De belofte van zonne-energie

Rijen spiegels staan gericht op een zelfde punt van een ruim 60 meter hoge „energietoren”. In dat brandpunt verzamelt zich de hitte van meer dan 1000 zonnen en worden temperaturen bereikt van meer dan 2300 graden Celsius

IN EEN tijd van energietekorten is het niet onopgemerkt gebleven dat de zon een onuitputtelijke bron van energie is, die de hele bewoonde aarde overstelpt met haar weldadige licht en warmte. Ze houdt de aarde op een aangename gemiddelde temperatuur. Ze verschaft de energie voor de plantengroei en daardoor voor al het leven. Deze weldaden zijn zo vanzelfsprekend dat velen er geen moment over nadenken.

Maar op velerlei gebied, waar de straling van de zon niet rechtstreeks aangewend kan worden, zijn wij ons op andere vormen van energie gaan verlaten. Als deze andere energiebronnen nu uitgeput raken en ons in de steek laten, kunnen wij dan onze huizen met zonnestralen verwarmen en onze fabrieken met zonnestraling in bedrijf houden? Kunnen wij de stralen van de zon op een of andere manier omzetten in elektriciteit voor onze lampen, kunnen onze elektromotoren erop lopen en kunnen wij er stroom mee opwekken voor onze radio’s en televisies? Zouden wij zonne-energie kunnen opslaan in de brandstoftanks van onze auto’s en vliegtuigen?

Deze mogelijkheden worden op het moment serieus onderzocht. In vele laboratoria wordt fundamenteel onderzoek verricht naar wegen om de energie van de zon te benutten. Dat in zonlicht een enorme energie opgesloten ligt, is buiten kijf. De zonnestraling die valt op een gebied van slechts 26 vierkante kilometer in de Amerikaanse staat Arizona, bevat evenveel energie als alle krachtcentrales in de hele VS kunnen opwekken. Wat zijn dan de problemen?

Het eerste probleem waarmee wij te maken krijgen, is dat zonlicht altijd diffuus is. Iedere zonnecollector van niet al te grote afmetingen ontvangt slechts betrekkelijk weinig energie. Maar zelfs dat diffuse, niet gebundelde zonlicht leent zich voor een aantal gebruiksdoeleinden. Gebouwen die zo zijn ontworpen dat er zonlicht kan binnenvallen, vangen genoeg warmte op om heel wat te kunnen uitsparen op de brandstof die voor verwarming nodig is. Water kan in tanks op het dak worden verhit tot een temperatuur die hoog genoeg is voor het bad, de vaat of de was.

Een andere beperking die aan zonne-energie eigen is, ligt in de omstandigheid dat ze niet altijd beschikbaar is wanneer wij dat willen. Zonne-energie wordt uitgedraaid bij zonsondergang. Ook wolken sluiten de energie van de zon af. De intensiteit van het zonlicht, het aantal uren daglicht en de mate van bewolking variëren allemaal met de breedtegraad en de seizoenen. Vele toepassingsmogelijkheden voor zonne-energie zullen afhangen van het vinden van manieren om energie op te slaan wanneer de zon schijnt en dan te gebruiken wanneer de zon het ’s nachts of op bewolkte dagen laat afweten.

Een eenvoudige manier om zonne-energie op te slaan is overdag water te verwarmen en in geïsoleerde tanks te bewaren voor gebruik ’s nachts. Het hete water kan ook door radiatoren circuleren om het huis te verwarmen. Tijdens slecht weer moet een dergelijk systeem uit een andere energiebron worden aangevuld. Als systeem voor bijverwarming wordt het echter reeds toegepast om de behoeften aan gas of elektriciteit te verminderen.

Er zijn vernuftiger manieren om de hitte van de zon aan te wenden, die verder reiken dan deze elementaire toepassing. Door de zonnestralen te bundelen is het mogelijk veel hogere temperaturen te bereiken. Haast iedereen heeft wel eens een stukje papier onder een vergrootglas in het brandpunt van de zonnestralen gehouden en dan toegekeken hoe het begon te smeulen en vlam vatte. Op een grotere schaal wordt ditzelfde principe toegepast door met behulp van gebogen spiegels zonnestralen te laten samenvallen op een klein gebiedje dat hierdoor witheet wordt. De temperatuur loopt hierbij zo hoog op dat de opgewekte hitte zelfs het moeilijkst smeltbare materiaal kan doen smelten. In een dergelijke zonne-oven in Zuid-Frankrijk staat in het brandpunt een stoomketel opgesteld, waarmee men elektriciteit opwekt die wordt geleverd aan het nationale energiesysteem. De fabrikant zegt centrales voor zonne-energie te kunnen leveren met een capaciteit van 1000 kilowatt.

Nog grootser van opzet is een soortgelijk systeem dat dicht bij Albuquerque in de Amerikaanse staat New Mexico is gebouwd en waarmee men wil onderzoeken wat de economische mogelijkheden zijn voor een echte centrale van reële grootte. Rijen spiegels staan gericht op hetzelfde punt van een ruim 60 meter hoge „energietoren”. Iedere spiegel is 1,2 meter in het vierkant, en 25 ervan staan telkens in een vierkant patroon op een „heliostaat” gemonteerd. Terwijl de zon haar baan langs de hemel volgt, beweegt de heliostaat synchroon mee om de gereflecteerde bundel op het doel gericht te houden. Op een driehoekig veld ten noorden van de toren staan 222 van dergelijke heliostaten opgesteld. Een computer bestuurt elk ervan afzonderlijk in overeenstemming met zijn afstand en richting.

Wanneer ze allemaal op de toren gericht staan, is al het zonlicht dat op 0,8 hectare valt, geconcentreerd op een oppervlak van 0,5 vierkante meter. De hitte van zo’n meer dan duizend zonnen doet een temperatuur van 2300 graden Celsius ontstaan. Bij de eerste proeven die werden genomen, smolten de stralen van de heliostaten in een oogwenk een gat in een stalen plaat.

Nadat er proeven zijn gedaan met een stoomketel in de toren, staat nu de bouw van een 10.000 kilowatt zonne-energiecentrale bij Barstow in Californië op het programma. Deze centrale kan misschien reeds in 1981 opgenomen worden in het hoogspanningsnet van Zuid-Californië.

Elektriciteit uit zonlicht

Ondertussen werken andere geleerden aan een project op langere termijn, waarbij zonlicht direct in elektriciteit omgezet moet worden. Op zich is het principe niet nieuw. Al jaren maken wij in allerlei apparatuur gebruik van het foto-elektrisch effect. Zo geeft een fotocel in een camera aan wat de juiste diafragmaopening is om bij een gegeven helderheid van het licht te gebruiken. Het licht veroorzaakt een heel zwak stroompje, dat een wijzertje langs een schaalverdeling laat bewegen. Dit principe op een zo veel grotere schaal toe te passen dat met de stroom nuttige arbeid verricht kan worden, is een formidabele taak, maar de voordelen beloven enorm te zijn.

Hoe kan licht in een fotocel elektriciteit doen ontstaan? Het geheim ligt in het gebruik van een halfgeleider. Een stof die een goede geleider is, zoals de meeste metalen, heeft zijn elektronen heel losjes aan de atomen gebonden zitten. Ze bewegen zich vrijelijk en kunnen een elektrische stroom geleiden. In een isolator zijn de elektronen heel sterk aan hun banen gebonden en zijn niet vrij om door de stof te bewegen. Halfgeleiders nemen een tussenpositie in: de elektronen zijn gebonden, maar niet erg sterk, zodat ze met een klein duwtje vrijkomen en uit het atoom weg kunnen.

Zuiver silicium is een slechte geleider. Heel geringe hoeveelheden verontreiniging maken er echter een veel betere geleider van. Zo betekent de toevoeging van een spoortje van een element als arsenicum, dat vijf buitenste elektronen heeft, eentje meer dan de vier van silicium, dat er vrije elektronen aan het kristal toegevoegd worden. Of een weinig borium, dat slechts drie buitenste elektronen heeft, veroorzaakt een tekort. De ontbrekende elektronen worden gaten genoemd. Een ander elektron kan gemakkelijk vanaf een aangrenzend atoom in een gat springen, waarbij het effect hetzelfde is alsof het gat beweegt en er zich een positieve stroom voortplant.

De eerste soort van verontreinigde silicium wordt het n-type genoemd omdat het een teveel aan elektronen heeft (negatief). De tweede soort heet p-type omdat hier een teveel aan gaten is (positief). Als deze twee soorten silicium tegen elkaar gelegd worden, vormen zij een np-overgang. Elektronen zullen slechts in één richting dit scheidingsvlak passeren. Dit vormt de basis voor de transistor, die de aanzet heeft gegeven voor de vervanging van die oude grote elektronenbuizen door de uiterst kleine siliciumchips van vandaag.

Veronderstel nu dat wij twee grotere lagen nemen, n- en p-silicium, en die tegen elkaar plaatsen. In plaats van de transistorchip hebben wij nu een zonnecel. Als hier zonlicht op valt, dan wordt de energie van de fotonen, de afzonderlijke pakketjes zonlicht, geabsorbeerd en dit leidt ertoe dat elektronen worden vrijgemaakt van de siliciumatomen. Als de twee zijden van de cel worden verbonden zodat ze een circuit vormen, zullen er elektronen van de n-kant naar de p-kant stromen. Deze elektrische stroom kan arbeid verrichten, en het is elektriciteit die uit zonlicht is gemaakt.

Niet alle energie in het zonlicht kan als elektriciteit teruggewonnen worden. De energie in een foton zonlicht varieert van 1,5 tot 3,0 elektronvolt, al naar gelang de kleur van rood tot violet loopt. Maar er is slechts ongeveer 1,0 elektronvolt voor nodig om een elektron in het siliciumkristal vrij te maken, zodat de rest van de energie als warmte verloren gaat. Het maximale theoretische rendement van een enkele siliciumcel is ongeveer 22 percent. De meest efficiënte cellen die tot dusver werkelijk zijn vervaardigd, halen ongeveer 15 percent. Men hoopt door verschillende basissoorten van halfgeleiders in verscheidene lagen te combineren, een omzetting van wel 50 percent van de energie in het zonlicht te bereiken.

Toepassing van zonnecellen

Zonnecellen nemen reeds een belangrijke plaats in de moderne technologie in omdat ze worden gebruikt om in ruimtevaartuigen energie te leveren. Voor deze toepassing zijn ze uitstekend geschikt. Bij interplanetaire reizen zijn ze voortdurend blootgesteld aan het volle zonlicht (in een baan om de aarde voor meer dan de helft van de tijd). Er zijn geen wolken die het zonlicht tegenhouden, en ze worden niet door regen of wind geteisterd. De kosten worden opgevangen uit de royale budgetten van het ruimteonderzoek.

Zo treffen wij als opvallendste kenmerk in het silhouet van het Skylab of van de Vikingen die naar Mars reisden, de grote uitstekende wieken met zonnepanelen. Zonnecellen hebben bewezen betrouwbaar en duurzaam te zijn. De energievoorziening van de Viking werkte twee jaar nadat het voertuig in zijn baan om Mars was beland, nog steeds. Dat de zonnecellen zich zo goed kweten van hun veeleisende taak en nog steeds 600 watt produceerden, vormt beslist een aanbeveling. De angstvallige nauwgezetheid en de buitensporige kosten om de zonnecellen zo te maken dat een dergelijke perfectie gewaarborgd is, kunnen gemakkelijk aan een Viking besteed worden. Maar de huidige kosten zullen tot minder dan een twintigste gereduceerd moeten worden om zonnecellen economisch aantrekkelijk te maken voor elektriciteitsopwekking op aarde. Dit zou de indruk kunnen geven dat zonne-energie pas in de verre toekomst realiteit zal worden, maar de enorme kostenverlaging die wij op andere gebieden van halfgeleider-elektronica hebben zien optreden, biedt hoop dat ook hier toch al eerder successen geboekt zullen worden. In vele laboratoria wordt ijverig gewerkt aan een researchprogramma dat moet leiden tot een geautomatiseerde en goedkopere fabricage van zonnecellen. Enthousiaste voorstanders beweren dat de zon tegen het jaar 2000 een aandeel van 20 percent zou kunnen leveren aan de in de VS benodigde energie.

Het doen ontstaan van elektriciteit uit zonne-energie vertoont één kenmerk dat sterk verschilt van vele andere manieren om elektriciteit op te wekken. Het proces is modulair, dat wil zeggen, de basiseenheid van produktie is een enkele kleine module. Om meer vermogen te verkrijgen schakelt men eenvoudig meer basismodulen aaneen. Dit is niet het geval wanneer met behulp van stoom elektriciteit opgewekt wordt. Er is een grote centrale nodig om goedkoop elektriciteit op te wekken uit het verbranden van olie of steenkool. Hetzelfde is waar in verband met kerncentrales en voor kernfusie zal dat nog veel sterker gelden. Maar elektriciteit uit zonne-energie belooft net zo goedkoop te zijn bij een kleine centrale als bij grote centrales.

Dit roept een controversiële vraag op: Zou het mogelijk zijn de uitgebreide hoogspanningsnetwerken die in het huidige systeem onmisbaar zijn, straks op te doeken? Misschien is de krachtcentrale van de toekomst meer een betrekkelijk plaatselijk project of zelfs afgestemd op apartstaande afzonderlijke huizen. Deze gedachte is verontrustend voor degenen die de produktie van elektriciteit hebben georganiseerd rond enorme regionale, zelfs landelijke netwerken. Het is begrijpelijk dat industriële leiders die gevaar zien dreigen voor de enorme bedragen die zij in het huidige systeem hebben geïnvesteerd, niet zo veel enthousiasme kunnen opbrengen voor een dergelijke radicale vernieuwing. Als zij de ontwikkeling niet afremden, zo beweren sommigen, zou zonne-energie veel sneller beschikbaar komen.

Andere voordelen van het rechtstreekse gebruik van zonne-energie maken dit duidelijk alleen maar aantrekkelijk. Deze energie zal schoon, geluidloos en betrouwbaar zijn. Er zijn geen bewegende onderdelen en er is niets dat kan slijten. Het gebruik is eenvoudig. Het veroorzaakt geen milieuverontreiniging. De aangevoerde energie is gratis en net zo vernieuwbaar als het zonlicht van dag tot dag. Verbaast het u dat de belofte van een dergelijke energiebron voorstanders doet verlangen dat er met alle krachtsinspanning gewerkt wordt aan een snelle verwezenlijking?

[Inzet op blz. 6]

Het zonlicht op 26 vierkante kilometer in Arizona is in energie gelijk aan de opbrengst van alle krachtcentrales in de hele VS

[Inzet op blz. 7]

Voordelen van elektriciteit rechtstreeks uit zonne-energie: geen verontreiniging, geen lawaai, geen slijtende onderdelen, en een energie-aanbod even kosteloos en vernieuwbaar als de dagelijkse zon

[Kader op blz. 8]

Zonne-energie uit de ruimte

Het ongelofelijkste idee om elektrische energie uit zonlicht te halen, lijkt regelrecht uit een science-fictionfilm afkomstig. Een enorme reeks zonnepanelen, met een totale oppervlakte van wel 50 vierkante kilometer, zou in de buitenaardse ruimte in elkaar gezet moeten worden. Dit ruimtestation waar de zonne-energie opgevangen wordt, zou in de buitenaardse ruimte in elkaar gezet moeten worden. Dit ruimtestation waar de zonne-energie opgevangen wordt, zou op een hoogte van 36.000 kilometer in een baan gebracht moeten worden waar het steeds dezelfde positie boven een vast punt aan de evenaar zou behouden. De opgewekte energie wordt dan via microgolven getransporteerd naar een ontvangst-antenne op de grond, die een diameter van 10 kilometer moet hebben. De vijf miljoen kilowatt die geproduceerd zou worden, zou ongeveer toereikend zijn voor de stad New York. Dit plan biedt één heel duidelijk voordeel boven zonnecollectors op aarde. De krachtcentrale in de ruimte zou 24 uur per dag in bedrijf zijn, en bewolking zou noch het opvangen van energie noch de transmissie ervan via de microgolven kunnen storen.

Maar een dergelijke gigantische onderneming is bij de huidige stand van de ruimtetechnologie nog niet te verwezenlijken. De ontwikkeling van de raketten en het vervoer van materiaal en arbeiders tot in de ruimte zou vele miljarden kosten. En de vraag is of verdwaalde microgolven enig risico inhouden voor mensen dicht bij het ontvangststation. Wat zou bovendien het effect zijn op de ionosfeer en het weer, op radio en televisie? Astronomen klagen dat deze heldere objecten aan de hemel het hun voor altijd onmogelijk zullen maken om de ruimte te onderzoeken omdat zij hiervoor een donkere hemel nodig hebben. Elektriciteitsbedrijven zullen het wel een prima idee vinden, want u zult nog steeds hun distributiesysteem nodig hebben.

Maar als het mogelijk wordt om energie gedurende de nacht op te slaan tot de volgende dag, dan zult u misschien liever uw zonne-energie rechtstreeks aan de zon ontlenen als ze op uw huis schijnt en deze ingewikkeld geconstrueerde omweg vermijden. Per slot van rekening, als wij eenmaal zover zijn dat zonnesatellieten een realiteit zijn geworden, dan zijn wij waarschijnlijk ook wel zover dat u genoeg zonne-energie voor uw huishouden kunt verzamelen met behulp van hooguit drie vierkante meter zonnecellen op uw dak.