Zonnepanelen als zoetwatermachines voor droge landbouwgebieden
De beschikbaarheid van zoetwater gaat in de toekomst een van de beperkende factoren zijn die bepaalt of de productie of opbrengstverhoging van landbouwgewassen mogelijk is. Hoewel het totale watervolume van de wereld 1400 miljoen kubieke kilometer water bedraagt, is 2,59 procent daarvan zoetwater. Twee procent is bevroren; 0,59 procent zit in het grondwater en slechts 0,0014 procent stroomt in meren en rivieren. Verhoudingsgewijs is zoetwater een schaarste product en dat is ook precies wat de mens ervaart. Al eeuwenlang droomt de mensheid dan ook om zout water in zoetwater te veranderen, zoals lood in goud. Tot nu toe was dit haast onmogelijk of veel te duur om in de praktijk toe te passen. Onderzoekers van de King Abdullah University of Science and Technology in Thuwal (Saoedi-Arabië) hebben nu echter een multifunctionele zonnetechniek ontwikkeld dat zowel schone energie als schoon (drink)water produceert. Hun bevindingen zijn onlangs in Nature gepubliceerd.
Verwevenheid water en energie
Volgens de onderzoekers is de productie van water en energie met elkaar verweven. De conventionele zonnevelden gebruiken zoetwater om stof van de panelen te wassen. Daarnaast verbruiken de installaties van de waterontzilting heel wat elektriciteit om van zeewater zoetwater te produceren. De samenhang tussen water en energie is een van de belangrijkste bedreigingen voor een duurzame wereldwijde ontwikkeling. Daarom heeft de universiteit onderzoek gedaan om beide zaken samen te voegen en een techniek ontwikkeld, waarbij het geen energie meer kost om schoon water te produceren.
80 procent rendement verspild
De techniek achter de speciale schoonwaterzonnepanelen is niet zozeer innovatief, maar wel de combinatie van bestaande technieken in een concept dat werkt en eigenlijk heel logisch is. Zonnepanelen zetten zonlicht om in elektriciteit met een maximaal rendement van 20 procent. De resterende 80 procent wordt normaliter verspild en verdwijnt in de lucht. Die warmte wordt nu gebruikt om het zeewater te condenseren en zo zoetwater te maken. Het team van onderzoekers bouwde een apparaat waarin een stapel waterkanalen, gescheiden door poreuze hydrofobe (waterafstotende) membranen en warmtegeleidingslagen, aan de onderkant van een gangbaar zonnepaneel werden bevestigd. De restwarmte van het paneel verdampt het zeewater in het bovenste kanaal. Deze damp gaat door het poreuze membraan heen en condenseerde als zoetwater in een schoon waterkanaal. Als het water condenseert, komt er ook weer warmte vrij, die vervolgens hergebruikt wordt.
Dubbele wateropbrengst
De onderzoekers hebben nu een schoonwaterzonnepaneel gebouwd met drie lagen waterdestillatiekanalen. Hiermee kan onder laboratoriumomstandigheden 1,64 liter water per vierkante meter zonnepaneeloppervlak per uur geproduceerd worden. Dat is meer dan het dubbele van de wateropbrengst van traditionele zonneboilers, terwijl de opbrengst van elektriciteit gelijk is aan gangbare zonnepanelen. Zeewateronzilting kost nu geen energie meer, maar er wordt energie opgewekt. Als extra voordelen van het ontwerp zouden water en elektriciteit op hetzelfde land kunnen worden gebruikt voor de productie van energie en water. Het team wil nu kijken of de techniek ook op te schalen is voor landbouwgebruik. Ze denken aan het ontwikkelen van een zonneveld waar gras onder groeit en schapen grazen. Voor de woestijn een prachtige oplossing, maar het kan ook toegepast worden voor akkerbouw op beperkte schaal. De zonnevelden moeten dan wel ettelijke hectares groot zijn om woestijngebied om te toveren tot een weelderige oase.
Zonnevelden voor zoetwater voor de Zeeuwse akkers
De onderzoekers van King Abdullah University geven niet aan of het schoonwaterrendement van 1,64 liter alleen geldt voor de woestijn of voor andere minder zonnige gebieden in de wereld. Bijvoorbeeld in Nederland waar met name de Zeeuwse boeren een zoetwaterprobleem hebben maar meer dan voldoende zoutwater. Zou een zonneveld genoeg water kunnen produceren om voor de zomer een voorraad zoetwater aan te leggen om te beregenen tijdens droge periodes? Gemiddeld heeft een Nederlandse hectare akkergrond 400 kubieke meter water nodig om te beregenen. Als in Nederland het waterrendement van de schoonwaterzonnepanelen 1 liter per vierkante meter per uur is, dan zou een akkerbouwer ongeveer 200 vierkante meter zonnepanelen per hectare akkerbouwgrond nodig hebben (uitgaande van acht uur en acht maanden). Voor een bedrijf van 50 hectare is dan één hectare zonnepanelen nodig. De investering van een normale zonneweide liggen tussen 500.000 tot 700.000 euro en kan tot 500 MWh per hectare stroom opleveren. Uit cijfers van de WUR blijkt dat een zonneweide met SDE subsidie en een stroomprijs van boven de 10 centen een goed saldo kan opleveren. Maar de investeringskosten van een weide met schoonwaterzonnepanelen zullen hoger liggen door de duurder techniek en aanleg van een waterreservoir. Het is daarom sterk afhankelijk van de meerkosten of een dergelijk systeem voor de Zeeuwse akkerbouwer interessant kan zijn.
Download hier het artikel in Nature
Een mening over dit artikel? Reageer op onze Twitter, Facebook, Instagram of LinkedIn. Een opinieartikel is ook van harte welkom. Mail dan even met de redactie (redactie@agrio.org). Geïnteresseerd in de andere artikelen van VORK? Word abonnee, vraag een gratis proefnummer aan en schrijf je in voor de tweewekelijkse Vork-nieuwsbrief. Student? Wellicht is het speciale studentenabonnement dan iets voor jou.
Tekst: Reinout Burgers Beeld: Flickr