Handboek · hoofdstuk 17Energie uit zon, wind en water

Fossiele brandstoffen bestaan grotendeels uit koolstof. Bij het verbranden verbindt die koolstof zich met zuurstof uit de lucht tot koolstofdioxide, CO₂. Dat gas is onzichtbaar en reukloos, en het blijft honderden jaren in de lucht. Een liter benzine geeft ongeveer 2,3 kg CO₂: meer dan de benzine zelf weegt, omdat de zuurstof uit de lucht meetelt (hoe je dat berekent, leer je in hoofdstuk I14).

Sinds 1958 meten onderzoekers op de vulkaan Mauna Loa (Hawaï), ver van steden en fabrieken, hoeveel CO₂ er in de lucht zit. De grafiek stijgt elk jaar, en steeds sneller: in de jaren 1960 kwam er ongeveer 0,9 ppm per jaar bij, de voorbije tien jaar ongeveer 2,6 ppm per jaar. In 2025 was het jaargemiddelde 427 ppm, tegenover ongeveer 280 ppm voor de industriële revolutie.

In hoofdstuk 16 zag je waarom dat ertoe doet: CO₂ is een broeikasgas. Meer CO₂ betekent dat er meer infrarood naar het aardoppervlak teruggestraald wordt, en dus dat de aarde opwarmt. Volgens de Wereld Meteorologische Organisatie (WMO) was het in 2025 gemiddeld al ongeveer 1,4 °C warmer dan rond 1850-1900; 2024 was het warmste jaar ooit gemeten (ongeveer 1,55 °C), en de elf jaren van 2015 tot 2025 waren de elf warmste sinds het begin van de metingen.

De gevolgen: meer en hevigere hittegolven, smeltende gletsjers en ijskappen, een stijgende zeespiegel, en op veel plaatsen zwaardere regenbuien en langere droogtes. Voor een laag land aan zee zoals België is de zeespiegel een belangrijke zorg.

Een zonnepaneel zet licht rechtstreeks om in elektrische energie, zonder bewegende delen. Dat heet fotovoltaïsch (foto = licht, volt = spanning). Het paneel bestaat uit zonnecellen: dunne plaatjes silicium, een element dat je ook in zand vindt (zand is grotendeels siliciumdioxide), maar dan heel zuiver. De bovenste en de onderste laag van een cel zijn een beetje anders gemaakt (in Intermediate leer je hoe, hoofdstuk I23). Valt er licht op de cel, dan maakt het elektronen los die door die opbouw maar in één richting kunnen: naar een contact aan de bovenkant. Verbind je boven- en onderkant met een lampje, dan stromen de elektronen door de kring en brandt het lampje.

Eén cel geeft maar ongeveer 0,5 à 0,6 V. Daarom zet men cellen achter elkaar (in serie, hoofdstuk 20). Een klein paneel met 36 cellen geeft ongeveer 18 V in de zon: genoeg om een 12 V-batterij te laden. De panelen op een huisdak hebben 60 of meer cellen.

Een goed paneel zet vandaag ongeveer 20 à 22 % van het zonlicht om in elektrische energie (hoofdstuk 15). De rest wordt warmte: een paneel in de zomerzon kan 60 °C worden, en hoe warmer het is, hoe minder het levert. Een zonnepaneel geeft gelijkspanning. Voor de toestellen in huis zet een omvormer die om in de wisselspanning van het stopcontact (hoofdstuk E24).

Een paneel van 50 Wp levert 50 W alleen op een heldere zomermiddag. De rest van de dag is de zon zwakker, en 's nachts levert het niets. De grafiek toont het vermogen van zo'n paneel op een gemiddelde dag in juni en in december, in Brussel, met het paneel op het zuiden onder 60°. De oppervlakte onder de kromme is de energie van die dag: ongeveer 177 Wh in juni, maar maar 62 Wh in december.

Om snel te rekenen, gebruik je volle zonuren: hoeveel uur zon op volle sterkte (1000 W per m²) zou evenveel energie geven als het echte zonlicht van die dag? Op een gemiddelde junidag zijn dat er ongeveer 4,6, op een gemiddelde decemberdag ongeveer 1,5. Een paneel levert niet al die energie: een deel gaat verloren doordat het paneel warm wordt, door de kabels en bij het omzetten. Je rekent met ongeveer 80 %:

Nog handiger: de tabel geeft meteen hoeveel wattuur elke wattpiek per dag oplevert, verliezen inbegrepen. Die cijfers komen uit PVGIS, een gratis rekenprogramma van de Europese Commissie dat de zonnestraling van vele jaren kent:

Paneel op het zuiden onder 60°, in Brussel, met de gewone verliezen (warmte, kabels, omvormen) meegerekend. Gemiddelde over de jaren 2005-2023 (PVGIS, Europese Commissie).

Een zonnepaneel maakt elektriciteit. Wie vooral warm water nodig heeft, kan de zon ook rechtstreeks laten opwarmen met een zonneboiler:

1. Op het dak ligt een zonnecollector: een geïsoleerde bak met een zwarte plaat onder glas (of een rij glazen buizen met luchtledig). De zwarte plaat neemt het zonlicht op en wordt heet (hoofdstuk 16: zwart absorbeert het best; het glas en de isolatie houden de warmte vast).
2. Door buisjes onder de plaat stroomt een vloeistof, meestal water met antivries. Een kleine pomp brengt de hete vloeistof naar het voorraadvat.
3. In het vat loopt de vloeistof door een spiraal (een warmtewisselaar) en geeft haar warmte af aan het leidingwater. Afgekoeld gaat ze terug naar de collector.
4. Het goed geïsoleerde vat bewaart het warme water voor 's avonds: een warmtebuffer. Is het water niet warm genoeg, dan warmt een gewone verwarmingsketel of een elektrisch element het bij.

Een zonnecollector zet een veel groter deel van het zonlicht om dan een zonnepaneel: ongeveer de helft of meer, tegenover ongeveer een vijfde. In Vlaanderen levert 1 m² collector ongeveer 400 à 500 kWh warmte per jaar; een zonneboiler van 4 à 6 m² met een vat van 200 à 300 L dekt tot ongeveer 60 % van het warme water van een gezin. Maar warmte is minder veelzijdig dan elektriciteit: je kan er geen lamp of pomp mee laten werken.

Wind is lucht die beweegt, omdat de zon de aarde ongelijk opwarmt (hoofdstuk 15). Een windturbine zet de bewegingsenergie van de lucht om in elektrische energie: de wind duwt tegen de wieken, de rotor draait, en een generator in de gondel bovenaan de mast maakt er elektriciteit van (hoe een generator werkt, leer je in hoofdstuk E19). De energieketen: bewegingsenergie van de wind → bewegingsenergie van de rotor → elektrische energie, met wat warmte in de tandwielen en de generator.

Het vermogen van een windturbine hangt heel sterk af van de windsnelheid: waait het twee keer zo hard, dan levert de turbine tot acht keer zoveel ($2\times 2\times 2$). Onder ongeveer 3 m/s draait ze niet. Vanaf ongeveer 12 m/s levert ze haar maximale vermogen, en bij storm (rond 25 m/s) wordt ze stilgezet om schade te voorkomen.

Op zee waait het harder en regelmatiger dan op land. Voor de Belgische kust staan windparken met samen 2,26 GW vermogen; ze leverden 8 TWh in 2023 en 7,1 TWh in 2024 (een minder winderig jaar). De grootste turbines zijn hoger dan het Atomium (102 m) en hebben wieken van meer dan 80 m lang.

Water dat hoog ligt, heeft zwaarte-energie (hoofdstuk 15). In een waterkrachtcentrale stroomt het door een buis naar beneden, krijgt het bewegingsenergie, en drijft het een turbine aan die met een generator verbonden is. De energieketen: zwaarte-energie → bewegingsenergie van het water → bewegingsenergie van de turbine → elektrische energie. Grote waterkrachtcentrales halen een rendement van ongeveer 90 %: beter dan bijna elke andere centrale.

Hoe meer water en hoe groter de hoogte, hoe meer energie (herinner je: $E=F_z\cdot h$). Daarom liggen de grote stuwdammen in de bergen: in Noorwegen, Zwitserland, China, Brazilië. Wereldwijd levert waterkracht ongeveer een zevende van alle elektriciteit. België is te vlak: er draaien kleine centrales op de Maas en andere rivieren, samen ongeveer 110 MW, goed voor ongeveer 0,3 TWh per jaar, minder dan 1 % van onze elektriciteit.

Wel heeft België een grote pompcentrale in Coo (Ardennen). Die maakt geen extra energie, maar slaat ze op: als er veel elektriciteit is, pompt ze water naar een hoog meer; als er te weinig is, laat ze het terugstromen door de turbines (hoofdstuk I9). Zo werkt ze als een reusachtige batterij.

De zon schijnt niet 's nachts, en de wind waait niet altijd. Wie op zon en wind draait, moet energie kunnen bewaren voor later. Er zijn veel manieren; drie ervan ken je al:

• Batterij: elektrische energie wordt chemische energie, en bij het ontladen weer elektrische (hoofdstuk 15). Een batterij is compact en levert meteen stroom. Er gaat bij laden en ontladen samen ongeveer 5 à 20 % verloren, afhankelijk van het type. Welke types er zijn en hoe ze werken, leer je in hoofdstuk I16.
• Water omhoog pompen: elektrische energie wordt zwaarte-energie, en via een turbine weer elektrische. De pompcentrale van Coo slaat zo ongeveer 5 GWh op, met een rendement van ongeveer 75 % voor de hele kringloop (hoofdstuk I9). Maar je hebt enorm veel water en een groot hoogteverschil nodig.
• Warmtebuffer: warmte bewaren in een goed geïsoleerd vat water (de zonneboiler), of in het water en de grond van de meetkas (hoofdstuk 16). Water slaat veel warmte op: 4,2 kJ per liter per graad. Maar warmte kan je niet zomaar terug omzetten in elektriciteit.

Hoeveel energie past er in één kilogram? De figuur vergelijkt, op een logaritmische schaal. Merk op hoe weinig energie er in water zit dat 100 m omhoog gepompt is: een lithium-ionbatterij bevat per kg honderden keren meer. En hoe veel er in benzine zit: daarom zijn fossiele brandstoffen zo moeilijk te vervangen in vliegtuigen en schepen. Andere opslagvormen, zoals waterstof en vliegwielen, komen in Expert aan bod (hoofdstukken E27 en E10).