Je leest:

Energie door zonnepanelen in de ruimte

Energie door zonnepanelen in de ruimte

Auteur: | 23 november 2008

Nog steeds ongebruikelijk, maar wel goed voor het milieu: grote panelen op het dak om zonlicht op te vangen. Zonne-energie is één van de alternatieven voor energie uit aardgas of steenkool, waarbij geen schadelijke stoffen in de atmosfeer komen. Nadeel is alleen dat je heel veel (dure) panelen nodig hebt om een klein beetje energie leveren. Een mogelijke oplossing is om de panelen wat hoger te plaatsen, namelijk in de ruimte!

Niet op het dak, maar in de ruimte

Op dit moment wordt de zon op twee manieren gebruikt om energie op te wekken. De zon kan rechtstreeks water voor huishoudelijk gebruik verwarmen ( thermische energie), maar het zonlicht kan ook door zonnepanelen worden omgezet in elektriciteit ( zonnestroom). Helaas is de energiedichtheid heel laag. Dat wil zeggen dat de hoeveelheid energie die op een bepaald oppervlakte valt gedurende een bepaalde tijd, erg klein is. Om een gemiddeld huishouden volledig op zonne-energie te laten draaien, is 36 m2 aan zonnepanelen nodig, wat erg duur is.

Hoe komt het nou dat de energiedichtheid zo laag is? Tenslotte, de totale hoeveelheid energie die de aarde bereikt, is zo’n 9000 keer meer dan de energiebehoefte van alle aardbewoners samen! Het probleem is dat deze energie niet elk moment van de dag op te vangen is; zo wordt door wolken veel zonlicht tegengehouden, maar ook de hoek waaronder het zonlicht de aarde raakt en de afstand tussen de aarde en de zon (per seizoen verschillend) spelen een rol. Het probleem kan worden opgelost door de zonne-energie op te vangen bóven alle blokkades – in de ruimte.

Het zonnepaneel in de ruimte kan het zonlicht opvangen zonder last te hebben van allerlei blokkades. Daarna kan de energie ‘doorgestraald’ worden naar de Aarde.

Stralen naar de Aarde

Zonne-energie uit de ruimte, ook wel Space Based Solar Power (SBSP) of Solar Power from Space (SPS) genoemd, is al bedacht in de jaren ’70. Satellieten met grote zonnepanelen kunnen in een baan om de Aarde cirkelen, waarbij ze altijd zonlicht opvangen. De energie die de panelen opwekken, wordt vervolgens naar de Aarde gestuurd door middel van bijvoorbeeld lasers of microgolven. Het voordeel van zulke hoge panelen is erg groot: één vierkante meter zonnepaneel vangt in de ruimte 1366 Watt aan zonne-energie op, terwijl datzelfde oppervlak op aarde gemiddeld slechts 250 Watt opvangt.

Eén van de moeilijkheden van het SPS-idee is het overbrengen van de opgevangen energie naar de Aarde. Hiervoor kunnen microgolven gebruikt worden: een antenne op de satelliet zendt de energie uit als microgolven en een antenne op Aarde vangt deze op en zet ze om in elektriciteit.

Microgolven zijn elektromagnetische straling met een golflengte tussen 1 mm en 1 m, of met een frequentie tussen 300 MHz en 300 GHz. De golflengte is dus veel korter dan die gebruikt voor radio. De magnetron is de bekendste toepassing, waarbij microgolven van 2.45GHz er voor zorgen dat watermoleculen gaan bewegen, wat warmte oplevert. Ook Bluetooth maakt gebruik van microgolven.

De frequentie van de microgolven mag niet te hoog zijn, zodat ze geen schade veroorzaken aan mens en natuur. Aan de andere kant mag de frequentie niet te laag zijn, omdat dan de antenne heel groot moet zijn om de ‘grote’ golven op te vangen. Als compromis gaat men voor de zonnesatelliet uit van een frequentie van 2,45 GHz.

De grootte van de antennes wordt niet alleen bepaald door de gekozen frequentie van de microgolven, maar ook door de grootte die vanaf de andere kant ‘te zien is’. Hoe verder weg de antenne, hoe minder zichtbaar, dus hoe groter hij moet zijn. Voor het hoogste rendement moet de satellietantenne rond zijn, met een diameter van minstens 1 km.

De antenne op Aarde heet een rectenna, van het Engelse rectifying antenna (rechtzettende antenne). Hierin worden de microgolven direct omgezet in elektriciteit. De rectenna is een soort ellipsvormige schaal van minstens 10 km breed; de lengte moet zo zijn dat de antenne er vanuit de ruimte boven de evenaar altijd rond uitziet. In Noord-Amerika zou de ellips een lange as van 14 km hebben. De totaaloppervlakte is dan net iets groter dan de stad Utrecht.

Haalbaarheid en winst

Tussen 1978 en 1981 is er veel onderzoek gedaan naar de haalbaarheid van het plan, onder andere door de NASA. Door het verschuiven van de politieke interesse werd het project echter niet voortgezet. Sinds kort (2007) is er, door de grote vraag naar energie, de hoge olieprijzen en een groter milieubewustzijn, weer aandacht voor zonne-energie uit de ruimte. De vraag is echter nog steeds of het plan rendabel is: wegen de hoge kosten van het bouwen, lanceren en onderhouden van zo’n zonnesatelliet op tegen de opbrengsten?

De kosten van het lanceren van satellieten zijn enorm: het lanceren van de Spaceshuttle kost bijvoorbeeld al snel 510 miljoen euro. Dit is naar een Low Earth orbit(lage baan rond de Aarde, met een hoogte van een paar honderd kilometer) en zonder alle benodigdheden voor het monteren van het zonnepaneel. De zonnesatelliet zou daarnaast in een Geostationary orbit (geostationaire baan, op een hoogte van 35.786 km) moeten cirkelen: aanzienlijk hoger en dus veel duurder.

Low Earth orbit is een baan rond de Aarde tussen 160 en 2000 km hoogte. Vrijwel alle menselijke ruimtemissies, zoals de Spaceshuttle, vinden plaats op LEO-hoogte. Ook cirkelen hier de meeste satellieten, onder voor andere televisie en telefonie. Voor een betere communicatie moeten satellieten een stuk verder van de Aarde gebracht worden, namelijk in Geostationary orbit (oftewel een geostationaire baan). De geostationaire baan bevindt zich recht boven de evenaar. Deze baan wordt ook wel de Clarke Belt genoemd, naar Arthur C. Clarke die de baan in 1945 ontdekte. Vanaf de aarde lijkt een object in GEO stil te staan omdat het zich beweegt met dezelfde snelheid als de Aarde.

Om een idee te krijgen van de kosten: als het zonne-energiestation van lichtgewicht materiaal gemaakt zou worden, zou het in totaal zo’n 4000 ton wegen. Hiervoor zijn 40 tot 80 raketten nodig om het materiaal naar LEO te brengen, vanwaar het vervolgens in kleinere stukken langzaam naar GEO wordt gebracht. Als voor het lanceren de meest voordelige raketten worden gebruikt, komen de kosten in totaal op minimaal 12 miljard euro. Hierbij komen nog wel de kosten voor de productie en het onderhoud van de apparatuur.

Wordt dit bedrag terugverdiend door de energieopbrengst? De zonnesatelliet uit het voorbeeld zou bij huidige ontwerpen zo’n 35 terawattuur (=35000 miljoen kWh) per jaar opleveren. Eén kWh kost nu 18 cent, dus de opbrengst komt in totaal op 6,3 miljard euro per jaar. De levensduur wordt geschat op 20 jaar, waarin de zonnesatelliet dus 126 miljard euro zou opbrengen. Daar gaan uiteraard onderhoudskosten vanaf.

De kosten zijn dus waarschijnlijk wel terug te verdienen, maar is het ook een betere oplossing dan bijvoorbeeld wind – of kernenergie? Een windmolenpark met 36 molens, zoals op de Noordzee, levert op dit moment 248 miljoen kWh per jaar. De zonnesatelliet levert dus 141 keer méér elektriciteit. De kerncentrale bij Borssele levert gemiddeld per jaar 3625 miljoen kWh (9,7 keer minder dan de zonnesatelliet), maar in tegenstelling tot windenergie en de zonnesatelliet heeft een kerncentrale wel te kampen met kernafval.

In deze tabel is te zien hoeveel het kost om 1 kWh te produceren met wind- en kernenergie en zonne-energie uit de ruimte. Hoewel windenergie duidelijk goedkoper is om te produceren, levert het aanzienlijk minder energie op. Er zullen dan erg veel windmolens nodig zijn om in onze energiebehoefte te voorzien.

De grootte van het project is niet alleen vanwege de hoge kosten moeilijk uitvoerbaar. De zonnesatelliet moet zijn volledige capaciteit benutten om meest kosteffectief te zijn. De microgolven kunnen maximaal 5 tot 10 gigawatt aan energie overbrengen, maar om deze energie ook te produceren, moeten de zonnepanelen 50 tot 100 km2 groot zijn! Het gebruik van efficiëntere zonnepanelen zou uitkomst bieden, maar deze zijn weer duurder om te produceren. Hier staat tegenover dat de techniek nu zover gevorderd is dat er niet 900 (!) astronauten nodig zijn om het paneel te monteren, zoals in het plan uit 1968. Nu kunnen hiervoor robotten gebruikt worden.

De grootte van de rectenna hoeft geen belemmering te zijn. In plaats van één grote schaal, kan de antenne ook een netwerk van meerdere kleinere antennes zijn. Dit is vergelijkbaar met het net van elektriciteitsmasten, waardoor er geen grote stukken grond verloren gaan.

Toekomstperspectief

Het Amerikaanse Ministerie van Defensie heeft aangegeven SBSP weer te gaan onderzoeken. In april 2007 verscheen een rapport waarin werd gesteld dat de Amerika het onderzoek dat in 1997 werd stopgezet, zou moeten hervatten. Onderzoekers van het Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) zijn inmiddels begonnen met het ontwikkelen van de apparatuur. Hun plan is om in 2030 een werkende zonnesatelliet in een geostationaire baan om de Aarde te hebben.

Dit artikel is een publicatie van TU Delta.
© TU Delta, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 23 november 2008

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.