Het licht gevangen

Twee draaischijven kunnen zonlicht uit elke richting vangen en bundelen. Ingenieurs uit Budel willen het systeem op Nederlandse daken hijsen. ‘Toen ik begreep hoe het werkte, vond ik het een prachtig idee’.

Michiel van Nieuwstadt

Twee Eindhovense ingenieurs zijn het wereldenergieprobleem te lijf gegaan. En ze claimen succes. Met twee ronde platte draaischijven kunnen de oprichters van het bedrijfje SunCycle zonlicht bundelen en een paar honderd keer geconcentreerd samenbrengen op een zeer efficiënte zonnecel. Veel andere bedrijven werken aan dit soort concentrators , maar dat zijn bakbeesten van het formaat personenwagen of groter. De ‘draaidozen’ van SunCycle zijn klein en plat. En dat biedt perspectief. Zestien vierkante meter van deze dozen op een dak zou genoeg zijn voor de elektriciteitsvoorziening van een Nederlands huishouden. Als SunCycle er tenminste in slaagt het systeem daadwerkelijk in productie te brengen. Want het bouwen van een slijtvast draaisysteem dat betrouwbaar draait op Nederlandse daken zal niet eenvoudig zijn.

In Budel vallen wat zonnestralen tussen de wolken door. Op een industrieterrein aan de rand van de Brabantse gemeente rijdt wiskundige Peter Penning een karretje naar buiten. Hij gaat het bewijs leveren dat de concentrator die hij met zijn partner Roy Bijl heeft ontwikkeld in principe werkt. Penning zet een lasbril op en draait aan de twee ronde schijven. Op de zonnecel er tussenin verschijnt een intense vlek van geconcentreerd zonlicht. Het paneel is nu niet aangesloten, maar Bijl en Penning hebben eerder gemeten dat de zonnecel per vierkante centimeter oppervlak een stroom genereert die 300 keer zo groot is als de stroom die wordt opgewekt in ongeconcentreerd zonlicht.

Met middelbare-schoolkennis wis- en natuurkunde is de vinding van SunCycle in principe te begrijpen. Maar de lichtval van de zonnestralen in hun dubbele draaisysteem vraagt het uiterste van het ruimtelijk voorstellingsvermogen (zie tekening hieronder).

De bovenste schijf in het systeem van SunCycle werkt als een prisma. Het is een aan de onderkant geribbelde plaat plexiglas die licht van richting verandert. Door de schijf te draaien valt het zonlicht onder de gewenste hoek van 36 graden in de tweede ‘schijf’: een parabolische spiegel. Deze spiegel, van speciaal gecoat aluminium, is ook draaibaar. Hij brengt invallend zonlicht drie tot vierhonderd keer geconcentreerd samen op een zonnecel met een rendement van 35 procent. SunCycle gebruikt cellen van Spectrolab, een Boeingdochter die ’s werelds meest efficiënte zonnecellen fabriceert (zie kader).

kostprijs

In totaal berekenen Bijl en Penning voor hun systeem een rendement van gemiddeld 15 procent op jaarbasis. Zonnepanelen die nu op de markt zijn halen nauwelijks de helft. Tezamen met de hoge kostprijs is het lage rendement vandaag de dag één van de belangrijkste obstakels voor een grootschalige toepassing van zonne-energie in Nederland. Bij een rendement van 15 procent is 16 vierkante meter aan draaiende schijven op een dak op het zuiden genoeg om te voorzien in de elektriciteitsbehoefte van een gemiddeld Nederlands huishouden. Bijl en Penning schatten die ietwat conservatief op ruim 3300 kilowattuur per jaar.

Op het Institute for Molecules and Materials aan de Radboud Universiteit Nijmegen is het Budelse initiatief opgemerkt. “Ik wilde het eerst niet geloven”, zegt universitair docent John Schermer van de groep Applied Materials Science, gespecialiseerd in zonnecellen. “Maar toen ik begreep hoe het werkte, vond ik het een prachtig idee.” Een student van Schermer is in het kader van een afstudeerproject onlangs begonnen met de verificatie van de metingen aan het systeem van SunCycle.

Lex Bosselaar was in de afgelopen jaren namens SenterNovem, onderdeel van het ministerie van Economische Zaken, betrokken bij subsidies die SunCycle heeft gekregen voor een haalbaarheidsstudie en de ontwikkeling van een prototype die het bedrijf nog dit jaar wil afsluiten. “De heren hebben werkelijk iets nieuws ontwikkeld”, zegt hij. “En dit idee heeft potentie.” Wel waarschuwt Bosselaar dat de markt sterk in beweging is. “Veel grote bedrijven richten zich momenteel op concentratoren.”

Grote hoeveelheden zonlicht bundelen op een kleine zonnecel heeft een cruciaal voordeel: de spiegels en lenzen (of platen plexiglas) die nodig zijn om het licht te verzamelen zijn per vierkante meter veel goedkoper dan de zonnecellen zelf. Als het zonlicht honderd keer wordt geconcentreerd, dan kan ook het benodigde oppervlak aan zonnecellen in principe met een factor honderd worden teruggebracht. Daarbij is volgens Bijl en Pennings een kostprijs haalbaar van 250 euro/m2, een besparing van 50 tot 75 procent in vergelijking met normale zonnepanelen.

Dat lijkt lucratief. Het kleine SunCycle is het enige Nederlandse initiatief op dit gebied, maar al googelend is makkelijk een tiental buitenlandse bedrijven te vinden dat óók zonlicht met spiegels wil bundelen en met zonnecellen omzetten in elektriciteit. Op deze markt opereren grote bedrijven zoals Boeing, maar ook start-ups, voortgekomen uit gerenommeerde onderzoeksinstituten zoals het Duitse Fraunhofer en het Amerikaanse NREL (National Renewable Energy Laboratory).

Veruit de meest ambitieuze plannen bestaan in de Australische deelstaat Victoria. Het bedrijf Solar Systems wil daar met zonnecellen van Boeingdochter Spectrolab een centrale bouwen die in 2013 jaarlijks 270.000 megawattuur aan elektriciteit moet gaan leveren, wat voldoende zou zijn voor 45.000 Australische huishoudens. Die gebruiken blijkbaar bijna twee keer zoveel energie

als een gemiddeld Nederlands huishouden.

Fresnellenzen

Ook het Duitse Concentrix, voortgekomen uit het onderzoeksinstituut Fraunhofer, heeft een concentrator ontwikkeld. Die maakt gebruik van zogeheten Fresnellenzen, vernoemd naar de Franse fysicus Fresnel. Deze bedacht rond 1825 dat je een plattere en lichtere lens kunt construeren door een conventionele sferische lens op te breken en de lensdelen op een plat vlak te plakken. Het prisma van SunCycle is gebaseerd op een vergelijkbaar principe.

Concentrix maakt platte dozen waarin 150 zonnecellen en 150 lenzen van vier bij vier centimeter plat naast elkaar liggen. Het licht wordt daarin 500 keer geconcentreerd. Enkele honderden van deze dozen worden gehesen op een zogeheten tracking unit: een enorme beweegbare doos die van ’s ochtends vroeg tot ’s avonds laat recht op de zon gericht staat.

Bijl en Penning zijn bij Fraunhofer op bezoek geweest om zich te laten voorlichten over de plannen van Concentrix: “Het zijn enorme installaties”, zegt Bijl. “Absoluut niet geschikt voor een dak.”

Bedrijven als Concentrix en Solar Systems willen een oppervlakte van honderden voetbalvelden groot volbouwen met spiegels. Solar Systems wil in Victoria 19.250 beweegbare spiegels plaatsen op een totaalgebied van 800 hectare. Uitgaande van 2000 kilowattuur/m2 aan invallend zonlicht zou deze centrale werken met een totale efficiëntie van 1,6 procent. Dat lijkt weinig, maar in dit rendement is ook de lege ruimte tussen de spiegels meegenomen. Het rendement per vierkante meter spiegels ligt veel hoger. Blijkbaar is er nogal wat ruimte nodig om ze op te stellen. Ruimte die Nederland node mist.

“Dergelijke grote systemen zie ik in Nederland niet snel komen”, zegt de Nijmeegse zonnecelspecialist Schermer. “Wij gaan in Nederland immers zuinig om met onze ruimte. Die grote meedraaiende systemen zoals Concentrix en Solar Systems ze hebben ontwikkeld zet je ook niet zo maar op je dak. Dat kan nu juist wel met de zonnepanelen van SunCycle.”

Geen prioriteit

Het ministerie van Economische Zaken heeft medio jaren negentig besloten dat het ontwikkelen van concentrator-technologie in Nederland geen prioriteit heeft. “Er is gekozen voor dunnefilm-cellen en zonnecellen van multikristallijn silicium’’, zegt Bosselaar van SenterNovem. Een studie van Energieonderzoek Centrum Nederland in Petten wees destijds uit dat het bundelen van zonlicht voor Nederland geen aantrekkelijke optie is, onder andere omdat van de 1000 kilowattuur/m

Maar Schermer gelooft dat het initiatief van SunCycle Nederland dwingt om het gebruik van zonnespiegels opnieuw te overwegen: “Als zij inderdaad een rendement kunnen halen van 15 procent dan wordt het aantrekkelijk om deze systemen op Nederlandse daken te gaan gebruiken.” Een gemiddeld jaarrendement van 15 procent is indrukwekkend. De platliggende zonnepanelen op het dak van Blijdorp, de grootste zonnecentrale binnen de bebouwde kom in Nederland, halen op dit moment een rendement van niet meer dan 6,5 procent.

Jammer genoeg zal de piek in de opwekking van energie van het SunCycle-systeem (in de middag) niet samenvallen met de piek in gebruik van Nederlandse huishoudens (in de avonduren). Dat betekent dat energie zal moeten worden opgeslagen in batterijen of teruggeleverd aan het elektriciteitsnet. Daar zouden bedrijven er tijdens kantooruren van kunnen profiteren. Maar Bijl en Penning zien geen grote problemen: “De zonnepanelen leveren gelijkstroom met een lage spanning en die moet worden omgezet naar de wisselspanning van ons elektriciteitsnet. Er bestaan tegenwoordig invertors waarmee je dat efficiënt en goedkoop kunt doen.”

investeringen

Energiebedrijven zijn nu al verplicht om een terugloopmeter te plaatsen als daarom wordt gevraagd. “De eindgebruiker hoeft dus geen energie op te slaan”, zegt Bijl.

Zouden de energiebedrijven op grote schaal teruggeleverde zonne-energie kunnen verwerken en gebruiken? “Dat probleem is technisch oplosbaar”, zegt Jan Blom, hoogleraar Elektrische energiesystemen in Eindhoven. “Zonne-energie is wat voorspelbaarder dan windenergie. Bovendien is de energievraag [van bedrijven] overdag, wanneer de zon schijnt het grootst. Als mensen zonne-energie gaan terugleveren krijg je te maken met tweerichtingsverkeer op het elektriciteitsnet. Dat kun je softwarematig oplossen. Er zijn geen enorme investeringen voor nodig.”

In Budel demonstreert ingenieur Penning nog eens het proof of principle. Op de zonnecel van Spectrolab ontstaat weer een intense lichtvlek als hij aan de schijven draait. De zonnecel – gemaakt om een lichtintensiteit van meer dan 2000 zonnen te weerstaan – begint te roken en dan: pats! “Hij is kapot”, oordeelt Penning. “Waarschijnlijk zaten we op het keramiek, net naast de zonnecel.”

Dit ongelukje ten spijt geloven de oprichters van Suncycle niet dat brandgevaar een onoverkomelijk probleem zal zijn voor de de toepassing van hun panelen. “Het uiteindelijke systeem wordt zo ontworpen dat er buiten de zonnecel geen brandpunt kan ontstaan”, zegt Penning. “Als de zonnecel is aangesloten op een elektrisch circuit dan wordt de invallende energie omgezet in elektriciteit. Een onderliggend plaatje verspreidt de warmte. Dat plaatje wordt niet warmer dan 60 graden Celsius. In het ontwerp zit de zonnecel op minimaal drie centimeter afstand van de andere onderdelen in het paneel.”

Nu de testopstelling werkt, hoopt SunCycle op korte termijn vast te stellen hoe de onderdelen van hun concentrator zo goedkoop mogelijk geleverd kunnen worden. Voor het plexiglas prisma en de spiegels is een productiemal gemaakt. Spectrolab kan de cellen makkelijk in grote hoeveelheden leveren. “Over een paar weken moeten we een prototype gereed kunnen hebben”, meent Penning. “En begin 2009 een product voor de markt.” Schermer noemt de plannen ambitieus. “Natuurlijk kan ik hun planning niet direct beoordelen, maar ik heb vaak mijn bedenkingen als mensen in onze branche beweren dat ze snel iets op de markt kunnen zetten.”