LOW←TECH MAGAZINE Nederlands

Directe zonnestroom: off-grid zonder batterijen

Fri, 25 Aug 2023 00:00:00 +0000

Afbeelding: Een laptop op directe zonnestroom. Foto: Marie Verdeil.

Conventionele zonnestroominstallaties stellen onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen en de energieverslindende levensstijl die daaruit voortvloeit niet ter discussie. Zowel zonnepanelen op daken als grootschalige zonneparken voorzien ons van alle stroom die we maar willen, ook als de zon niet schijnt. Dat komt omdat deze systemen het centrale elektriciteitsnet, dat grotendeels op fossiele brandstoffen werkt, als een soort batterij gebruiken om stroomtekorten op te vangen.

Hoewel aan het elektriciteitsnet gekoppelde zonnepanelen het fossiele brandstofverbruik van thermische energiecentrales kunnen verlagen, wordt deze besparing op zijn minst gedeeltelijk tenietgedaan door de extra fossiele brandstoffen die nodig zijn voor de bouw en het onderhoud van wat in wezen een dubbele energie-infrastructuur is. Het combineren van zonne- en windenergie kan het aandeel hernieuwbare energie in het elektriciteitsnet verder vergroten, maar daarvoor moet de infrastructuur nog verder worden uitgebouwd. Behalve energie vraagt dat ook veel geld en tijd.

Centrales op fossiele brandstoffen vervangen door energieopslag, zodat het overschot aan elektriciteit dat wordt opgewekt op zonnige dagen kan worden bewaard voor wanneer er geen of onvoldoende zon is, stuit op hetzelfde probleem. Energieopslag, of die nu geïntegreerd is in een elektriciteitsnet of zich bij individuele huishoudens (off-grid systemen) bevindt, is zeer duur en koolstofintensief om te bouwen en te onderhouden.

Autonome zonne-installatie

De productie van zonnepanelen kost uiteraard geld en energie. De financiële en energetische kosten van de bijhorende back-up infrastructuur zijn echter vele malen groter. Voor netgekoppelde zonnestroominstallaties zijn deze kosten zeer moeilijk precies te berekenen, maar voor autonome zonne-installaties (zonder netkoppeling en met eigen energieopslag) is dat een stuk makkelijker. Als voorbeeld neem ik daarom de kleine autonome zonne-installatie die mijn woonkamer in Barcelona van stroom voorziet.

Dit systeem bestaat uit twee 50W zonnepanelen op het balkon, een 100 Ah loodaccu en een 10A laadregelaar. De opgewekte energie wordt onder meer gebruikt voor de verlichting, de muziekinstallatie, en het opladen van laptops en andere elektronische apparatuur. De aanvankelijke financële investering bedroeg 340 euro: 120 euro voor de zonnepanelen, 170 euro voor de accu en 50 euro voor de laadregelaar.

Maar terwijl de zonnepanelen dertig jaar zouden moeten meegaan en de laadregelaar ongeveer tien jaar, moet ik de loodaccu gemiddeld elke drie tot vijf jaar vervangen. ¹ Over een levensduur van 30 jaar bedragen de kosten dan 120 euro voor de zonnepanelen, 150 euro voor de laadregelaars en – in het beste geval – 1.020 euro voor de accu’s. De accu’s (en de bijbehorende laadregelaars) maken dus ongeveer 90% van de totale levensduurkosten uit.

Energieopslag domineert ook de “ingebedde” energie (en de daaruit voortvloeiende koolstofuitstoot) van de installatie. De productie van mijn loodzuuraccu heeft 1.200 megajoule (MJ) energie gekost. ² Over een levensduur van 30 jaar (zes accu’s in het beste geval) komt dat neer op 7.200 MJ. De drie laadregelaars voegen nog eens 360 MJ toe over een levensduur van 30 jaar, wat het totale energieverbruik voor het accusysteem op 7.560 MJ brengt. ³

Daarentegen kost de productie van de zonnepanelen slechts 2.275 MJ op een totaal van 9.835 MJ. ⁴ Conclusie: meer dan 75% van het totale fossiele energieverbruik is het gevolg van energieopslag.

Afbeelding: Rechts op het balkon staan de twee 50W zonnepanelen die de woonkamer van mijn appartement van stroom voorzien. Daarnaast staat het 30W zonnepaneel dat [deze website doet werken](https://qelnixcor.cloud/nl/2018/09/how-to-build-a-low-tech-website/). Foto: Marie Verdeil.

Afbeelding: De structuur voor de zonnepanelen, opgebouwd uit afvalhout. Foto: Kris De Decker.

Afbeelding: De loodzuuraccu van 100 Ah die de woonkamer na zonsondergang van elektriciteit voorziet. Foto: Kris De Decker.

Andere soorten accu’s zouden deze conclusie niet significant veranderen. Voor een vergelijkbaar off-grid systeem met lithium-ion accu’s zou de energieopslag verantwoordelijk zijn voor ongeveer 95% van de totale levensduurkosten (die bijna het dubbele bedragen van een systeem met loodzuurbatterijen). Uitgaande van een optimistische levensduur (10 jaar) en inclusief de laadregelaars is lithium energieopslag goed voor zowat 70% van het geïnvesteerde energieverbruik in een zonnestroominstallatie. ⁵ ⁶ Voor nikkel-ijzer accu’s zou de energieopslag verantwoordelijk zijn voor 85% van de totale levensduurkosten (er zijn geen data voor de energiekost). ⁷

De schaalgrootte en locatie van de zonne-installatie maken ook geen verschil uit. Een groter systeem heeft meer zonnepanelen nodig, maar ook grotere accu’s en duurdere en krachtigere laadregelaars. De verhoudingen blijven dezelfde. ⁸ De enige factor die de zonnepanelen een iets groter aandeel in het totale kostenplaatje kan geven, zijn de structuren waarop ze zijn gemonteerd. Ik hou daar geen rekening mee omdat ik ze zelf heb gebouwd uit afvalhout. Staan de zonnepanelen echter op een dak gemonteerd, dan ligt een doe-het-zelf oplossing minder voor de hand. Maar ook in dat geval blijft de kost van de energieopslag veruit het zwaarst doorwegen.

Directe zonne-energie: veel goedkoper en duurzamer

In tegenstelling tot fossiele brandstoffen zijn de zon en de wind niet op afroep beschikbaar. Het probleem met onze benadering van hernieuwbare energie is dat we vasthouden aan de eis dat stroom altijd oneindig beschikbaar moet zijn, ongeacht het weer, de seizoenen of het tijdstip van de dag. Het aanpassen van de vraag naar energie aan het aanbod – zoals dat vroeger gebeurde – zou leiden tot spectaculaire verlagingen van de kosten en het gebruik van fossiele brandstoffen.

Als ik bijvoorbeeld de batterijopslag van mijn zonnestroominstallatie zou weglaten, dan zou mijn systeem ongeveer tien keer goedkoper worden: 120 euro in plaats van 1.290 euro over een levensduur van 30 jaar (omgerekend 4 euro in plaats van 43 euro per jaar). Als alternatief zou ik 1.290 euro kunnen uitgeven aan zonnepanelen alleen, wat me een zonne-installatie van 1.075 watt zou opleveren. Dat is tien keer de capaciteit van de opstelling met batterijen, meer dan wat er op het balkon zou passen.

Zonder batterij en laadregelaar daalt ook de energiekost van de installatie van 9.835 MJ naar 2.275 MJ. Met andere woorden: ik zou minstens vier keer zoveel zonne-energie kunnen opwekken met eenzelfde investering in fossiele brandstoffen.

Hoe kan directe zonne-energie praktisch zijn?

Allemaal goed en wel, maar de zon schijnt niet na zonsondergang en de hoeveelheid zonne-energie varieert gedurende de dag en het jaar. Dus hoe kan het gebruik van zonnepanelen zonder batterijen (of andere back-up infrastructuur in het geval van netgekoppelde installaties) dan praktisch zijn?

Om die vraag te beantwoorden kijken we naar een pionier van “directe zonnestroom”: de Living Energy Farm. Deze milieu-educatieve gemeenschap in de Amerikaanse staat Virginia is volledig “off-the-grid” dankzij zonne-energie, maar slechts 10% van de opgewekte zonnestroom gaat door een (nikkel-ijzer) batterij. Nochtans leveren de zonnepanelen stroom voor meerdere woningen, een gemeenschappelijke keuken, een metaalwerkplaats, en een landbouwbedrijf. ⁹ ¹⁰

Afbeelding: Directe zonnestroom op de Living Energy Farm.

De zonne-installatie is in gebruik sinds 2011 en bestaat uit afzonderlijke systemen met een totaal piekvermogen van 1.400 watt. ¹¹ Ter vergelijking: het gemiddelde piekvermogen van een residentiële zonnestroominstallatie in Nederland – voor één huishouden – bedraagt 4.660 watt. Net zoals in mijn appartement wordt er bij de Living Energy Farm erg zuinig omgesprongen met energie, maar dat er nauwelijks batterijen worden gebruikt, heeft nog andere redenen.

Sommige apparaten worden alleen overdag gebruikt

Een eerste reden ligt voor de hand: sommige elektrische apparaten en machines worden alleen overdag gebruikt. Dat is bijvoorbeeld zo voor alle machines in de metaalwerkplaats, inclusief een lintzaag, compressor, slijpmachine, cirkelzaag, draaibank, freesmachine en boormachine. Het geldt ook voor landbouwmachines zoals een graanmolen en een dieptebronpomp. Direct gekoppeld aan zonnepanelen bieden deze machines alle mogelijkheden van moderne technologie op netstroom, met de uitzondering dat ze alleen overdag kunnen worden gebruikt. ¹⁰

Op veel kleinere schaal heb ik thuis een soldeerbout, lijmpistool en irrigatiepomp (voor het balkon) op directe zonne-energie aangedreven. Andere voorbeelden van apparaten en machines die alleen overdag zouden kunnen worden gebruikt, zijn stofzuigers, naaimachines, wasmachines, spelconsoles, lasersnijders en 3D-printers. Het is niet zo moeilijk om je een moderne samenleving voor te stellen waarin activiteiten zoals stofzuigen en doe-het-zelf klusjes alleen overdag plaats vinden. Het is zeker geen terugkeer naar de middeleeuwen.

Afbeelding: verschillende gereedschappen in de werkplaats van de Living Energy Farm. Foto: Alexis Zeigler.

Afbeelding: metaaldraaibank in de werkplaats van de Living Energy Farm. Foto: Alexis Zeigler.

Afbeelding: Solderen met directe zonnestroom. Foto: Marie Verdeil. [Bekijk de video](https://www.youtube.com/watch?v=qozZCJU4IOc).

Bovendien vereisen niet alle elektrische apparaten constante aandacht. Wasmachines of vaatwassers die automatisch in werking treden als de zon schijnt, zijn vaak geciteerde voorbeeldtoepassingen van een “slim” energienetwerk. Maar die aanpak steunt op een omvangrijke infrastructuur van elektriciteitstransmissie, communicatienetwerken, en met elektronica volgestouwde apparaten.

Bij een gedecentraliseerde aanpak met directe zonne-energie wordt de intelligentie daarentegen geleverd door de zon en de omwenteling van de planeet. Een wasmachine of vaatwasser op directe zonne-energie kan ‘s avonds worden volgeladen en aangezet. De machine start dan ‘s ochtends “automatisch” op. Je kan zelfs (elektronische of mechanische) tijdschakelaars gebruiken om verschillende apparaten na elkaar te laten werken.

Of wolken een extra limiet vormen voor een directe zonne-installatie, en in welke mate, hangt af van de grootte van de zonnepanelen. Een verdubbeling van het oppervlak van de zonnepanelen garandeert voldoende zonnestroom bij matige bewolking, terwijl de installatie veel goedkoper en duurzamer blijft dan een systeem met batterijen of andere backup-infrastructuur.

Een nog grotere oppervlakte aan zonnepanelen zou zelfs tijdens zware bewolking voldoende energie kunnen leveren, maar de omvang van het systeem vertienvoudigen brengt de kosten opnieuw op het niveau van een autonome installatie met batterijen. Een verviervoudiging van de oppervlakte maakt het systeem weer even afhankelijk van fossiele brandstoffen.

Veel apparaten hebben al batterijen

Directe zonnestroom sluit evenmin het gebruik van elektrische apparaten na zonsondergang uit. Zoals vermeldt beschikt de Living Energy Farm over een bescheiden batterijsysteem, dat stroom levert voor onder meer verlichting, ventilatoren, en elektronische apparaten na zonsondergang. ¹⁰ Daarbij beschikken heel veel moderne apparaten al over een ingebouwde energieopslag. Dat is het geval voor allerlei types elektrische voertuigen, voor de meeste elektronische gadgets, en voor oudere elektrische apparatuur met AA-batterijen.

Dit soort apparaten kan dus overdag worden opgeladen met directe zonne-energie en vervolgens gedurende een aantal uren na zonsondergang worden gebruikt dankzij de ingebouwde batterij. In combinatie met een lithium-ion powerbank kan een direct zonnepaneel het ook mogelijk maken om USB-apparaten op te laden na zonsondergang. Deze strategie kan zelfs werken voor verlichting, omdat er veel lampen op batterijen bestaan die je kan gebruiken als moderne toortsen, opgehangen in verschillende delen van kamers en gebouwen.

Afbeelding: Een mobiele telefoon op directe zonnestroom. Foto: Marie Verdeil.

De chemische energieopslag uitbesteden aan het apparaat is uiteraard niet de duurzaamste optie. Voor de productie van lithium-ion batterijen zijn fossiele brandstoffen nodig, en bovendien worden ze (in tegenstelling tot loodzuuraccu’s) niet gerecycleerd. De beste oplossing is uiteraard het gebruik van elektrische apparaten reduceren. Maar ze opladen met directe zonne-energie is wel een stuk duurzamer en efficiënter dan via andere batterijen of een fossiel elektriciteitsnetwerk. Als we hightech apparaten gebruiken, dan liefst op een zo slim mogelijke manier.

Niet-elektrische energieopslag

Een derde reden waarom directe zonnestroom praktischer is dan het aanvankelijk lijkt, is dat sommige elektrische apparaten na zonsondergang kunnen worden gebruikt dankzij thermische energieopslag. Dat is veel goedkoper en duurzamer dan de opslag van elektrische energie. Thermische energieopslag is al redelijk ingeburgerd voor ruimte- en waterverwarmingssystemen, die door de zon verwarmd water opslaan in een geïsoleerde boiler of (alleen voor ruimteverwarming) in de gebouwschil. Het is geen verassing dat de Living Energy Farm zulke systemen heeft, en thermische zonne-energie zorgt ook voor warm water in mijn appartement.

Dezelfde aanpak werkt echter ook voor twee belangrijke huishoudelijke apparaten die na zonsondergang moeten werken en die bovendien erg veel elektriciteit verbruiken: de koelkast en het kookfornuis. In plaats van elektriciteit van een zonnepaneel op te slaan in een batterij om vervolgens na zonsondergang een koelkast of kookfornuis aan te drijven, maken deze apparaten op de Living Energy Farm gebruik van thermische isolatie. Die houdt de warmte binnen (in het geval van het kookfornuis) of buiten (in het geval van de koelkast) als er geen stroomtoevoer is. De thermische isolatie zorgt bovendien voor een zeer hoge energie-efficiëntie, waardoor elk van deze apparaten al kan werken op een zonnepaneel van slechts 100-200 watt.

Een koelkast op direct zonne-energie

Het is perfect mogelijk om een conventionele koelkast of vrieskast direct aan een zonnepaneel te koppelen, maar zo’n toestel zou ‘s nachts heel snel opwarmen. Zelfs koelkasten met de meest energie-efficiënte labels hebben een relatief beperkte isolatiedikte (meestal 2,5 cm). Als die isolatiedikte echter wordt verhoogd tot ongeveer 12,5 cm, dan daalt het energieverbruik van een koelkast met een factor vier. ¹² ¹³ De passieve koelcapaciteit van een koelkast kan verder worden verhoogd door toevoeging van thermische massa in de vorm van een waterreservoir binnenin het toestel. Overdag koelt het zonnepaneel het water of zet het om in ijs. ‘s Nachts vertraagt dit koude water of ijs de opwarming van de koelkast. ¹⁴

Een op directe zonnestroom werkende koelkast opent bovendien aan de bovenkant, niet aan de voorkant. Koude lucht is zwaar, en dus gaat er op die manier veel minder energie verloren als iemand de deur opent. Al deze ontwerpkeuze’s zorgen samen voor een spectaculaire energie-efficiëntie. Een studie van directe zonnekoelkasten in zeer zonnige regio’s (Texas en New Mexico, VS) liet zien dat ze hun koelcapaciteit behouden gedurende 6 of 7 dagen zonder stroomtoevoer. De apparaten functioneerden het hele jaar door met zonnepanelen van slechts 80W tot 120W. ¹⁵ De Living Energy Farm drijft haar zonnekoelkast aan met een paneel van 200W. ¹⁰

Afbeelding: De Sundanzer DDR165. Een koelkast speciaal ontworpen voor directe zonnestroom. Foto: Sundanzer.

In tegenstelling tot zonneverwarming is zonnekoeling optimaal afgestemd op seizoensgebonden variaties in zonnestraling. Koeling vraagt meer energie in de zomer, wanneer er meer zonne-energie is. De eerder vermelde koelkast in New Mexico registreerde een elektriciteitsverbruik van 406 watt-uur per dag in de zomer en slechts 230 watt-uur in de winter. ¹⁶ Bovendien kan de technologie worden ingezet in de hele koudeketen, waarvan de huishoudelijke koelkast slechts een klein (maar essentiëel) onderdeel van uitmaakt. Een andere toepassing is luchtkoeling, al is dit minder goed onderzocht en vormt het een grotere uitdaging. ¹⁷

Een kookfornuis op directe zonne-energie

Ook een conventioneel kookfornuis kan in principe rechtstreeks aan een zonnepaneel worden verbonden, maar net zoals bij een conventionele koelkast is dat niet zo praktisch. Je kan alleen overdag koken, en je moet erg veel zonnepanelen plaatsen. Eén enkele kookplaat heeft al gauw 1.000 watt elektrisch vermogen nodig. Een elektrische zonnekoker lost deze problemen op door de kookplaat in te pakken met thermische isolatie. De technologie is in feite een combinatie van een elektrische kookplaat en een hooikist.

Afbeelding: Test van een elektrische zonnekoker. Foto: California Polytechnic State University (Cal Poly).

Dankzij de thermische isolatie accumuleert een elektrische zonnekoker gedurende de dag langzaam warmte die dan na zonsondergang kan worden gebruikt om te koken. Op die manier kan een veel lagere stroomtoevoer voldoende zijn om hoge temperaturen te bereiken. Zie het als het “opladen” van je fornuis, niet met elektriciteit maar met warmte.

Onderzoekers van de Amerikaanse California Polytechnic State University (Cal Poly) bouwden het eerste elektrische zonnekooktoestel in 2015. Hun 12 volt apparaat, dat sindsdien verder is ontwikkeld, heeft slechts een zonnepaneel van 100W nodig om te werken. Het kookt een liter water in een uur. Met een volle dag zonlicht kunnen er bijna 5 kg bonen, rijst, stoofpot of aardappelen worden gekookt. ¹⁸

Koken na zonsondergang is mogelijk door het gebruik van een kookpot met een veel dikkere bodem (5-10 kg). Het onderzoeksteam van Cal Poly slaagde erin om de temperatuur van die solide warmteopslag op vijf uur tijd naar 250°C te brengen met een zonnepaneel van 100W. Vervolgens konden ze na zonsondergang een liter water koken in drie seconden. In een andere test roerbakten ze 1 kg groenten in twee minuten. De ideale configuratie bestaat uit twee kookpotten: één met en één zonder warmteopslag. Zo kan een elektrische zonnekoker zowel traag als snel koken, afhankelijk van het tijdstip en het gerecht. ¹⁹

Afbeelding: Het principe van een elektrische zonnekoker met solide warmteopslag. Tekening: California Polytechnic State University (Cal Poly).

Thermisch of elektrisch?

Net als water- en ruimteverwarmingssystemen op zonne-energie, kunnen koken en koelen zowel met als zonder elektriciteit werken – enerzijds met PV-panelen en anderzijds met thermische zonnecollectoren. Maar terwijl ruimte- en waterverwarming op zonne-energie kosten- en energie-efficiënter zijn zonder elektriciteit, is dat voor koelen en koken op zonne-energie net andersom.

Voor ruimte- en waterverwarming zijn relatief kleine temperatuurverschillen nodig, die kunnen worden geleverd door goedkope thermische zonnecollectoren van glasplaten en waterbuizen. Voor koeling en koken zijn daarentegen grotere temperatuurverschillen nodig, waarvoor meer geavanceerde (vacuümbuis- of parabolische) zonnecollectoren nodig zijn - en deze zijn duurder dan PV-panelen. ²⁰ ²¹

De enige uitzondering is een eenvoudige zonnekoker – een geïsoleerde doos met een glasplaat bovenaan – maar die kan niet zo’n hoge temperaturen behalen. Bovendien heeft een elektrische zonnekoker een aantal extra voordelen. Met een niet-elektrisch toestel moet je buiten koken, wat minder praktisch maar ook minder efficiënt is, zeker in de winter: een thermische zonnekoker verliest dan meer warmte aan de omgeving. Een elektrische zonnekoker is ook energie-efficiënter omdat hij aan alle kanten is geïsoleerd. Hij werkt bovendien beter bij bewolkt weer en kan na zonsondergang worden gebruikt. Op de Living Energy Farm wordt de parabolische zonnekoker alleen in optimale omstandigheden gebruikt – bij volle zon en hoge buitentemperaturen.

Wat zijn de technische uitdagingen?

Hoewel de Living Energy Farm al deze toepassingen van directe zonne-energie in de praktijk brengt, zijn er wel een aantal technische uitdagingen voor wie het voorbeeld wil volgen. Bijna al onze moderne technologie is ontworpen om met een stabiele en ononderbroken stroomtoevoer te werken. Dat hoeft niet zo te zijn, maar voorlopig vraagt directe zonnestroom meestal enig knutselwerk. Een directe zonne-installatie is veel makkelijker te bouwen dan een autonoom systeem met batterijen, maar er zijn vaak aanpassingen nodig aan de kant van de toestellen.

Sommige apparaten kunnen rechtstreeks op een zonnepaneel worden aangesloten: het volstaat om de positieve en negatieve contacten van het zonnepaneel en het apparaat met elkaar te verbinden. Bijvoorbeeld machines met een gelijkstroommotor verdragen grote schommelingen in de stroomtoevoer. De metaalwerkplaats en de landbouwmachines op de Living Energy Farm werken op deze manier. Als wolken de zon blokkeren, kan de gecombineerde elektrische belasting groter worden dan de stroomtoevoer van de zonnepanelen, maar dat stopt de machines niet. Alle motoren zullen vertragen omdat ze de beschikbare energie delen, maar ze blijven allemaal nuttig werk doen. ¹⁰ ²²

Hetzelfde geldt voor alle apparaten die werken op basis van resistieve verwarmingselementen, zoals waterkokers, kookplaten of elektrische verwarmingssystemen. Ze werken ongeacht het vermogen of de spanning, alleen langzamer of sneller. Een koelkast op directe zonne-energie werkt bij voorkeur op een variabele DC-compressor, die de snelheid kan aanpassen aan de wisselende zonnestroomproductie. ¹⁰ ²³

Veel andere apparaten hebben een specifieke en stabiele spanningsingang nodig, die meestal niet overeenkomt met wat het zonnepaneel produceert. Dit kan worden opgelost door een DC-DC converter (een “buck” of “boost” converter) tussen het zonnepaneel en het apparaat te plaatsen. Dit is een kleine elektronische module die de fluctuerende spanning van een zonnepaneel omzet in een constante uitgangsspanning voor een laagspanningsapparaat (5V, 12V of hoger). ²⁴

Afbeelding: Experimenten met directe zonnestroom. Foto: Marie Verdeil.

Gebruik je daarbij nog een omvormer, dan kunnen ook netstroomapparaten rechtstreeks op een zonnepaneel werken. ²⁵ DC-DC converters zijn essentieel voor alle toestellen die elektronische componenten bevatten. Dat is tegenwoordig voor heel veel apparaten het geval, inclusief toestellen, zoals wasmachines of koffiezetmachines, die tot voor kort zonder elektronica werkten. Dat geeft je vaak twee opties om dergelijke apparaten op directe zonnestroom te doen werken. Je kan ofwel een DC-DC converter plaatsen, ofwel het toestel aanpassen door de elektronica te omzeilen.

Doe-het-zelf handleidingen & commerciële apparaten

De meeste toepassingen van directe zonnestroom werken op laagspanning, zodat je er op een veilige manier zelf mee aan de slag kan. Binnenkort publiceert Lowtech Magazine hierover een handleiding. De Living Energy Farm maakt voor een aantal toepassingen echter gebruik van gelijkstroom met hogere voltages. Voorbeelden zijn de werktuigmachines in de metaalwerkplaats (90V) en een aantal krachtige elektrische zonnekokers (48V, 180V). Het is geen goed idee om deze systemen zelf te bouwen, omdat deze voltages tot dodelijke ongevallen kunnen leiden.

Wie zelf een (laagspanning) elektrische zonnekoker wil bouwen, vindt uitgebreide handleidingen bij zowel de Living Energy Farm als Cal Poly. ²⁶ De toestellen kunnen met eenvoudige materialen worden gemaakt. Het isolatiemateriaal moet brandbestendig zijn. Voorbeeldmaterialen zijn steenwol, glasvezel, natuurwol of klei.

Voor de verwarmingselementen kunnen verschillende technologieën woren gebruikt, maar het inbedden van nichroomdraden in cement is de eenvoudigste optie. Deze draden kunnen uit allerlei toestellen worden gehaald zoals broodroosters, ovens en kookplaten. In principe kunnen de verwarmingsdraden rechstreeks aan de kookpot worden bevestigd, maar het is praktischer om een verwarmd “nest” te maken waarin een pot kan worden geplaatst.

Afbeelding: Geïnspireerd door het werk van Cal Poly ontwikkelde de Living Energy Farm ook een aantal elektrische zonnekokers, waarvan ze er eentje [via hun website te koop aanbieden](https://livingenergylights.com/product/roxy-solar-electric-oven/). De Roxy Oven kan als kookplaat of als oven worden gebruikt, bijvoorbeeld voor het bakken van brood. De deur blijft ook gesloten als het toestel als kookplaat wordt gebruikt. Deze zonnekoker beschikt niet over energieopslag.

Afbeelding: De Roxy Oven zonder deur en met de glaswol isolatie zichtbaar. Het apparaat – gemaakt in de metaalwerkplaats met directe zonnestroom – werkt op 48V en vereist een zonnepaneel van 200 tot 500 watt. De Living Energy Farm biedt ook aan zonnekoelkast van Sunstar [online te koop aan](https://livingenergylights.com/product/sunstar-direct-drive-8-cuft-chest-style-refrigerator-freezer/).

Verkwist een direct zonepaneel energie?

De duurzaamheid van een zonnestroominstallatie hangt niet alleen af van de energie die nodig is om de infrastructuur te produceren en te onderhouden, maar ook van de energie die de zonnepanelen gedurende hun levensduur produceren. Sommige mensen zullen opwerpen dat het directe gebruik van zonne-energie op dat vlak minder goed scoort dan conventionele zonnestroominstallaties met netkoppeling of batterijen.

Immers, de stofzuiger, de wasmachine en de boormachine worden niet elke dag gebruikt, en als er geen elektrisch apparaat is aangesloten dan produceert een zonnepaneel ook geen stroom. Bijgevolg zal de hoeveelheid elektriciteit die het paneel produceert over de gehele levensduur dalen, terwijl de energie die nodig was om het paneel te fabriceren dezelfde blijft. Dat maakt de stroom van een direct zonnepaneel koolstofintensiever.

Omdat energieopslag in batterijen (of het netgekoppelde alternatief) zo’n groot deel uitmaakt van de totale geïnvesteerde energie, kan een op zichzelf staand zonnepaneel wel heel wat energie verspillen voordat het minder duurzaam wordt dan de tegenhanger met batterijopslag of netkoppeling.

Bovendien vermijdt het directe gebruik van zonne-energie de laad- en ontlaadverliezen die worden veroorzaakt door de batterijen, of de energieverliezen in de transmissie-infrastructuur voor netgekoppelde systemen. Beide moeten worden gecompenseerd door extra zonnepanelen. Daarbij verspillen zonnepanelen die zijn aangesloten op accu’s of het elektriciteitsnet ook stroom – een gevolg van het grote verschil in energieproductie tussen zomer en winter.

Directe zonnestroom maximaliseren met collectieve diensten

Niettemin is het belangrijk om de energieproductie van een direct zonnepaneel te maximaliseren. In die context is het nuttig even terug te keren naar het oorspronkelijke voorbeeldsysteem dat op mijn balkon staat. Directe zonnestroom zou een mooie aanvulling op dit systeem kunnen zijn, met name voor de koelkast en het kookfornuis. Het was omwille van deze apparaten dat ik in 2016 concludeerde dat het onmogelijk was om mijn appartement volledig van het elektriciteitsnet af te koppelen.

De Living Energy Farm laat evenwel zien dat het wel degelijk zou kunnen: er is plaats voor nog eens 200 watt aan zonnepanelen (4 x 50W) op het balkon, voldoende om zowel een thermisch geïsoleerde koelkast en kookplaat aan te drijven. Extra batterijcapaciteit zou niet nodig zijn.

Voor het gebruik van andere apparaten is directe zonnestroom in mijn geval echter weinig nuttig. Het zou niet erg efficiënt zijn om een extra zonnepaneel te plaatsen voor de wasmachine of de boormachine, omdat die maar af en toe worden gebruikt. Dit lijkt in de kaart te spelen van een “slim” elektriciteitsnet, omdat op die manier vele huishoudens van dezelfde zonnestroom gebruik kunnen maken – er is altijd wel iemand die kleren moet wassen of een gaatje moet boren.

Maar zo’n slim elektriciteitsnetwerk vereist wel heel wat infrastructuur, zelfs als er op die schaal gebruik zou worden gemaakt van directe zonnestroom. Er zijn dan wel geen batterijen of fossiele brandstoffen als backup nodig, maar wel een transmissie- en communicatieinfrastructuur.

Afbeelding: Een platenspeler op directe zonnestroom en een DC-DC converter. Foto: Marie Verdeil. [Bekijk de video](https://www.youtube.com/watch?v=_LjSigJv0-0).

De Living Energy Farm demonstreert een alternatieve oplossing: het gemeenschappelijk organiseren van huishoudelijke taken en werkzaamheden. In plaats van een collectief elektriciteitsnet dat energie verdeelt over vele indidviduele huishoudens, kunnen we ook collectieve diensten opzetten met een gedecentraliseerde energieproductie.

In de gemeenschappelijke werkplaats van de Living Energy Farm kan directe zonnestroom veel efficiënter worden ingezet dan in een individuele werkplaats die maar af en toe wordt gebruikt. Een collectief wassalon in elke straat zou ook veel efficiënter gebruik maken van directe zonnestroom. Bovendien besparen we zo heel veel energie op het bouwen van apparaten, en winnen we veel plaats.

Directe windstroom?

Deze strategie wordt nog belangrijker als we niet voor directe zonnestroom maar voor directe windstroom kiezen – of voor een combinatie van beide. De Living Energy Farm bevindt zich in een regio die veel zonniger is dan België of Nederland, maar in de Lage Landen is er wel meer wind.

Er is echter een belangrijk verschil tussen zonnestroom en windstroom. De efficiëntie van een zonnepaneel is niet afhankelijk van de grootte, wat zonnestroom ideaal maakt voor decentrale energieproductie. Daarentegen neemt de efficiëntie van een windturbine meer dan evenredig toe naarmate de rotordiameter groter wordt. Veel beter dan een windturbine per huishouden is dus een wat grotere windturbine voor een gemeenschap van huishoudens, bijvoorbeeld voor het aandrijven van een collectieve wasplaats of werkplaats.

De levensduur van loodzuuraccu’s hangt af van vele factoren. Als ze te diep worden ontladen of niet geregeld volledig worden opgeladen, kan de levensduur korter zijn dan drie jaar. Langs de andere kant kan een loodzuurbatterij die nauwelijks of niet wordt ontladen veel langer meegaan dan vijf jaar. De academische literatuur houdt het echter op 3 tot 5 jaar en dat is ook mijn ervaring met de batterijen die ik sinds 2016 heb gebruikt. Zie bijvoorbeeld: “Optimal Sizing and Life Cycle Assessment of Residential Photovoltaic Energy Systems With Battery Storage”, A. Celik, in “Progress in Photovoltaics: Research and Applications”, 2008. & “Energy pay-back time of photovoltaic energy systems: present status and prospects”, E.A. Alsema, in “Proceedings of the 2nd World Conference and Exhibition on photovoltaics solar energy conversion”, July 1998. ↩︎
De productie van een loodzuurbatterij (op basis van grotendeels gerecycleerde materialen) kost ongeveer 1 MJ energie per watt-uur opslagcapaciteit. Mijn 100 ampère-uur batterij komt overeen met een opslagcapaciteit van 1.200 watt-uur, en dus is de ingebedde energie gelijk aan 1.200 MJ. Over een levensduur van 30 jaar heb ik in het beste geval zes van deze batterijen nodig, dus 7.200 MJ in totaal. Bron: “Energy Analysis of Batteries in Photovoltaic systems. Part one (Performance and energy requirements)” and “Part two (Energy Return Factors and Overall Battery Efficiencies)” (PDF). Energy Conversion and Management 46, 2005. ↩︎
Er is niet veel onderzoek gebeurd naar de ingebedde energie van laadregelaars. De meest relevante data die ik vond is een waarde van 1 MJ per watt maximaal vermogen: Kim, Bunthern, et al. “Life cycle assessment for a solar energy system based on reuse components for developing countries.” Journal of cleaner production 208 (2019): 1459-1468. Voor een capaciteit van 120W (mijn laadregelaar heeft een maximaal vermogen van 10A x 12V = 120W) komt dat neer op 120 MJ. Voor de geschatte levensduur vond ik waarden van 7 en 12,5 jaar: dezelfde referentie als hierboven, alsook: Kim, Bunthern, et al. “Second life of power supply unit as charge controller in PV system and environmental benefit assessment.” IECON 2016-42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IEEE, 2016. Ik maakte daarom de berekening op een geschatte levensduur van 10 jaar. ↩︎
Nawaz, I., and G. N. Tiwari. “Embodied energy analysis of photovoltaic (PV) system based on macro-and micro-level.” Energy Policy 34.17 (2006): 3144-3152. Volgens deze veel geciteerde bron kost het 3,500 MJ om 1 m2 zonnepaneel te produceren. Mijn twee zonnepanelen samen meten 0,65 m2, wat neerkomt op een totale energiekost van 2.275 MJ. Een recentere literatuurstudie legt de energiekost voor de productie van verschillende types zonnepanelen op 1.034 tot 5.150 MJ/m2. De meest recente studies van silicon zonnepanelen in dit overzicht leggen de energiekost op ongeveer 1.000 MJ/m2, veel lager dan het cijfer dat ik gebruik. Zie: Ludin, Norasikin Ahmad, et al. “Prospects of life cycle assessment of renewable energy from solar photovoltaic technologies: A review.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 96 (2018): 11-28. ↩︎
Lithium-ion batterijen zijn een stuk duurder dan loodzuuraccu’s, maar in tegenstelling tot loodzuuraccu’s kunnen ze dieper worden ontladen (tot 15% van hun totale capaciteit) en hebben ze een langere levensduur (7 tot 10 jaar). Er zijn dus minder en kleinere batterijen nodig. Brengen we deze factoren in rekening, dan bedragen de levensduurkosten voor de batterij 750 euro, tegenover 1.020 euro voor de loodzuurbatterijen. Langs de andere kant vereisen lithium-ion batterijen een meer gesofistikeerde en duurdere laadregelaar: een 10A laadregelaar kost tussen de 200 en 600 euro, afhankelijk van de kwaliteit. Gaan we uit van een prijs van 400 euro voor de laadregelaar en een levensduur van 10 jaar voor zowel de batterij als de laadregelaar, dan is de batterijopslag goed voor 95% van de totale levensduurkosten (in totaal 2.070 euro, veel meer dan de totale kost voor het systeem met loodzuurbatterijen). Bronnen: https://www.lithiumion-batteries.com/products/product/12v-50ah-lithium-ion-battery & https://www.lithiumion-batteries.com/products/12v-lithium-ion-battery-chargers/ ↩︎
Hoewel de productie van een lithium-ion batterij meer energie kost dan de productie van een loodzuuraccu (1.4-1.9 MJ/Wh tegenover 1 MJ/Wh), wordt dit gecompenseerd door een langere levensduur en een grotere ontlaadcapaciteit. De energiekost van de lithium-ion batterijen over een levensduur van 30 jaar bedragen dan ongeveer 3.000 MJ, aanzienlijk minder dan een vergelijkbaar loodzuuraccu-systeem. Daartegenover staat een laadregelaar die een complexere elektronica bevat. Helaas is er geen data beschikbaar voor de energiekost van zo’n laadregelaar. Er zit dus niet anders op dan de energiekost te schatten op basis van de financiële kost, die vier tot twaalf keer duurder is dan een laadregelaar voor een loodzuurbatterij. Gaan we uit van een vier keer hogere kostprijs, dan stijgt de ingebedde energie van de laadregelaar naar 480 MJ, of 1.440 MJ over een periode van 30 jaar. De totale energiekost voor het systeem bedraagt dan 6.685 MJ, minder dan een vergelijkbaar systeem met loodzuurbatterijen. Daarvan is bijna 70% toe te wijzen aan de batterijopslag. ↩︎
Nikkel-ijzer batterijen zijn nog groter en zwaarder dan loodzuuraccu’s en ze hebben geregeld onderhoud nodig. Maar ze kunnen volledig worden ontladen en hebben een zeer lange levensduur (20 jaar). Bovendien kunnen ze worden gebruikt met dezelfde laadregelaars als loodzuuraccu’s. De levensduurkosten over 30 jaar voor de batterij zijn 750 euro, goedkoper dus dan de zes loodzuurbatterijen met een vergelijkbare capaciteit. De totale levensduurkosten voor een nikkel-ijzer batterijsysteem met 100W zonnepanelen bedragen 1.020 euro, waarvan 85% gaat naar energieopslag. Helaas zijn nikkel-ijzer batterijen moeilijk te vinden, zeker de kleinere modellen. Bronnen: https://beyondoilsolar.com/product/nickel-iron-battery-industrial-series/ & https://beyondoilsolar.com/product-category/batteries/nickel-iron/ ↩︎
Om precies te zijn zou de prijs van de zonnepanelen in een wat grotere zonnestroominstallatie in verhouding nog kleiner worden. Dat komt omdat zonnepanelen met kleine afmetingen (zoals 50W) in verhouding duurder zijn per watt piekcapaciteit dan zonnepanelen met meer conventionele afmetingen (vanaf 250W). Min of meer hetzelfde geldt voor de energiekost. ↩︎
https://livingenergyfarm.org ↩︎
Alexis Zeigler, de oprichter van de Living Energy Farm, schreef een boek over het project, dat integraal online staat: Empowering Communities. A Practical Guide to Energy Self Sufficiency and Stopping Climate Change. Het is ook op papier te bestellen. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Omdat er in het geval van directe zonnestroom niet voor elk apart systeem een laadregelaar nodig is, brengt het opsplitsen van een zonnestroominstallatie geen extra kosten of energieverbruik met zich mee. ↩︎
Onderzoek laat zien dat het verdubbelen van de isolatiedikte van 2,5 cm (standaardisolatie) naar 5 cm het jaarlijke elektriciteitsverbruik van een koelkast (50 liter inhoud) verlaagt van 250 naar 125 kilowattuur. ¹³ Met een isolatiedikte van 10 tot 12,5 cm halveert het elektriciteitsverbruik opnieuw tot ongeveer 60 kilowattuur per jaar. Nog dikkere isolatie brengt een kleinere reductie in het elektriciteitsverbruik en is niet langer aantrekkelijk omdat dikkere isolatie ook de kosten en de omvang van de koelkast doet toenemen. De studie betreft een door zonne-energie aangedreven AC koelkast die werkt dankzij een omvormer en een batterij, wat minder energie-efficiënt is dan een koelkast op directe zonnestroom. ↩︎
Gupta, B. L., Mayank Bhatnagar, and Jyotirmay Mathur. “Optimum sizing of PV panel, battery capacity and insulation thickness for a photovoltaic operated domestic refrigerator.” Sustainable Energy Technologies and Assessments 7 (2014): 55-67. ↩︎ ↩︎
Deze thermische massa kan letterlijk een container zijn met water die in het interieur van de koelkast wordt geplaatst. Of gewoon een aantal flessen drinkwater. Maar het water kan ook worden opgeslagen in reservoirs langs de zijkant van het apparaat, achter een binnenbekleding die ze op hun plaats houdt en aan het zicht onttrekt. Water heeft een hogere warmteopslagdichtheid dan lucht, waardoor de temperatuur langer stabiel blijft. ↩︎
Ewert, M., et al. “Photovoltaic direct drive, battery-free solar refrigerator field test results.” Proceedings of the solar conference. American solar energy society; American institute of architects, 2002. ↩︎ ↩︎
Dit voordeel geldt alleen als de koelkast in een onverwarmde ruimte staat opgesteld. De moderne gewoonte om een koelkast in een verwarmde keuken te plaatsen terwijl de buitentemperatuur ‘s winters gelijk of lager is dan die in de koelkast, is uiteraard absurd verspillend. Maar dit voordeel is evenmin geldig in tropische landen, waar de temperatuur het hele jaar door hoog is. ↩︎
Het gebruik van directe zonnestroom voor ruimtekoeling is niet zo grondig geanalyseerd als voor huishoudelijke koelkasten. Zie: Luerssen, Christoph, et al. “Life cycle cost analysis (LCCA) of PV-powered cooling systems with thermal energy and battery storage for off-grid applications.” Applied energy 273 (2020): 115145. Bovendien is het onwaarschijnlijk dat er even grote energiebesparingen mee kunnen worden bereikt. Een koelkast is altijd geïsoleerd, maar in het geval van een luchtgekoelde ruimte of gebouw is dat niet noodzakelijk het geval. Bovendien staat een koelkast opgesteld in een ruimte waar een stabiele temperatuur heerst. Een gebouw is onderhevig aan grotere temperatuurschommelingen en kan ook worden opgewarmd door directe zonnestraling. Luchtkoeling op directe zonnestroming is dus een stuk ingewikkelder. Zie: Qi, Ronghui, Lin Lu, and Yu Huang. “Parameter analysis and optimization of the energy and economic performance of solar-assisted liquid desiccant cooling system under different climate conditions.” Energy conversion and management 106 (2015): 1387-1395. ↩︎
Solar Electric Cooking, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Zie ook deze PowerPoint van dezelfde auteur. ↩︎
Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. Zie ook deze video. ↩︎
Zie: Ferreira, Carlos Infante, and Dong-Seon Kim. “Techno-economic review of solar cooling technologies based on location-specific data.” International Journal of Refrigeration 39 (2014): 23-37. ///// Riffat, James, et al. “Development and testing of a PCM enhanced domestic refrigerator with use of miniature DC compressor for weak/off grid locations.” International Journal of Green Energy 19.10 (2022): 1118-1131. ///// Du, Wenping, et al. “Dynamic energy efficiency characteristics analysis of a distributed solar photovoltaic direct-drive solar cold storage.” Building and Environment 206 (2021): 108324. ///// Alsagri, Ali Sulaiman. “Photovoltaic and photovoltaic thermal technologies for refrigeration purposes: an overview.” Arabian journal for science and engineering 47.7 (2022): 7911-7944. ↩︎
Of dat ook geldt voor het ingebedde energieverbruik, is niet duidelijk. Er is weinig onderzoek verricht naar de ingebedde energie van gesofistikeerde zonnecollectoren. ↩︎
In beide gevallen is het wel nodig om de schakelaar van het apparaat te omzeilen, omdat DC elektriciteit schakelaars meer verhit dan AC elektriciteit. In de plaats daarvan kan een geschikte externe schakelaar uitkomst bieden, maar daarmee omzeil je wel het veiligheidsmechanisme van het apparaat, wat uiteraard een risico inhoudt. ¹⁰ Opnieuw, dit hoeft niet zo te zijn: het is technisch perfect mogelijk om apparaten te maken die geschikt zijn voor directe zonnestroom. ↩︎
Een compresser met een constante snelheidsaandrijving kan slechts 50% van de geproduceerde zonnestroom nuttig gebruiken, terwijl een compressor met een variabele snelheidsaandrijving ongeveer 75% nuttig gebruikt. ¹⁵ Een condensator is nodig om de compressor van een energieboost te voorzien tijdens de startfase. ↩︎
In plaats van een DC-DC converter kan je ook een kleine “bufferbatterij” en laadregelaar plaatsen. Net zoals een DC-DC converter zal de laadregelaar een stabiel uitgangsvoltage garanderen. Bovendien kan de kleine batterij een beperkte energieopslag bieden die nuttig kan zijn om korte pieken in het energieverbruik op te vangen. Sommige apparaten hebben bijvoorbeeld een stroompiek bij het opladen. Het nadeel van een bufferbatterij is dat de kosten en de ingebedde energie toenemen, en dat er extra componenten stuk kunnen gaan. Een condensator is een alternatieve technologie om stroompieken op te vangen. ↩︎
Het gebruik van laagspanning gelijkstroom apparaten is echter een stuk energie-efficiënter omdat ook zonnepanelen laagspanning gelijkstroom produceren: https://www.lowtechmagazine.be/2016/02/zonne-energie-installatie-op-dc-gelijkstroom.html ↩︎
Insulated Solar Cooker Construction Manual, Living Energy Farm. Insulated solar electric cooker manual, Pete Schwartz, Cal Poly Physics. Roxy Oven Manual, Living Energy Farm. Videopresentatie handleiding zonnekokers, Alexis Zeigler, Living Energy Farm. Video handleiding voor het maken van verwarmingsdraden. Energieopslag: Insulated Solar Electric Cooker with Solid Thermal Storage, Andrew McCombs et al., 2022. Also see this video. ↩︎

De thermo-elektrische kachel: een alternatief voor zonnepanelen?

Tue, 26 May 2020 00:00:00 +0000

Illustratie: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Als de 2000 jaar oude windmolen de voorloper is van de hedendaagse windturbine, dan zijn de open haard en de houtkachel de nog oudere voorlopers van het moderne zonnepaneel. Net zoals zonnepanelen zetten bomen en andere planten zonlicht om in een voor de mens bruikbare energievorm. Een blok hout is niets meer of minder dan gestolde zonne-energie.

Doorheen de geschiedenis heeft het stoken van hout en andere biomassa huishoudens voorzien van thermische energie die gebruikt werd om te koken, te verwarmen, te wassen en te verlichten. Fotosynthese lag ook aan de basis van alle historische bronnen van mechanische energie. Biomassa was de “brandstof” voor mensen en dieren, en hout was ook het bouwmateriaal voor water- en windmolens.

De klassieke windmolen en de houtkachel produceren geen elektriciteit, maar beide kunnen eenvoudig worden aangepast om dat wel te doen. Het volstaat om een windmolen te verbinden met een elektrische generator, en een houtkachel uit te rusten met een thermo-elektrische generator.

De thermo-elektrische generator

Een thermo-elektrische generator (of TEG) lijkt erg op een foto-elektrische generator – wat we nu een “fotovoltaïsche cel” of zonnepaneel noemen. Een zonnepaneel zet licht rechtstreeks om in elektriciteit, terwijl een thermo-elektrische generator warmte rechtstreeks omzet in elektrciteit. ¹

Een thermo-eletrische generator bestaat uit een aantal baarvormige halfgeleiders, met elkaar verbonden door metalen stroken, en samengeperst tussen twee keramische platen die elektrisch isolerend maar thermisch geleidend zijn. ² Ze worden verkocht door producenten als Hi-Z, Tellurex, Thermalforce en Thermomanic.

Een thermoelektrische module. Afbeelding: Gerardtv (CC BY-SA 3.0)

Een thermoelektrische module. Toestemming tot gebruik van afbeelding verkregen, Applied Thermoelectric Solutions LLC, [How Thermoelectric Generators Work](https://thermoelectricsolutions.com/how-thermoelectric-generators-work/).

Als een thermo-elektrische module op het oppervlak van een houtkachel wordt bevestigd, zal hij elektriciteit produceren telkens wanneer de kachel wordt gebruikt om te koken of te verwarmen. In de experimenten die hieronder uitgebreider worden toegelicht, varieert het elektrisch vermogen per module tussen 3 en 19 watt.

Net als bij zonnepanelen kunnen de modules parallel en in serie met elkaar verbonden worden om het gewenste vermogen te krijgen. Tenminste, zolang er ruimte is op het oppervlak van de kachel. Net als bij zonnepanelen wordt de geproduceerde stroom gereguleerd door een laadregelaar en opgeslagen in een batterij zodat er ook stroom beschikbaar is wanneer de kachel niet brandt. Een thermo-elektrische kachel wordt vaak gecombineerd met elektrische toestellen die op gelijkstroom draaien. Dat beperkt het energieverlies van de omvormers.

Thermo-elektrische kachels kunnen bijna overal ter wereld worden gebruikt. Het meeste onderzoek is gericht op het globale Zuiden, waar bijna 3.000 miljoen mensen (40 % van de wereldbevolking) biomassa verbranden om te koken en om water te verwarmen. Sommige van deze huishoudens gebruiken een kachel of haardvuur ook om te verlichten (1.300 miljoen mensen hebben geen toegang tot elektriciteit) en om ruimtes te verwarmen in de koudere periodes van het jaar. Maar er is ook onderzoek gericht op huishoudens in industriële samenlevingen, waar biomassakachels vooral buiten de steden aan populariteit hebben gewonnen.

100% efficiënt

Sinds het thermo-elektrische effect voor het eerst werd beschreven door Thomas Seebeck in 1821, staan thermo-elektrische generatoren bekend om hun lage efficiëntie. ³⁴⁵⁶ Vandaag de dag bedraagt de efficiëntie van een thermo-elektrische module bij het omzetten van warmte in elektriciteit amper 5-6%, ruwweg drie keer lager dan dat van de meestgebruikte zonnepanelen. ⁴

Gecombineerd met een kachel doet de elektrische efficiëntie van zo’n module er echter niet zo toe, omdat de kachel toch al in gebruik is voor andere doeleinden. Als de module in staat is om 5% van zijn input in elektriciteit om te zetten, komt de overige 95 % nog steeds vrij als warmte. Wordt de kachel gebruikt om de ruimte te verwarmen, dan kan deze 95 % warmte niet als verlies beschouwd worden, want ze dient nog steeds haar oorspronkelijke doel. De totale systeemefficiëntie (warmte + elektriciteit) is wat telt . Met een speciaal ontwerp kan de hitte die vrijkomt bij de elektriciteitsomzetting ook hergebruikt worden om te koken of om water te verwarmen.

Betrouwbaarder dan zonnepanelen

Thermo-elektrische modules delen veel voordelen met zonnepanelen: ze zijn modulair, vragen weinig onderhoud, hebben geen bewegende onderdelen, zijn geruisloos en hebben een lange levensverwachting. ⁷ Bovendien hebben thermo-elektrische modules bijkomende voordelen ten opzichte van zonnepanelen, tenminste zolang er een (niet-elektrische) warmtebron aanwezig is die regelmatig wordt gebruikt.

Hoewel thermo-elektrische modules drie keer minder efficiënt zijn dan zonnepanelen, zijn thermo-elekrische kachels een betrouwbaarder bron van elektriciteit. Ze zijn namelijk minder afhankelijk van het weer, de seizoenen en het uur van de dag. In vakjargon: thermo-elektrische kachels hebben een hogere ’netto retentiefactor’ dan zonnepanelen.

Zelfs wanneer een kachel enkel wordt gebruikt om te koken en om water te verwarmen, dan garanderen deze dagelijkse huishoudelijke taken een betrouwbare elektriciteitsopbrengst – ongeacht het klimaat. Bovendien stemt de elektriciteitsproductie goed overeen met de huishoudelijke energievraag: elektrische stroom is meestal nodig wanneer de kachel wordt gebruikt. Zonnepanelen daarentegen produceren amper of geen elektriciteit op momenten waarop het huishoudelijke energieverbruik piekt.

Afbeelding: een thermo-elektrische generator op een petroleumlamp die een radio aandrijft, Soviet-Rusland, 1959. Bron: [The Museum of Retrotechnology](http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm).

Merk op dat al deze voordelen verdwijnen wanneer thermo-eletrische generatoren door direct zonlicht worden aangedreven. Thermo-elektrische generatoren op zonne-energie (“STEGS”), waarin de thermo-elektrische modules verwarmd worden door geconcentreerd zonlicht, zijn net zo afhankelijk van het weer als zonnepanelen. Hun lagere efficiëntie wordt dus niet gecompenseerd door een hogere betrouwbaarheid. ⁸⁹¹⁰

Minder energieopslag

Door de hogere betrouwbaarheid is er in vergelijking met zonnepanelen minder nood aan generatie- en opslagcapaciteit om nachten, donkere seizoenen of slecht weer te compenseren. De capaciteit van de batterij moet enkel groot genoeg zijn om elektriciteit op te slaan tussen twee stookbeurten.

Zonnepanelen en thermo-elektrische kachels kunnen ook worden gecombineerd, wat resulteert in een betrouwbaar autonoom systeem waarin relatief weinig energieopslag nodig is. Zo’n hybride systeem is vooral handig wanneer de kachel enkel gebruikt wordt om de ruimte te verwarmen. De thermo-elektrische modules verzorgen dan de energieproductie in de winter, terwijl de zonnepanelen het in de zomer overnemen.

Goedkoper te installeren, makkelijker te recycleren

Een tweede voordeel van een thermo-elektrische kachel is de eenvoudige installatie. Er moet niets op het dak worden vastgemaakt en er moeten geen kabels van binnen naar buiten lopen – alle onderdelen bevinden zich binnenshuis. Ook dieven krijgen minder kans om er met de energie-installatie vandoor te gaan – iets wat bij zonnepanelen in sommige delen van de wereld een groot probleem vormt.

Al deze factoren zorgen ervoor dat de stroom die een thermo-elektrische kachel produceert goedkoper en duurzamer is dan de energie afkomstig van zonnepanelen. Er is minder energie, materiaal en geld nodig om batterijen, modules en montagesystemen te fabriceren.

In termen van duurzaamheid is er een bijkomend voordeel: in tegenstelling tot zonnepanelen zijn thermo-elektrische modules relatief eenvoudig te recycleren. Hoewel bij zonnepanelen de silicium zonnecellen op zichzelf te recycleren zijn, zijn ze ingekapseld in een plastic film (meestal “EVA” of Ethyleenvinylacetaat/polyvinylacetaat) die absoluut noodzakelijk is om de langetermijnprestatie van de modules te verzekeren. ¹¹ Deze film verwijderen zonder de siliconencellen te vernietigen is technisch mogelijk, maar zo complex dat het recyclageproces zowel vanuit financieel als energetisch standpunt weinig aantrekkelijk is. ¹²¹³ Thermo-elektrische modules daarentegen bevatten helemaal geen plastic. ¹⁴¹⁵¹⁶

De modules koelen

De elektrische efficiëntie van een thermo-elektrische generator is niet enkel afhankelijk van de module zelf. Ze wordt ook in grote mate beïnvloed door het temperatuursverschil tussen de koude en de warme zijde van de module. Met de helft van het temperatuurverschil wordt slechts een kwart van het vermogen geleverd. Bijgevolg is de thermische regulatie van de generator een belangrijk aandachtspunt in het ontwerp van thermo-elektrische kachels. Een groter temperatuurverschil zorgt ervoor dat je met minder modules meer elektriciteit kan produceren.

Enerzijds betekent dit dat de modules best op de warmste plek van de kachel worden bevestigd. Bij de meeste kachels bedraagt de oppervlaktetemperatuur tussen 100 en 300 graden Celsius, terwijl de warme zijde van bismut-telluride modules (het meest betaalbare en efficiënte type) temperaturen verdraagt van 100 tot 350 graden Celsius, afhankelijk van het model.

Anderzijds is het de kunst om de temperatuur aan de koude zijde van de module zo laag mogelijk te houden. Hiervoor bestaan vier mogelijkheden: geforceerde luchtgekoelde of watergekoelde convectie – gebruikmakend van elektrische ventilatoren en pompen – en natuurlijke luchtgekoelde of watergekoelde convectie – gebruikmakend van passieve koeling die geen extra energieverbruik introduceert.

Actieve (geforceerde) koelsystemen hebben doorgaans een hogere efficiëntie – zelfs wanneer het energieverbruik van een ventilator of pomp mee in rekening wordt gebracht. Passieve systemen daarentegen zijn geruisloos en bovendien betrouwbaarder en goedkoper dan actieve koelsystemen. Wanneer een elektrische ventilator het begeeft, kan de module door oververhitting worden beschadigd. ¹⁷

Thermo-elektrische kachel met koellichaam

De eerste thermo-elektrische kachels werden in de vroege jaren 2000 gebouwd, hoewel er in de jaren 1950 reeds een gelijkaardig concept ontstond in de Sovjet-Unie. Daar werden voornamelijk elektrische radio’s door olielampen aangedreven. ⁶ In 2004 bouwde een team Libanese onderzoekers een gietijzeren houtkachel om tot een thermo-elektrische kachel door er een thermo-elektrische module aan te bevestigen. De module had een afmeting van 56 x 56 mm en was door de onderzoekers zelf gemaakt. ¹⁸ Het gaat om een relatief kleine en lichte kachel (52 x 44 x 29 cm, 40 kg) die vooral wordt gebruikt om te koken en om water en ruimtes te verwarmen.

Afbeelding: De gietijzeren kachel gebruikt in het experiment. [^18]

De onderzoekers bevestigden een gladde aluminiumplaat met een dikte van 1 cm op het warmste deel van het kacheloppervlak. Daarop monteerden ze de elektro-thermische module met aan de koude zijde een grote, geribde koelplaat (180 x 136 x 125 mm). Met een houtverbruik van 2,5 kg per uur (zacht dennenhout) bedroeg de vermogensopbrengst 4.2 watt. Als de kachel 10 uur per dag wordt gebruikt, dan kan er dus 42 watt-uur elektriciteit per dag worden geproduceerd – genoeg om de basisbehoeften te bevredigen van een Libanees gezin.

Afbeelding: TEG-installatie: details en plaatsing op de kachel. [^18]

Om de elektriciteitsopbrengst te verhogen, kunnen meerdere modules worden toegevoegd, al is het oppervlak van een kachel uiteraard beperkt. Bovendien verlaagt de efficiëntie naarmate er meer modules toegevoegd worden, omdat er dan minder warme plekken van de kachel moeten worden gebruikt. Een andere manier om de stroomproductie te vergroten is het gebruik van grotere koelelementen en/of duurdere koelelementen die beter warmte geleiden.

Thermo-elektrische kachel met ventilator

De meeste thermo-elektrische kachels die tot nu toe werden gebouwd – en de enigen die voorlopig commercieel verkrijgbaar zijn – gebruiken een elektrische ventilator om de module af te koelen, in combinatie met een veel kleiner koelelement. Hoewel een ventilator stuk kan gaan en een deel van de geproduceerde elektriciteit verbruikt, brengt het gebruik ervan extra voordelen die deze nadelen compenseren. De elektrische ventilator heeft immers een dubbele functie. Hij koelt de module, maar verhoogt ook de efficiëntie van de kachel door hete lucht in de verbradingskamer te blazen. Het verbruik van brandhout en de luchtvervuiling worden zo gehalveerd. Bovendien wordt het op die manier mogelijk om een stoof te installeren zonder een schoorsteen – een horizontale uitlaatpijp volstaat. ¹⁹

Deze door ventilatoren gekoelde thermoelektrische kachels maken het mogelijk om het brandstofverbruik en de luchtvervuiling te verminderen in rurale gebieden waar mensen geen toegang hebben tot elektriciteit, en niet de middelen hebben om een schoorsteen door het dak te bouwen.

Een studie van een kachel met geforceerde trek resulteerde in een vermogensopbrengst van 4,5 watt, waarvan 1 watt nodig is voor de ventilator. ²⁰ De netto energieproductie (3,5 watt) is lager dan die van een thermoelektrische kachel met enkel een koelplaat (4,2 watt), maar de kachel met ventilator verbruikt daarentegen slechts half zoveel brandhout. Met 1 kg hout per uur produceert de module 3,5 watt, terwijl de passief gekoelde kachel elk uur 2,5 kg hout opslokt om 4,2 watt energie te produceren.

Image: Thermo-elektrische kachel met ventilator. [^20]

Er zijn een handvol door een ventilator gekoelde thermo-elektrische kachels op de markt, vaak ontworpen voor rugzaktoeristen. Voorbeelden zijn de kachels van BioLite, Termomanic en Termefor, die een vermogensopbrengst beloven van 3 tot 10 watt, afhankelijk van het design en het aantal modules. ¹⁷

Thermo-elektrische kachel met waterkoeling

De meest efficiënte thermo-elektrische kachels zijn diegenen waar de koude kant van een module (of modules) gekoeld wordt door direct contact met een waterreservoir. Water heeft een lagere thermische weerstand dan lucht en koelt dus doeltreffender. Daarbij kan de temperatuur niet boven de 100 graden stijgen, wat de kans verkleint dat een module oververhit raakt en stuk gaat.

Image: Het werkingsprincipe van de thermo-elektrische kachel met waterkoeling. [^17]

Als thermo-elektrische modules watergekoeld zijn, draagt de restwarmte van de omzetting naar elektriciteit niet bij aan de verwarming van de ruimte, maar wel aan de verwarming van water voor huishoudelijk gebruik. Watergekoelde kachels kunnen actief zijn (gebruik makend van een pomp) of passief (zonder bewegende onderdelen). ¹⁷

De meeste thermo-elektrische kachels met passieve waterkoeling zijn klein en worden gebruikt om relatief kleine hoeveelheden water te verwarmen. Het is zelfs zo dat het vaak niet de kachel maar wel de kookpot is die van thermo-elektrische modules wordt voorzien. De PowerPot is een commercieel voorbeeld van zo’n kookpot voor rugzaktoeristen, waar op de onderkant een thermo-elektrische module is bevestigd. Als de pot op een vuur wordt neergezet, zou de module 5 tot 10 watt elektriciteit produceren.

Image: Multi-functionele houtkachel met passieve waterkoeling. [^22]

Franse onderzoekers ontwierpen een veel grotere thermo-elektrische kachel met passieve waterkoeling. Ze baseerden zich op een grote, multifunctionele houtkachel van Marrokaans ontwerp, gebouwd uit klei. ¹⁹²¹²²²³²⁴ Op de bodem van een ingebouwde wateropslagtank van 30 liter bevestigden de onderzoekers acht thermo-elektrische modules. De watertank doet niet enkel dienst als koelplaat, ze voorziet ook het warm water voor huishoudelijk gebruik. Bovendien is de kachel uitgerust met een elektrische ventilator en een dubbele verbrandingskamer om de efficiëntie van de verbranding te verhogen.

Tests met een prototype leverden een vermogen op van 28 watt bij het gebruik van 2 modules, terwijl er 1,5 kg hout werd verbrand. De ventilator slokte daar 15 watt van op, wat betekent dat er 13 watt overbleef voor andere doeleinden. De kachel leverde ook 60 liter warm water op per uur. Afhankelijk van de duur van twee kooksessies, kon er op één dag tussen de 35 en de 55 wattuur aan energie opgeslagen worden in een batterij. Bij deze berekening hielden de onderzoekers rekening met het verlies in de laadregelaar, de 6V-batterij en de ventilator.

Thermo-elektrische kachel met elektrische pomp

Passieve waterkoelsystemen hebben ook een nadeel. Als de temperatuur van het water in de tank stijgt, daalt het verschil tussen de koude en de warme zijde van de module en daalt dus ook de energie-efficiëntie. Er moet daarom voldoende tijd zijn tussen twee gebruikssessies van de kachel zodat het water opnieuw kan afkoelen, of als wam water wordt gebruikt, bijvoorbeeld om af te wassen of te douchen. In het laatste geval moet de tank uiteraard opnieuw met (koud) water worden gevuld. Een pomp maakt dit een stuk handiger.

Image: Prototype van een thermo-elektrische kachel met waterkoeling en elektrische pomp. [^26]

Een prototype uit 2015, waarbij de houtkachel gebruikt werd om te koken en om de ruimte te verwarmen, werd voorzien van 21 thermo-elektrische modules die gekoeld werden door een waterpompsysteem. Het prototype leverde 25 watt aan stroom bij de verbranding van 1 kg dennenhout per uur. Met vier kilogram hout steeg het geproduceerde vermogen tot 70 watt, en bij 9 kilogram hout werd dat 166 watt. ²⁵ De vermogensopbrengst per module bedraagt 7,9 watt, bijna dubbel zoveel als die van een module op een kachel met passieve luchtkoeling. De pomp verbruikt 5 watt en de ventilator – die de efficiëntie van de verbranding verhoogt – 1 watt. ²⁶²⁷

Thermo-elektrische gasboilers?

In tegenstelling tot de andere types, die vooral bedoeld zijn voor regio’s waar mensen niet of nauwelijks toegang hebben tot elektriciteit, is de thermo-elektrische kachel met actief waterkoelsysteem meer geschikt voor de energie-infrastructuur in geïndustrialiseerde samenlevingen. Het systeem werkt immers op dezelfde manier als een centrale verwarming.

Uiteraard ligt het elektriciteitsverbruik in rijke landen een heel stuk hoger. Maar er kunnen meer modules toegevoegd worden, wat resulteert in een hogere elektriciteitsproductie. Het probleem is dat centrale verwarmingssytemen enkel worden gebruikt om water en ruimtes te verwarmen, en niet om op te koken. Dat maakt de elektricteitsproductie van een thermo-elektrisch systeem veel minder betrouwbaar: ’s winters is er veel meer elektriciteit beschikbaar dan ’ s zomers. Ten tweede draaien de meeste centrale verwarmingssystemen niet op de verbranding van biomassa of houtpellets, maar op gas, olie of elektriciteit.

Prototype van een thermo-elektrische pelletkachel. [^30]

Het heeft uiteraard geen zin om een thermo-elektrische module op een elektrische boiler te bevestigen. Bestaat de energiebron daarentegen uit gas of olie, dan is een thermo-elektrische boiler net zo’n koolstofarme oplossing als zonnepanelen op het dak. ²⁸ Een thermo-elektrisch verwarmingssysteem maakt een huishouden niet onafhankelijk van fossiele brandstoffen, maar dat doet een set zonnepanelen ook niet. Zonnepanelen steunen op een (grotendeels door fossiele brandstoffen aangestuurd) elektriciteitsnet om overschotten en tekorten op te vangen, en worden vaak gecombineerd met een centraal verwarmingssysteem voor warmte en water dat eveneens van fossiele brandstoffen afhankelijk is. Ook de productie van zonnepanelen kost fossiele energie.

Een thermoelektrische generator van 1 kW met een actief waterkoelsysteem voor geothermische warmtebronnen met een lage temperatuur. [^31]

Een thermo-elektrisch verwarmingssysteem dat van fossiele brandstoffen afhankelijk is, heeft ook een voodeel ten opzichte van een grote warmte-krachtcentrale – die de restwarmte van elektriciteitsproductie opvangt en verdeelt naar individuele huishoudens voor water- en ruimteverwarming. In een thermo-elektrisch verwarmingssysteem gebeuren productie en consumptie op dezelfde plaats. Er is geen infrastructuur nodig die de warmte en elektriciteit verdeelt, wat wel het geval is bij een warmte-krachtcentrale. Dat bespaart energie: er moet minder infrastructuur worden gebouwd, en er zijn geen energieverliezen bij het transport van elektriciteit. Die verliezen zijn niet onaanzienlijk: 10 à 20 % voor het vervoer van warmte en 3 tot 10 % voor de distributie van elektriciteit (in sommige regio’s kan dat zelfs veel meer zijn).

Een warmtekrachtcentrale is veel efficiënter (25 tot 40 %) dan een thermo-elektrische kachel in het omzetten van warmte in elektriciteit. Maar aangezien beide zowel warmte als elektriciteit leveren, maakt dat niet uit. Een thermo-elektrisch verwarmingssysteem levert simpelweg een groter aandeel warmte en een kleiner aandeel elektriciteit. Dit is allesbehalve problematisch te noemen als je weet dat gemiddeld 80 % van het energieverbruik in een Europees huishouden wordt besteed aan verwarming, en slechts 20% aan elektricteit.

In beide gevallen kan de werking omgekeerd worden. Elektrische stroom die door een thermo-elektrische module loopt kan zowel ter verwarming of ter afkoeling dienen. Elektrische stroom door een photovoltaïsche cel sturen, produceert licht - dat is het principe van een LED-lamp. ↩︎
Rowe, David Michael, ed. CRC handbook of thermoelectrics. CRC press, 2018. ↩︎
Thermoelectric generators, The Museum of Retrotechnology, accessed May 2020. http://www.douglas-self.com/MUSEUM/POWER/thermoelectric/thermoelectric.htm ↩︎
Polozine, Alexandre, Susanna Sirotinskaya, and Lírio Schaeffer. “History of development of thermoelectric materials for electric power generation and criteria of their quality.” Materials Research 17.5 (2014): 1260-1267. ↩︎ ↩︎
Goupil, Christophe, ed. Continuum theory and modeling of thermoelectric elements. John Wiley & Sons, 2015. ↩︎
Joffe, Abram F. “The revival of thermoelectricity.” Scientific American 199.5 (1958): 31-37. ↩︎ ↩︎
The Stirling engine, another predecessor of the solar PV panel that converts heat into electricity, lacks many of these advantages. ↩︎
Kraemer, Daniel, et al. “Concentrating solar thermoelectric generators with a peak efficiency of 7.4%.” Nature Energy 1.11 (2016): 1-8. ↩︎
Amatya, R., and R. J. Ram. “Solar thermoelectric generator for micropower applications.” Journal of electronic materials 39.9 (2010): 1735-1740. ↩︎
Gayathri, Ms D. Binu Ms R., Mr Vijay Anand Ms R. Lavanya, and Ms R. Kanmani. “Thermoelectric Power Generation Using Solar Energy.” International Journal for Scientific Research & Development, Vol. 5, Issue 03, 2017. ↩︎
Jiang, Shan, et al. “Encapsulation of PV modules using ethylene vinyl acetate copolymer as the encapsulant.” Macromolecular Reaction Engineering 9.5 (2015): 522-529. ↩︎
Xu, Yan, et al. “Global status of recycling waste solar panels: A review.” Waste Management 75 (2018): 450-458. ↩︎
Sica, Daniela, et al. “Management of end-of-life photovoltaic panels as a step towards a circular economy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 2934-2945. ↩︎
Bahrami, Amin, Gabi Schierning, and Kornelius Nielsch. “Waste Recycling in Thermoelectric Materials.” Advanced Energy Materials (2020). ↩︎
Balva, Maxime, et al. “Dismantling and chemical characterization of spent Peltier thermoelectric devices for antimony, bismuth and tellurium recovery.” Environmental technology 38.7 (2017): 791-797. ↩︎ ↩︎
Wat het gewicht betreft: een thermo-elektrische module van 5 gram bestaat uit alumininiumoxide voor de keramische platen (44%); koper voor de elektrische contacten (28%); tellurium (10%); bismut (6%) en antimoon (2%) voor de thermo-elektrische benen; kleien hoeveelheden tin (om te solderen), selenium (om de bismut telluride te “doppen”) en siliconepasta (het enige polymeer in de module om alles aan elkaar te kleven). In thermo-elektrische modules is de concentratie van de schaarse elementen antimoon, tellurium en bismut veel hoger dan de traditionele grondstoffen, wat het recycleren ervan aantrekkelijk maakt. ¹⁵ ↩︎
Gao, H. B., et al. “Development of stove-powered thermoelectric generators: A review.” Applied Thermal Engineering 96 (2016): 297-310. ↩︎ ↩︎ ↩︎
Nuwayhid, Rida Y., Alan Shihadeh, and Nesreen Ghaddar. “Development and testing of a domestic woodstove thermoelectric generator with natural convection cooling.” Energy conversion and management 46.9-10 (2005): 1631-1643. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Study of a TE (thermoelectric) generator incorporated in a multifunction wood stove.” Energy 36.3 (2011): 1518-1526. ↩︎ ↩︎
Raman, Perumal, Narasimhan K. Ram, and Ruchi Gupta. “Development, design and performance analysis of a forced draft clean combustion cookstove powered by a thermo electric generator with multi-utility options.” Energy 69 (2014): 813-825. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Thermoelectric power generation from biomass cook stoves.” Energy 35.2 (2010): 935-942. ↩︎
Champier, Daniel, et al. “Prototype combined heater/thermoelectric power generator for remote applications.” Journal of electronic materials 42.7 (2013): 1888-1899. https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02014177/document ↩︎
Champier, Daniel. “Thermoelectric generators: A review of applications.” Energy Conversion and Management 140 (2017): 167-181. ↩︎
Favarel, Camille, et al. “Thermoelectricity-A Promising Complementarity with Efficient Stoves in Off-grid-areas.” Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems 3.3 (2015): 256-268. ↩︎
Goudarzi, A. M., et al. “Integration of thermoelectric generators and wood stove to produce heat, hot water, and electrical power.” Journal of electronic materials 42.7 (2013): 2127-2133. ↩︎
De onderzoekers suggereren ook een methode die de pomp overbodig maakt: een watertank kan op 1 meter hoogte geplaats worden, waardoor de zwaartekracht haar werk doet en het water in het koelsysteem stroomt terwijl het warm water afkomstig van het koelsysteem in een geïsoleerde tank opgeslagen kan worden. ↩︎
Een ander prototype genereerde gemiddeld 27 Watt met amper twee modules, wat meer dan genoegis om de pomp te doen werken (8W). De entto-productie bedroeg 9,5 Watt per module. Montecucco, Andrea, Jonathan Siviter, and Andrew R. Knox. “A combined heat and power system for solid-fuel stoves using thermoelectric generators.” Energy Procedia 75 (2015): 597-602. ↩︎
De vroegste experimenten met thermo-elektrische verwarmingssystemen dateren van de late jaren 1990. Het doel was om gasboilers te ontwikkelen die zichzelf van stroom voorzagen. Centrale verwarmingssystemen verbruiken gemiddeld 250 tot 400 watt energie om hun elektrische componenten in werking te stellen: ventilators, blazers, pompen en controlepanels. De toevoeging van thermo-elektrische modules garandeert de functionaliteit van het systeem, ook wanneer er lange stroomonderbreking is. In combinatie met zonnepanelen die aangesloten zijn op het elektriciteitsnet is dit enkel mogelijk wanneer de zon schijnt. Allen, D. T., and W. Ch Mallon. “Further development of” self-powered boilers"." Eighteenth International Conference on Thermoelectrics. Proceedings, ICT'99 (Cat. No. 99TH8407). IEEE, 1999. Allen, Daniel T., and Jerzy Wonsowski. “Thermoelectric self-powered hydronic heating demonstration.” XVI ICT'97. Proceedings ICT'97. 16th International Conference on Thermoelectrics (Cat. No. 97TH8291). IEEE, 1997. ↩︎

Te veel verbranding, te weinig vuur

Sun, 29 Dec 2019 00:00:00 +0000

Illustration: [Diego Marmolejo](https://www.instagram.com/ddidak/).

Een vuurtje stoken is niet zonder controverse in België of Nederland. Als verwarmingselement hebben de open haard en de houtstoof een belabberd imago: ze worden inefficiënt en ongezond genoemd. Nochtans heeft het vuur ook belangrijke voordelen: er wordt gebruik gemaakt van een hernieuwbare energiebron en het is klimaatneutraal.

Het routineus gebruik van huishoudelijk vuur is minstens 400.000 jaar oud. Gedurende al die tijd was het vuur de enige energie verbruikende technologie in een huishouden, ongeacht of de familie was gehuisvest in een grot, een tijdelijke hut of een permanente woning.

Tot ongeveer 500 jaar geleden bevond de haard zich op de vloer in het midden van de woning, de rook ontsnapte via een gat in het dak. Daarna schakelden steeds meer Europeanen over naar de schoorsteen en een in de muren ingebouwde open haard of een tegelkachel.

Veelzijdig

Luchtvervuiling door houtstook is een feit, maar de geschiedenis maakt duidelijk dat een open haard niet zo inefficiënt is als we vandaag denken – tenminste niet als hij op de ouderwetse manier wordt ingezet. Onze voorouders gebruikten niet alleen vuur om zich te verwarmen. De open haard was tegelijk ook hun kookfornuis, oven, broodrooster, verlichting, koelkast en vrieskast.

Vis en vlees werden in de rook gehangen om ze langer te bewaren, en ook de meeste andere bewaringsmethoden waren afhankelijk van het vuur. De haard was ook de wasdroger, de boiler, en de televisie – de plek waar heel de familie samenkwam.

Als een vuur vandaag inefficiënt wordt genoemd, dan wordt er geen rekening gehouden met de veelzijdige toepassingen ervan. Het energieverbruik moet niet worden vergeleken met dat van een modern verwarmingssysteem, maar met het energieverbruik van het gehele huishouden.

Apparaten en Infrastructuur

Er wordt evenmin rekening gehouden met de fossiele energie en materialen die het kost om één vuur te vervangen door tientallen apparaten. Bovendien werken die alleen maar dankzij infrastructuur, zoals het stroomnetwerk. Ook dat kost fossiele brandstoffen. Een open vuur of haard kan daarentegen met eenvoudige materialen worden gebouwd en geheel autonoom werken.

De trage doorbraak van de schoorsteen maakt duidelijk dat voor onze voorouders de gezondheidsvoordelen niet opwogen tegen het lagere rendement: de schoorsteen blaast 90 procent van de warmte naar buiten, en dus moet er meer hout worden verzameld.

Wij kunnen het ons veroorloven ‘gezondheid’ (net zoals gemak, comfort, of snelheid) te verkiezen boven ‘duurzaamheid’, omdat het extra werk wordt geleverd door fossiele brandstoffen. Maar dat gaat wel ten koste van de gezondheid van toekomstige generaties.

Het gebruik van open vuur heeft bewezen duurzaam te zijn: het werkt al 400.000 jaar. Hoe lang zal de op windkracht draaiende magnetron het uithouden?