling verschilt per gebied en per jaargetijde. Gemiddeld is er in de zomer 9 maal meer zoninstraling dan in de winter. De zon staat in de zomer hoger en de dagen zijn langer, waardoor het aantal zonuren hoger is dan in de winter. In figuur 2 is te zien hoe de zonne-instraling over het jaar varieert (toelichting Zenith: dit is het punt aan de hemel dat recht boven de kijker ligt)
Zoninstraling op verschillende tijdstippen in Nederland
De instraling in Spanje is groter dan in Nederland, omdat de zon er vaker schijnt. En zelfs binnen Nederland zijn er verschillen: aan de kust is meer instraling dan in Oost-Nederland. Het volgende plaatje laat zien hoe de zoninstraling in Nederland verschilt.
Gemiddelde globale instraling op een horizontaal vlak in kWh/m2 /jaar (1971-2000) (bron: KNMI)
Technieken
Thermische en fotovoltaïsche omzetting
Zonlicht kan gebruikt worden als verwarmingsbron zonder toepassing van speciale apparatuur, denk bijvoorbeeld aan zongericht bouwen, extra ramen, serres en glazen balkons. Dit heet passieve zonne-energie. Op de site van milieucentraal kun je hier meer over lezen.
Actieve zonne-energie Er zijn ook technieken die zonne-energie ‘actief’ omzetten in een bruikbare vorm van energie. De meest toegepaste technieken zijn:
Photovoltaic (engels) of fotovoltaïsche omzetting, waarbij het zonlicht direct wordt omgezet in elektriciteit met behulp van zonnepanelen (‘zonnestroom’)
Thermische omzetting, waarbij zonne-energie wordt omgezet in warmte met behulp van een zonneboiler en zonnecollectoren op het dak (‘zonnewarmte’). Dit wordt bijvoorbeeld gebruikt voor het verwarmen van kraanwater, de cv of zwembadwater.
Deze informatiebron gaat over zonnestroomsystemen. Als je meer wilt weten over zonnewarmtesystemen, kun je bijvoorbeeld kijken op deze site van het RVO.
Zonnestroomsysteem
PV-systeem
Op het plaatje hieronder is te zien hoe een zonnestroomsysteem werkt.
Een zonnestroomsysteem wordt ook wel PV-systeem genoemd. Zoals je bij het onderdeel Technieken hebt kunnen lezen, staat PV voor photovoltaic.
De meeste zonnestroomsystemen leveren de opgewekte stroom aan het elektriciteitsnet af. Dit zijn ‘netgekoppelde’ zonnestroomsystemen. Een netgekoppeld zonnepaneel van 100 Wp kan in Nederland jaarlijks zo’n 80 kWh zonnestroom leveren. De meeste zonnestroomsystemen zijn gekoppeld aan het elektriciteitsnet.
Er zijn ook zonnestroomsystemen die de opbrengst niet aan het net leveren, maar opslaan. Dat gebeurt bijvoorbeeld in een accu. Dit zijn ‘autonome’ zonnestroomsystemen. Deze systemen worden bijvoorbeeld toegepast in de scheepvaart en in campers of caravans.
In thema 2 gaan we uitgebreider op het zonnestroomsysteem in.
Rendement
Rendement zonnestroomsystemen
Bepaling van het feitelijke rendement van zonnepanelen gebeurt onder Standaard Test Condities (STC). Dat betekent een instraling van 1000 W/m2 (stralend blauwe hemel in juni) bij een zonneceltemperatuur van 25ºC. Het vermogen dat een bepaald paneel onder deze omstandigheden levert, is het zogenoemde piekvermogen, uitgedrukt in wattpiek (Wp). Bijvoorbeeld: een zonnepaneel met een celoppervlak van 1 m2 en een rendement van 15%, heeft een piekvermogen van 0,15 x 1000 = 150 Wp.
Gemiddeld produceert een zonnepanelensysteem van 6 panelen jaarlijks ruim 1.300 kWh elektriciteit. Bij de energieleverancier zou je hiervoor 290 euro betalen (prijspeil 2015/2016). Een huishouden bespaart in dit voorbeeld dus bijna €300 op de energierekening. Als de elektriciteitsprijzen gaan stijgen, wordt de besparing natuurlijk groter.
1.300 kWh is een gemiddelde. Dat betekent dat een zonnestroomsysteem ook meer of minder opbrengst kan hebben. Dit hangt af van het aantal zonnepanelen op het dak, de hoeveelheid zonneschijn en de maximale zoninstraling. De maximale zoninstraling wordt bepaald door de oriëntatie en de hellingshoek van het dak.
Oriëntatie
Met oriëntatie wordt bedoeld: de richting waarin de zonnepanelen staan opgesteld, bijvoorbeeld zuid of zuidoost.
Hellingshoek
De hellingshoek is de hoek waaronder de zonnepanelen ten opzichte van het horizontale vlak staan opgesteld.
Optimale opstelling
De optimale opstelling voor een zonnepaneel in Nederland is: hellingshoek 36°; oriëntatie zuid, 5° naar het westen). Bij deze opstelling ontvangt het zonnepaneel ruim 1100 uren volle zon per jaar.
Het grootste deel van de tijd levert het systeem echter minder omdat de zon niet altijd zo sterk schijnt. Daardoor is de opbrengst van een zonnestroomsysteem vaak niet genoeg voor de totale energiebehoefte van het huishouden. Meestal wordt er dus ook nog stroom van een energieleverancier gebruikt.
Opbrengst zonnestroomsysteem bij verschillende oriëntaties en dakhellingen
Kosten
De totale investering
Bepaling van het feitelijke rendement van zonnepanelen gebeurt onder Standaard Test Condities (STC). Dat betekent een instraling van 1000 W/m2 (stralend blauwe hemel in juni) bij een zonneceltemperatuur van 25ºC. Het vermogen dat een bepaald paneel onder deze omstandigheden levert, is het zogenoemde piekvermogen, uitgedrukt in wattpiek Een zonnestroomsysteem gaat ongeveer 25 jaar mee. Een systeem van 6 panelen (met een vermogen van 1.500 watt-piek) kostte in 2014 inclusief omvormer en installatie ongeveer 3.000 euro.
In de loop van de tijd komen daar onderhoudskosten bij. Per 10 m2 aan panelen is dat ongeveer €900,- over de hele levensduur van het systeem.
De totale investering is in ongeveer 11 jaar terug te verdienen.
Saldering
Als een zonnestroomsysteem meer stroom aan het net afgeeft dan de eigenaar zelf gebruikt, wordt dit verrekend met de energieleverancier. Die betaalt daarvoor de prijs van gewone stroom (in 2015/2016 gemiddeld 0,22 euro per kWh). Dit wordt saldering genoemd.
Energiebedrijven zijn wettelijk verplicht om dit te doen, in elk geval tot 2020.
Om te meten hoeveel stroom een huishouden aanlevert en afneemt, is een speciale meter nodig. Hierover lees je meer in thema 2.
Het arrangement Informatiebron Thema 1. Zonne-energie is gemaakt met
Wikiwijs van
Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt,
maakt en deelt.
Auteur
Energy College
Je moet eerst inloggen om feedback aan de auteur te kunnen geven.
Laatst gewijzigd
2018-01-10 15:41:27
Licentie
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding 3.0 Nederlands licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
