Het is een vertrouwd beeld uit een natuurdocumentaire: een hagedis sleept ’s ochtends vroeg zijn verkleumde lichaam met veel moeite een rotsblok op. Eenmaal boven gekomen, gaat hij er even lekker voor zitten en laaft zich aan de ochtendzon. Een half uurtje later springt hij soepel weer naar beneden en gaat vlug op jacht naar voedsel.

Zonne-energie. In relatie tot de TU/e denk je dan al snel aan de omzetting van zonlicht naar elektriciteit, met hightech silicium- of plastic zonnecellen. Maar het kan veel eenvoudiger -zoals de hagedis illustreert. Het directe gebruik van de zonnewarmte om water te verwarmen is nog altijd de meest algemene (actieve) toepassing van zonne-energie

Op plekken waar behoefte is aan zowel stroom als warm water -en dat is alleen al in elk huishouden het geval- zou het de moeite kunnen zijn om een combisysteem aan te leggen dat zonlicht omzet in zowel elektriciteit als warmte, vertelt Rudi Santbergen (30). De natuurkundig ingenieur bracht de afgelopen jaren vanuit de onderzoeksgroep Energietechnologie van Werktuigbouwkunde de haalbaarheid in kaart om de twee bestaande technieken samen te voegen.

Daarvoor onderzocht hij eerst wat er in de elektrische zonnecel precies gebeurt met het minst energierijke infrarode licht. “Daar was nog nooit serieus onderzoek naar gedaan door de zonnecellenexperts, juist omdat ze toch al wisten dat dit deel van het zonnespectrum niet kan worden gebruikt voor het opwekken van elektriciteit.” Santbergen berekende met een computermodel wat er in de diverse bestaande zonnecellen met het licht gebeurt. “Het blijkt dat het licht enige tijd heen en weer blijft kaatsen tussen de metalen achterkant van de cel en de optisch actieve n-laag, en uiteindelijk in warmte wordt omgezet in één van die beide lagen.” Het grootste deel van deze warmte komt door geleiding uiteindelijk bij de metalen achterkant terecht, die tevens dienst doet als elektrode. En die warmte kan nog nuttig worden gebruikt.

Verlanglijstje
Om zijn computermodel te testen, deed Santbergen ook metingen aan diverse zonnecellen. Die liet hij maken door twee partners in het project: ECN uit Petten voor de ‘kristallijne’ zonnecellen, en de TU Delft voor de zogeheten ‘dunne laag’-cellen. “Ik kon min of meer een verlanglijstje inleveren, en dan zorgden zij ervoor dat ik precies het type cel kreeg dat ik wilde meten.” Uit de metingen bleek niet alleen dat zijn model prima werkte, maar ook dat in de meeste zonnecellen een groot deel van het ongebruikte licht wordt omgezet naar warmte. En wel zoveel dat het niet echt de moeite loont om speciale zonnecellen te ontwerpen die een nog beter warmte-rendement hebben. “Je kunt de n-laag wat dikker maken, of het achtercontact nog wat aanpassen, maar dat gaat eigenlijk altijd ten koste van het elektrisch rendement.”

En dat is ongunstig, want elektrische energie is in zekere zin meer waard dan thermische energie, zegt Santbergen. “Voor de ideale balans tussen warmteopwekking en elektriciteit moet je niet alleen naar de opgewekte energie kijken, maar vooral naar de primaire energie die daarvoor nodig is. Het opwekken van elektrische energie is meer belastend voor het milieu. Daarom is het gunstiger om een relatief hoge efficiency te behalen voor de elektriciteitsproductie dan voor het verwarmen van water. Elektrische joules zijn in dat opzicht gewoon waardevoller. Bovendien kun je een teveel aan elektrische energie terugleveren aan het net, in Duitsland zelfs boven de marktprijs door een subsidie. Daardoor is het aantal zonnepanelen op de Duitse daken snel gegroeid.”

Afvoer van warmte
Santbergen onderzocht niet alleen methoden om de absorptie van warmte door zonnepanelen te verbeteren, maar richtte zich ook op een optimale afvoer van de warmte. Hij laat een zonnepaneel zien waarvan de bovenkant de vertrouwde blauwe glans heeft van de elektrische zonnecel. De onderkant is echter voorzien van een koperen plaat met daarop een koperen buis, die als een kronkelende slang tegen de achterkant van het paneel aanligt, om zoveel mogelijk warmte op te kunnen nemen. Door de buis wordt water geleid dat wordt opgewarmd en naar een opslagvat wordt afgevoerd. Om het weglekken van warmte te voorkomen, zit het paneel in een isolerende bak met een glazen deksel waardoor het zonlicht binnenvalt.

Het combisysteem heeft ook een nadeel. “Als je te weinig water afneemt, stroomt het hete water terug naar het zonnepaneel en wordt nog verder opgewarmd. Het water kan zelfs gaan koken, zodat je de pomp moet stilzetten.” De temperatuur in het zonnepaneel kan dan oplopen tot boven de honderdvijftig graden. Daardoor functioneren de zonnecellen niet goed meer, en wordt er minder elektriciteit geproduceerd. “Bovendien verouderen de cellen bij deze hoge temperaturen sneller”, zegt Santbergen. Het kan dus gunstiger zijn om een deel van de warmte gewoon naar de buitenlucht te laten weglekken, om zo oververhitting te voorkomen.

“Het komt erop neer dat de grootte van de zonnecollector moet passen bij de warmtevraag. Daarbij is het van belang dat je naar de gemiddelde warmtevraag over een jaar kijkt, in plaats van naar het maximum.” Om de ideale situatie voor elk huishouden te achterhalen, bepaalde Santbergen de energiebalans van huishoudens over een heel jaar. Hij gebruikte daarvoor informatie over de warmtevraag van Nederlandse gezinnen en de gedetailleerde weersgegevens van het KNMI voor elk kwartier gedurende het jaar, zoals luchttemperatuur, windkracht, en de ‘hemeltemperatuur’ - die bepaalt hoe effectief de zonnecollector zijn warmte via straling kwijt kan.

Santbergen concludeert dat combisystemen per vierkante meter weliswaar een hogere opbrengst hebben, maar dat ze per saldo ongeveer even duur zijn als twee aparte systemen met dezelfde energieopbrengst. “Een combisysteem is dus vooral gunstig als je weinig ruimte hebt, zoals in de stad vaak het geval is. Maar ik vind het ook een stuk mooier dan een mengeling van donkerblauwe zonnepanelen en zwarte collectoren op je dak.”/.