Anthony King
We zijn gewend geraakt aan het aanblik van zonnepanelen op de daken van gebouwen. Maar er zijn tal van andere oppervlakken in de gebouwde omgeving van onze steden en dorpen die kunnen worden gebruikt om energie op te wekken.
‘In Europa is er evenveel vierkante meters bouwoppervlakte beschikbaar als dakruimte’, zegt dr. Bart Erich van TNO. Hij leidt het EU-project ENVISION, waarin technieken worden onderzocht om energie te winnen uit bouwoppervlakken. Het projectteam schat dat er in Europa ongeveer 60 miljard vierkante meter aan geveloppervlakte is – een veelbelovend gegeven om het doel van een energieneutrale gebouwde omgeving in 2050 te bereiken.
Bedrijven en onderzoekers hebben zichzelf binnen het project tot doel gesteld om appartementen energiepositief te maken, zodat de gebouwen meer energie opwekken dan ze verbruiken. Het idee is om vier nieuwe technieken te integreren in de gevels om warmte of elektriciteit te oogsten.
Een eerste optie zijn fotovoltaïsche ramen die elektriciteit opwekken. Ze hebben streepachtige elementen in het glas, waarmee ze geschikt zijn voor trappen of ramen waardoor je licht binnen wilt laten komen, maar perfecte transparantie niet vereist is.
Een andere benadering maakt gebruik van speciale verf die – afhankelijk van de kleur – 40 tot 98% van het zonlicht absorbeert. Geverfde panelen worden vervolgens op speciale warmtepompen bevestigd. ‘Die kunnen we gebruiken voor verwarming of warm tapwater’, aldus Erich van TNO.
Zo’n systeem met warmtepompen houdt de panelen ook op een redelijk stabiele temperatuur, zelfs tijdens hete zomerdagen, waardoor ze efficiënt warmte blijven opvangen. Deze techniek is getest op een gymzaal van een school in Almere.
Er zijn ook panelen van gekleurd glas met technieken voor warmtewinning. Zulke panelen zijn geschikt als voor decoratief gebruik op gevels.
Een vierde techniek gebruikt speciale geventileerde ramen om een ​​gebouw in de zomer af te koelen. ‘Het glas is transparant en vangt zonnestraling in het nabij-infrarode spectrum op’, aldus Erich.
Door lucht via kanalen in het glas te laten stromen, wordt de warmte afgevoerd. Dit werkt verkoelend, doordat het glas, net als een zonnescherm, energie uit zonlicht filtert. Vaak wordt veel licht naar buiten gereflecteerd, wat weer bijdraagt ​​aan de opwarming van steden en de vraag naar airconditioning.
Veel mensen zien oppervlakken in de gebouwde omgeving als iets dat vooral slijtvast moet zijn. Maar professor Cesare Sangiorgi, materiaalkundig ingenieur aan de Universiteit van Bologna, vindt dat we meer van deze oppervlakken zouden moeten verwachten en dat we een nieuw soort stedelijke omgeving kunnen creëren met slimmere oppervlakken. ‘We willen stedelijke ruimtes en oppervlakken creëren die bijdragen aan hoger niveau van welzijn’, zegt Sangiorgi, die in Italië het Europese project SaferUp leidt.
Dit project ondersteunt jonge wetenschappers om te onderzoeken hoe we trottoirs, fietspaden en straten beter kunnen gebruiken. De meeste trottoirs zijn uitgesproken low tech en zijn door de eeuwen heen amper veranderd, maar de wetenschappers hopen dat nu revolutionair te veranderen.
In het VK maken onderzoekers van Lancaster University, onder wie een deelnemer aan het project SaferUp, slimme wegen door er elektromechanische apparaatjes in te plaatsen. Als die door het verkeer worden samengedrukt, zetten ze mechanische energie om in elektriciteit. Onder normale verkeersomstandigheden zou een traject van 1 km genoeg energie kunnen opwekken om ongeveer 2000 straatlantaarns van energie te voorzien. Veldtesten staan voor 2021 op de planning.
Wetenschappers van de Universiteit van Perugia ontwerpen ondertussen slimme sensoren in cement die in wegen of bruggen kunnen worden geïntegreerd. ‘De elektrische weerstand van kleine deeltjes verandert wanneer ze worden gebogen of vervormd door een passerend voertuig’, vertelt Sangiorgi. Dit is bekend als het piëzo-elektrische effect – het treedt op als een mechanische kracht wordt uitgeoefend op bepaalde materialen, zoals keramiek.
‘Je hebt wat elektronica nodig, maar het materiaal zelf kan dan het gewicht en de snelheid van het verkeer detecteren, evenals het aantal voertuigen. Bovendien kan het de toestand monitoren van het materiaal waarvan een brug gemaakt’, aldus Sangiorgi. Dit soort informatie zou tijdens een weg- of bruginspectie kunnen worden verstuurd naar de telefoon of laptop van een veiligheidsingenieur. Hiermee zouden rampen – zoals het instorten van de Morandi-brug in Genua in april 2018 – voorkomen kunnen worden, dankzij beter toezicht op de slijtage van dergelijke constructies.
Een ander ontwerpdoel van futuristische trottoirs is een grotere hittebestendigheid. De laatste jaren worden veel steden in de zomer geplaagd door hogere temperaturen dan het omliggende platteland, omdat gebouwen en trottoirs ’s nachts geaccumuleerde zonnewarmte blijven afgeven.
Dit hitte-eilandeffect veroorzaakt meer ziekte en sterfte, vooral tijdens hittegolven. Wetenschappers van de Universiteit van Perugia in Italië ontwikkelen lichtere oppervlakken die veel minder warmte absorberen dan zwart asfalt. Ze gebruiken hierbij fosforescente materialen, die nog wat blijven ‘nagloeien’ na belichting. De gebruikte materialen gloeien blauw of geel op, zelfs wanneer ze met beton worden gemengd. De temperatuur van deze gloeiende bestrating is lager dan die van gewone stadsoppervlakken.
Fotovoltaïsche ramen bevatten ingebouwde zonnepanelen die elektriciteit kunnen opwekken, terwijl ze toch licht binnenlaten
De gloed van de stoep houdt één of twee uur na zonsondergang aan, omdat zij energie uit zonlicht vrijgeeft, zegt Anna Laura Pisello, een materiaalwetenschapper aan de Universiteit van Perugia. ‘Zo kan je energie besparen op straatverlichting,’ stelt Pisello. Praktijktests van de bestratingsmix op Italiaanse trottoirs zijn vorig jaar op de campus van haar universiteit begonnen. Naar verwachting wordt het materiaal dit jaar nog in de stad gebruikt.
Het oppervlak van asfalt kan tijdens zomerse hittegolven pieken van een verzengende 70 °C bereiken. Verhitting zorgt voor knikken en barsten, wat de onderhoudskosten verhoogt en de levensduur van een oppervlak verkort. In Duitsland werkt een wetenschapper van SaferUp samen met anderen aan een ​​netwerk van ingebedde leidingen in trottoirs om warmte af te voeren. ‘De leidingen kunnen zelfs geothermie gebruiken om de bestrating op te warmen als er ijs is, of met grondwater de ​​bestrating juist afkoelen als het te warm is’, aldus Sangiorgi.
Normaalgesproken leveren nieuwe gevels geen geld op voor hun eigenaren, vertelt Erich van TNO, maar de gekleurde glaspanelen zouden binnen 15 jaar hun investering moeten terugverdienen. Net als bij de bestratingstechnologie, is de eerste stap het maken van prototypes in het laboratorium om die vervolgens in de praktijk te testen en te presenteren. Meer demo’s van de energieopwekkende geverfde panelen, transparant en gekleurd glas zullen binnenkort in gebouwen worden geïntegreerd om toekomstige gevels te demonstreren. Het PV-glas wordt getest in een utiliteitsgebouw in Oostenrijk; panelen en geventileerde ramen in een gebouw van de Universiteit van Genua en gekleurde warmtecollectoren in appartementen in Nederland.
In de nabije toekomst zullen we hopelijk op slimmere trottoirs lopen met sensoren en elektronica erin. En als we opkijken, kunnen we genieten van aantrekkelijke gevels die geruisloos energie uit zonlicht winnen en tegelijkertijd de steden om hen heen koelen.
Het onderzoek in dit artikel is gefinancierd door de EU. Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in Horizon, het tijdschrift voor EU Research en Innovatie.
