Zonnecollectoren

Zonnecollectoren

Zonnecollectoren leveren op een duurzame manier warm water. Zonlicht is namelijk oneindig en dat geldt niet voor de zongasvoorraad. Gemiddeld gesproken levert dat een besparing op van zo’n 50% op je energieverbruik van je warme douche- en tapwater. Maar wat kost nu een zonneboiler met collectoren en wat is de terugverdientijd? En welke soorten collectoren zijn er?

Zonnecollectoren zijn er in veel verschillende uitvoeringen op basis van veel verschillende technieken. We onderscheiden ze in de volgende soorten:

  • Vlakke plaat collectoren
  • Vacuümbuizen of heatpipes
  • Hete lucht collector

Meest voorkomende zijn de vlakke plaat collectoren en de vacuümbuizen uitvoering, deze wordt ook wel heatpipes genoemd. Beiden worden bij voorkeur schuin op het dak geplaatst, in een hoek, om zo het zonlicht om te zetten in warm water en dit vervolgens naar de CV ketel te brengen.

Vlakke plaat zonnecollectoren

De vlakke plaat zonnecollectoren werken volgens het principe van een zwarte plaat, afgedekt met een glazen plaat. Het voordeel van deze vlakke plaat zonnecollector is z’n zwarte kleur die op afstand vaak lijkt op een zonnepaneel. Normaal gesproken is de afmeting van een vlakke plaat collector anders dan die van een zonnepaneel al zijn er nu ook collectoren met dezelfde afmetingen. Esthetisch dus een fraaie keus.

Glas

Zonnecollectoren

Vacuümbuizen collectoren

Deze zonnecollectoren werkt met een aantal glazen pijpen, uitgevoerd van dubbel glas. Dit dubbel glas is vacuüm gezogen en achter deze glazen buizen in een zogenaamde parabolische spiegel geplaatst die de schuin invallende zonnestralen afbuigt naar de buis en daarmee meer energie richt op de vloeistof in de buis.

Daarmee is deze collector minder gevoelig voor de juiste hellingshoek op het dak. Een speciale coating zorgt dat de warmte zolang mogelijk wordt vastgehouden. Dit systeem is tot 40% efficiënter dan de vlakke plaat collector en dat is met name van belang in de winter wanneer de omstandigheden niet ideaal zijn. Noodzakelijk als je de zonnecollectoren wilt gebruiken om het huis te verwarmen. Immers in de winter heb je de warmte het hardste nodig.

Hete lucht zonnecollectoren

De werking van hete lucht zonnecollectoren is het beste te vergelijken met de aloude thermosfles. Ze bestaan uit een glazen of metalen Thermovoorzetwand met daarachter een spouw met lucht. Verse buitenlucht wordt via de metalen wand naar binnen gezogen en deze lucht wordt achter de wand door de zon opgewarmd. Vaak gebeurt dit met actieve ventilatie. Deze voorverwarmde lucht kan idealiter naar een bestaande luchtbehandelingsinstallatie en bij gebrek daaraan, via speciaal aangelegde kanalen verspreid worden door het gebouw. Deze techniek zie je voornamelijk bij de utiliteitsbouw. Door de behoorlijke aanpassingen die hiervoor nodig zijn, vind je deze hete lucht collectoren met name bij nieuwbouw. Hete lucht collectoren hebben een zeer hoog rendement.

Wie thuis als handige knutselaar van dit principe gebruik wil maken, kan zich oriënteren op https://www.solarair.livotel.com.

Van collectoren naar zonneboiler

De zonnecollectoren absorberen het zonlicht en geeft deze warmte af aan de speciale solarvloeistof in de collector. Deze vloeistof gaat naar een zogenaamd reactorvat of zonneboiler en geeft daar de warmte met behulp van een warmtewisselaar weer af aan het leidingwater. Het water in de collector kan bij zeer zonnige dagen, wel tot 90 graden celcius heet worden. Na het afgegeven van de warmte aan het leidingwater wordt het afgekoelde water teruggepompt naar de collector om opnieuw verwarmd te worden. In de zomermaanden wordt de solarvloeistof voldoende warm maar in de winter is een naverwarmer nodig om de keteltemperatuur op de minimumtemperatuur van 60 graden Celcius te krijgen.

Deze temperatuur van 60 graden Celcius is niet alleen de juiste temperatuur voor het ketelwater om het huis mee te verwarmen maar dit is ook de minimumtemperatuur waarbij de legionella bacterie geen kans krijgt. De CV-ketel kan deze rol van naverwarmer vaak op zich nemen mits deze daar geschikt voor is. Let daarop dat je een combiketel gebruikt met het NZ label die hier speciaal voor gemaakt zijn. Combiketels die beschikken over dit label zijn geschikt omdat ze beschermd zijn tegen de oververhitting tot 85 graden Celcius. Wanneer mogelijk installeer je het voorraadvat in de buurt van de combi-ketel.

Hoeveel zonnecollectoren per 100 liter water?

Het waterverbruik is het uitgangspunt om te bepalen hoe groot het voorraadvat moet zijn. En het watergebruik wordt bepaald door het aantal bewoners, de omvang van het pand en uiteraard het gedrag van de bewoners. Huishoudens met een zwembad hebben logischerwijs een veel groter vat nodig.

Voor een gemiddeld gezin van 4 personen gebruikt men vaak een voorraadvat van 150 – 250 liter. Wanneer de zonnecollectoren perfect op het zuiden staan gericht rekent met 1,3 buis per 10 liter. In het geval het dak wat meer naar het westen gericht is benaderd bijgaande calculatie dichter de waarheid.  Reken dan met 40 vacuümbuizen per vat van 250 liter en 48 vacuümbuizen bij een vat van 300 liter. 48 vacuümbuizen betekent dan 2 collectoren van elk 24 buizen.

Het voorraadvat

Het voorraadvat is gemaakt van een roestvrij stalen binnenwand en een RVS buitenwand. Met daar tussen een sterk isolerende PUR schuimlaag zodat het water lang warm blijft. Uit het energielabel van het voorraadvat blijkt hoe groot het warmteverlies is. Vaak zijn er 2 warmtewisselaars in de ketel. De onderste is aangesloten op de zonnecollector en de bovenste op de CV combiketel voor de naverwarming.

Naast voorraadvat, combiketel en zonnecollectoren is er een besturingsunit nodig met temperatuur sensoren, bedieningspaneel en ingebouwde software om het systeem op maat in te stellen voor een optimaal rendement.

Groenverklaring voor zonnecollectoren systemen

Voor exploitanten van zonnecollectoren systemen (inclusief eigenaar/bewoners van woonhuizen) is het mogelijk om met een zogenaamde groenverklaring, een voordelige lening af te sluiten voor investeringen in o.a. zonnecollectoren systemen. Deze lening is ook te gebruiken voor de bijpassende warmteopslag. Eigenaar/bewoners die collectoren gebruiken voor tapwater- en ruimteverwarming, kunnen ook een groenverklaring aanvragen. Deze aanvraag kan een bank met een groenfonds namens u aanvragen bij het RVO, als onderdeel van het ministerie van Infrastructuur en Waterstaat. Deze groenverklaring is gemiddeld 10 jaar geldig. De minimale investering voor een groenverklaring bedraagt € 25.000,-.

Heb je een vergunning nodig voor het plaatsen van collectoren?

Voor het plaatsen van zonnecollectoren gelden dezelfde eisen vanuit de overheid als de eisen die gesteld worden aan het plaatsen van zonnepanelen. Zolang de collectoren niet buiten de dakrand steken en het geen monumentaal pand betreft is geen vergunning nodig om ze te plaatsen. Panden die vallen onder beschermd stads- of dorpsgezicht zijn over het algemeen wel vergunningsplichtig. Informeer bij uw gemeente.

Subsidie voor zonnecollectoren

Je kunt onder voorwaarden subsidie krijgen voor een investering in een zonneboiler. Sinds 1 januari 2020 kan dat niet meer voor installaties in nieuwbouwhuizen, maar wel voor bestaande bouw. De hoogte van het subsidiebedrag ligt tussen de € 750,- en € 2.000,-. Je dient de subsidie aan te vragen binnen 6 maanden na installatie, onder overlegging van het betaalbewijs. Voor meer informatie zie: https://www.rvo.nl/subsidie-en-financieringswijzer/isde/voorwaarden-apparaten#zonneboilers.

Kosten en terugverdientijd zonnecollectoren

De kosten voor een zonneboiler met zonnecollectoren en opslagvat zijn afhankelijk van het gebruik. Bij een 4-persoons huishouding heb je voldoende aan een collector van 3,5 m2 en een opslagvat van 150 liter. In de zomer levert dit systeem je hele warm water behoefte. In de winter is dit niet voldoende en verwarmt de HR ketel of warmtepomp het water verder tot de juiste keteltemperatuur van zo’n 60 graden.

Zonnecollectoren, de kosten en de besparing

De complete werkende installatie vergt een investering van € 3.300,- inclusief installatie zonder subsidie. (prijspeil 2020) Als je daar de subsidie van € 1.100,- aftrekt resteert een netto investering van € 2.200,-. Met deze zonneboiler bespaar je zo’n 180 m3 gas per jaar en dat is een besparing van € 150,- per jaar en 330 kg CO2.

Nu gebruikt de pomp in deze set ook stroom om het warme water van en naar het opslagvat te vervoeren. Daarom kies je voor een pomp met energielabel A die zo’n 40 kWh verbruikt dan zijn de kosten zo’n € 10,- per jaar. Reken daarnaast nog voor onderhoud € 50,- per 5 jaar in geval van een zonneboiler met terugloopsysteem. Dan resteert een netto besparing van € 130,- per jaar.

Als we afzien van de rentekosten is de terugverdientijd zo’n 17 jaar. Heb je een bovengemiddeld watergebruik dan zal de terugverdientijd gunstiger zijn. En bij stijgende gasprijzen heb je de investering er ook eerder uit. Bij een jaarlijkse stijging van 7% per jaar voor de gasprijs inclusief belastingen geldt een terugverdientijd van 7 tot 9 jaar.

Verschil terugverdientijd zonnepanelen en zonnecollectoren

Heb je voldoende dakoppervlak dan zijn zonnepanelen een investering die je sneller terugverdient. Meestal in zo’n 7 jaar. Heb je echter een klein dakoppervlak of heb je al zonnepanelen en lever je in de salderingsregeling al maximaal terug dan is een zonneboiler te overwegen. Ook is de zonnecollector wat minder gevoelig voor schaduwwerking op het dak. Met een beetje schaduw valt een zonnepaneel al vrij sterk terug in prestatie wat voor de zonnecollector veel minder het geval is.

Warmtebatterij

TNO heeft in samenwerking met de partners in het SSUSG consortium (Sustainable Selfsupporting Urban Smart Grid) onderzoek gedaan naar een compacte, verliesvrije warmtebatterij voor de gebouwde omgeving. In 2016 zijn ze hieraan begonnen en in 2020 lijkt het erop dat de warmtebatterij zijn weg gaat vinden in het energiesysteem van de toekomst. TNO’er geeft antwoord op een aantal vragen.

Wat is een warmtebatterij?

“Zoals een gewone batterij stroom opslaat, zo slaat de warmtebatterij warmte op. Zo kan zomerwarmte worden opgeslagen om er winterkou mee te verdrijven. TNO werkt in het internationaal consortium MERTIS aan de ontwikkeling van een prototype van een warmtebatterij, die geschikt is voor woningen.” Aldus Huub Keizers, programmamanager Energie in de bebouwde omgeving.

De huidige methoden van warmteopslag zijn niet optimaal. Tijdens opslag en vervoer gaat er veel warmte verloren. TNO is er nu in geslaagd om dit naar 0,35 GJ/m3 te verlagen, en dat is een wereldrecord. Een gemiddelde tussenwoning gebruikt 32 GJ/m3 per dag. Het resultaat van de warmtebatterij: grote hoeveelheden warmte kunnen voor langere tijd verliesvrij opgeslagen en weer afgegeven worden.

Hoe werkt het?

Huub Keizers legt hieronder uit hoe een warmtebatterij werkt:

“Het hart van de warmtebatterij is een groot vat gevuld met zout. Voor de liefhebbers: bij het systeem van TNO gaat het om natriumsulfide, een materiaal dat goedkoop is en ruim voorradig. Laden en ontladen van de batterij gebeurt op basis van hydratatie. De warmte die de batterij inkomt, droogt het zout. Wanneer later water wordt toegevoegd komt de warmte weer vrij. Dit heet thermochemische opslag. Het opvangen van de warmte kan bijvoorbeeld met zonnecollectoren, zoals mensen ze nu al op hun huis hebben liggen. De warmte die weer uit de batterij komt, is te gebruiken om water in een boiler op te warmen. Het warme water kan dan worden gebruikt voor de centrale verwarming of als warm water.”

De warmtebatterij voor in huis gaat uit van twee componenten, namelijk water en zout(hydraat). Bij het laden van de warmtebatterij vindt er een drogingsreactie plaats. Hierbij komt warmte vrij. Het prototype dat ontwikkeld is in samenwerking met partners van SSUSG (Sustainable Selfsupporting Urban Smart Grid) heeft ontwikkeld, bestaat uit twee geïsoleerde modules voor het zout en voor het verdampen van water. Op deze manier kan het laden en ontladen van warmte in een compact apparaat wat makkelijk in een woning past.

De batterij die door TNO is ontwikkeld kan warmte voor lange en korte periodes opslaan. Zo kan er in de zomer energie worden opgeslagen en in de winter kan dit het huis van warm water voorzien. Door TNO is voorspeld dat wanneer de batterij één keer per maand wordt opgeladen en gebruikt, deze batterij een levensduur van minimaal 20 jaar heeft.

Waarom is opslag noodzakelijk?

Niemand kan in detail voorspellen hoe we ervoor zorgen dat Nederland klimaatneutraal is in de toekomst. Duurzame energiebronnen leveren onregelmatig energie op. Door pieken in het aanbod is opslag van energie noodzakelijk. De warmtebatterij kan hier inspringen en gebouwen bij pieken, in de vraag van duurzaam geproduceerde, van warmte voorzien.

Huub Keizers: “We werken aan een toekomst waarin huizen geen energie meer verbruiken, maar zelfs energie opleveren. Het gaat dan om goed geïsoleerde, prettig leefbare en gezonde huizen, die beschikken over systemen om energie op te wekken. Dat zijn bijvoorbeeld zonnepanelen voor stroom en zonnevollectoren voor warmte. Om een huis echt energieneutraal te maken, is de opslag van energie essentieel. Ook over de seizoenen heen. Bij duurzame energie zijn vraag en aanbod namelijk niet goed op elkaar afgesteld: op zonnige zomerdagen is de productie hoog en het verbruik laag, op donkere winterdagen is dat omgekeerd. Met een warmtebatterij is het overschot van de zomer ’s winters in te zetten.”

Wat doet TNO?

“TNO is een van de deelnemers aan het Europese samenwerkingsproject MERITS. Doel van het project is het aantonen van de technische haalbaarheid van de warmtebatterij. Behalve wetenschappers en onderzoekers van instellingen als TNO werken er ook industriële partners en het MKB mee. Het projectteam heeft een prototype gebouwd, dat nu naar Nederland komt. De technologie werkt, nu gaat het om het marktrijp maken.

De komende jaren werken TNO-onderzoekers aan de verfijning van het ontwerp. Er is een belangrijke slag te maken om het systeem compacter te maken. Bijvoorbeeld door de energiedichtheid van het zout te verhogen en de toe- en afvoer van warmte en vocht te verfijnen. Hoe beter je dat doet, hoe kleiner het systeem wordt. Ook de levensduur en stabiliteit zijn belangrijk: de module moet probleemloos honderden keren kunnen laden en ontladen. Het belangrijkste doel is nu om de warmtebatterij kleiner te maken, liefst tien keer zo compact. Met de huidige efficiëntie zou de warmtebatterij namelijk nog te groot zijn voor in huis. We willen toe naar maximaal drie kubieke meter, zodat de batterij bijvoorbeeld in een kelder of kruipruimte past.”

Wanneer is de batterij te koop?

In 2016 is er een voorspelling gedaan, Huub Keizers onderbouwd dit; “We hopen over zes jaar een product op de markt te hebben voor ‘early adopters’. Het is echter nog te vroeg om te praten over de terugverdientijd van de warmtebatterij. Dat hangt van zoveel factoren af. Maar het is duidelijk dat de prijs dusdanig moet zijn, dat het voor huiseigenaren interessant is. De verdere ontwikkeling van de warmtebatterij van TNO gebeurt onder andere binnen het Meerjarenplan Compacte Conversie en Opslag en het Europese project CREATE. TNP stopt dit veel energie in de warmtebatterij, om die geheel in stijl later terug te zien in een vernieuwde technologie voor de bouw en energiemarkt.”

De afgelopen jaren heeft TNO flink geïnvesteerd in compacte warmteopslag door middel van warmtebatterijen. Hierdoor heeft TNO erg veel kennis van actieve materialen, componenten, reactoren, en systemen. Op dit gebied lopen continue verschillende projecten.

In 2020 zijn er twee concepten voor een compacte warmtebatterij op basis van zouthydraten ontwikkeld. een concept voor op basis van een vacuüm reactor. en een op basis van een gesloten loop.  Beide concepten hebben nu een Technology Readiness Leven 6 á 7 bereikt, en zijn daarmee klaar voor de markt.

Paris proof comitment

Tijdens de Dutch Green Building Week (DGBW) zijn er 3 TNO-Webinars geweest. Na het ondertekenen van het Paris Proof Commitment van de Dutch Green Building Council gebruikt TNO haar inzet om te komen tot een duurzaam gebouwde omgeving.

Managing director Machteld de Kroon van TNO bouw, Infrastructuur en Martiem zegt: “Wij ondertekenen dit commitment omdat het Paris Proof maken van de bebouwde omgeving een doelstelling is waar wij al jarenlang met onze partners aan werken. Dit doen wij door onderzoek, ontwikkeling van innovaties en kennisoverdracht, bijvoorbeeld op het gebied van warmtewinning, -opslag en energieprestatiemodellering.”

TNO ondertekent niet alleen als kennispartner van het Prais Proof Commitment: “TNO heeft zelf ook een aanzienlijk vastgoedportfolio. Bij investeringen in ons eigen vastgoed gaat het ook om practice what you preach.”

Thermochemisch principe

Een warmtebatterij bestaat uit twee delen, componenten, namelijk water en zouthydraat. Wanneer het waterdamp en het zout samen worden gevoegd, bindt het watert aan het zout. Het zout gaat dan over in een nieuwe kristalvorm, hierbij komt warmte vrij. Dit noemen we Thermochemisch principe.

Om het geheel weer naar twee componenten te krijgen, gebeurt het volgende. Er wordt warmte gebruikt om het water van de kristalvorm af te krijgen. In principe is het warmte die wordt opgeslagen en zolang het water en het zout gescheiden is, blijft de warmte opgeslagen. Op deze manier kan er veel warmte worden opgeslagen, zonder warmteverlies, wat weer nodig is om het een lange periode op te slaan.

TNO heeft een nieuw apparaat ontwikkeld om te voorkomen dat het zoutdeeltje zijn samenhang verliest, scheurt of uit elkaar valt. Het nieuwe apparaat gebruikt de zogeheten “closed-loop principe”.