Geschiedenis van de Zonneboiler

1    De eerste zonnecollector

Portrait Horace-Bénédict de Saussure Horace-Bénédict de Saussure (1740 –1799)

Horace-Bendict de Saussure was een pionier op het gebied van meteorologie, de bestudering van de atmosfeer en het weer. Bij de beklimming van toppen en hoge passen nam hij barometers en thermometers mee. Op deze wijze kon hij de vochtigheid, temperatuur, luchtdruk, intensiteit van de zonnestraling en samenstelling van de atmosfeer te meten. Hij zag het voordeel van synchrone metingen op verschillende hoogtes. Veel van zijn instrumenten bouwde hij zelf en hij is onder andere de uitvinder van een hygrometer, een electrometer, een anemometer en een magnetometer.

Hij was een, voor zijn tijd, vermaarde natuurkundige. Rond 1760 het schreef hij het navolgende op: "Het is een bekend feit, dat waarschijnlijk is gekend voor een lange tijd. Een ruimte, een koets of een andere plek wordt warmer door de stralen van de zon door het glas”.

Om de effectiviteit van warmteopbrengst in met glas bedekte ruimte te bepalen, bouwde de Saussure een rechthoekige doos van 1 cm dik hout, isoleerde deze aan de binnenkant, en bedekte de bovenkant met glas. Hierin plaatste hij een van twee kleinere dozen. Bij blootstelling aan de zon, werd deze verhit tot 109 graden Celsius, dus 9 graden Celsius boven het kookpunt van water. Saussure was er niet zeker van hoe de zon deze dozen verwarmde.

Vandaag de dag kunnen we beter uitleggen wat er is gebeurd. De zonnestralen drongen het glas binnen. De zwarte binnenbekleding absorbeerde het zonlicht en zette het om in warmte. Hoe helderder het glas is, hoe gemakkelijker de stralen van de zon binnenkomen, tevens voorkomt hetzelfde glas dat warmte op dezelfde wijze weer de doos verlaat.

Aangezien het glas de zonnewarmte gevangen houdt in de doos, wordt deze opgewarmd. De uitvinder besefte dat deze ‘hete doos’ belangrijke praktische toepassingen kon hebben. Hij besefte dat het kleinschalig, goedkoop en gemakkelijk te maken was." Deze ‘hete doos’ is het prototype geworden voor de zonnecollectoren die sinds 1892 voor miljoenen mensen warm water heeft geleverd.

2    De eerste zonneboiler

Tot in de negentiende eeuw bestond er geen eenvoudige manier om water te verwarmen. Mensen gebruikten over het algemeen een potkachel voor dit doel. Hout moest worden gehakt of zware emmers met steenkool moesten worden gehaald. Dan moest de brandstof worden aangestoken en het vuur periodiek worden aangevuld met brandstof. In de steden verwarmde de meer gefortuneerde hun water met gas, geproduceerd uit steenkool.

Toch brandde deze brandstof niet schoon en het vuur moest iedere keer worden ontstoken als iemand het water wilde te verwarmen. Mocht iemand vergeten om de vlam te doven, zou de tank oververhitten, en zichzelf opblazen.

Het verwarmen van water met hout, kolen-gas of kolen kostte veel geld, en niet iedereen had de beschikking over deze brandstoffen.

Om deze problemen te omzeilen, bedachten handige boeren, goudzoekers en andere “buitenlui” een veel veiliger, eenvoudiger en goedkopere manier om water te verwarmen. Men plaatste een metalen zwart geschilderde watertank in de zon om zoveel mogelijk zonne-energie op te vangen als mogelijk was. Dit waren de eerste zonneboilers. Het nadeel was dat zelfs op heldere, warme dag het meestal duurde van 's morgens vroeg tot 's middags om het water te warm krijgen. En zodra de zon onderging, raakten de tanks snel hun warmte kwijt omdat ze geen bescherming tegen de avondlucht hadden.

3    Clarence Kemp, 1891

De tekortkomingen van de kale tank als zonneboiler kwam onder de aandacht van Clarence Kemp, uit Baltimore Maryland, welke in 1891 het patent vastlegde op een verbeterde methode.

Het betrof een combinatie van de van metalen tanks en het wetenschappelijke principe van de ‘hete doos’.

Hij beschreef het vermogen van de tanks als: “zonnewarmte verzamelen en zonnewarmte behouden”.

climax waterheater

Hij noemde zijn nieuwe zonneboiler "de Climax" . In feite dus de eerste commerciële zonneboiler ter wereld. Kemp verkocht oorspronkelijk zijn uitvinding richting heren, wier vrouwen met hun meiden tot de zomer op een resort waren gegaan, terwijl hun echtgenoten op zichzelf aangewezen waren.

De zonneboiler, adverteerde Kemp, zou huishoudelijke taken vereenvoudigen voor deze klasse van mensen. De mannen, bezwaard met de afwezigheid van hun vrouwen en/of huishoudelijke staf waren niet gewend aan werkzaamheden zoals het aansteken van de gasoven of de kachel om water te verwarmen.

4    California 1900

In Californië en veel andere staten met meer dan een gematigd klimaat (veel zon door het hele jaar) was er sprake van hoge brandstofkosten. Dankzij de combinatie van veel zon en de hoge brandstofkosten was de Climax dan ook een succes. De Climax verkocht goed in dit gebied. Zestien honderd geïnstalleerde systemen in Zuid-Californië in het jaar 1900.

5    William J. Bailey 1911

Vanaf het begin van de eeuw tot 1911, zijn er meer dan een dozijn octrooiaanvragen door uitvinders ingediend met een verbetering op de Climax. Maar geen van deze patenten veranderde het feit dat de verwarming en de opslagruimte in 1 apparaat zaten. De collector en de opslag van warm water stondt bloot aan het weer en de koude nachtlucht. Vandaar dat het water verwarmd door de zon na de nacht nooit heet genoeg was om het bad te verwarmen of de was te doen.

In 1909, patenteerde William J. Bailey een zonneboiler die voor de branche een revolutie betekende. Hij scheidde de zonneboiler in twee delen:

  • Een verwarmingselement, blootgesteld aan de zon
  • Een geïsoleerde opslagruimte, weggestopt in het huis. Zodat een gezin de volgende ochtend de beschikking had over verwarmd water van de dag ervoor.

Het verwarmingselement bestond uit buizen, bevestigd aan een zwart geschilderde metalen plaat, geplaatst in een met glas overdekt doos. Het te verwarmen water wordt doorgegeven door de smalle pijpen, in plaats van het verwarmen van één

grote zwarte tank. Bailey vermeerderde op deze wijze de hoeveelheid water blootgesteld aan de zon op een bepaald moment, en dus werd het water sneller verwarmd.

Het vermogen om warm water te verstrekken voor langere periodes zette Bailey's Zonneboiler genaamd ‘Day and Night’ op een grote voorsprong ten opzichte van de concurrentie.

Al snel ging de ‘Climax’ uit productie. In 1909, begon Bailey met zijn bedrijf. In 1918, had zijn bedrijf meer dan 4000 Day and Night Solar Hot Water Heaters verkocht.

6    Gas 1920 - 1930

Omdat mensen aangewezen waren op dure geïmporteerde steenkool of hout voor brandstof, vonden velen in de zonneboiler een goedkoper alternatief. Door de grote ontdekkingen van aardgas o.a. in het Los Angeles-bekken tijdens de jaren 1920 en 1930 was de lokale zonneboiler industrie ten dode opgeschreven. (pas op 29 mei 1959 werd in Kolham het eerste Groningse gas ontdekt !). In plaats van geld te verliezen aan de energieveranderingen in het Zuiden, nam Bailey de vernieuwingen hij had ontwikkeld in zonne-energie, en paste deze toe tijdens het ontwikkelen van de thermostaatboiler. Zijn ‘Day and Night Gas Water Heater’ bracht hem zijn tweede fortuin. Hij verkocht de octrooirechten van de ‘Day and Night Zonneboiler’ in Florida aan een andere onderneming.

Een bouwwoede in Florida had tijdens de jaren 1920 de hoeveelheid gebouwen verdrievoudigd, maar net als in Californië voor de grote olie-stakingen, moesten  mensen een behoorlijk bedrag betalen om water te verwarmen.

De hoge kosten van energie in combinatie met het tropische klimaat en de grote groei van de woningvoorraad creëerde een big business voor de verkoop van zonneboilers.

In 1941, verwarmde al meer dan de helft van de bevolking zijn water met de zon!

Afnemende elektriciteit tarieven na de Tweede Wereldoorlog, in combinatie met een agressieve campagne van Florida Power and Light, verhogen het elektrisch verbruik. Dit gebeurde onder andere  door het aanbieden van elektrische boilers voor een koopje.

De eens zo bloeiende zonneboiler industrie in Florida komt tot een halt.

7    Japan, 1960, 1970

In tegenstelling tot Amerika gedurende de naoorlogse jaren na de Tweede Wereldoorlog, ontbrak het Japans aan goedkope en overvloedige energie om te kunnen voldoen aan de warmwater vraag. Rijstlandbouwers in het bijzonder verlangden naar een warm bad. Denk aan het langdurig werken in de hete vochtige rijstvelden. Maar voor het verwarmen van water dienden ze rijststro te verbranden. Deze hadden zij kunnen gebruiken om hun vee te voederen of de aarde te bevruchten. Dus toen een Japans bedrijf startte met de verkoop van een simpele zonneboiler bestaande uit een bassin met bovenop glas, waren er door de jaren ‘60 al meer dan 100.000 in gebruik. Mensen in de steden kochten, hetzij een plastic zonneboiler, lijkend op een opgeblazen luchtbed, met een doorzichtig plastic luifel of een duurder, maar bovenal duurzamer model dat op de oude Climax zonneboilers leek - cilindervormige metalen watertanks geplaatst in een met glas overdekte doos. In 1969 zaten er in de buurt van 4.000.000 van deze zonne-boilers op de Japanse daken.

Met de komst van grote olietankers eind jaren ‘60 kon de Japan toegang verwerven tot de nieuwe olievelden in het Midden-Oosten, en de bevolking voorzien van goedkope, overvloedig brandstof. Zoals was gebeurd in Californië en Florida, stortte de zonneboiler industrie in. Maar niet voor lang. Met het olie-embargo van 1973 en de daaropvolgende dramatische stijging van de prijs van aardolie herleefde de lokale zonneboiler industrie. De jaarlijkse omzet van meer dan 100.000 eenheden bleef stabiel van 1973 tot de tweede oliecrisis van 1979. De verkoop sprong vervolgens naar bijna een half miljoen dat jaar en sprong het jaar daarna naar bijna een miljoen. Tegen die tijd begon Japans favoriete zonneboiler grote gelijkenis te vertonen met het type ingevoerd in Californië in 1909 (door William J. Bailey) met de verwarming en de opslag als gescheiden eenheden. De prijs van olie begon te stabiliseren in 1985 en vervolgens sterk te dalen in de daaropvolgende jaren. Zo ook de verkoop van zonne-boilers. Nog steeds is de Japanse aankoop ongeveer 250.000 exemplaren per jaar. Vandaag de dag, verwarmen meer dan 10.000.000 Japanse huishoudens hun water met de zon.

8    Australie gaat meedoen; 1950 – 1970

Vanaf de jaren 1950 tot de vroege jaren ‘70, gebruikten slechts een paar duizend Australiërs de zon om hun water op te warmen. De getallen groeiden sinds die tijd, en groeiden fenomenaal als gevolg van twee enorme pieken in de olieprijzen in 1973 en 1979.

Interessant is dat de aankoop van zonneboilers in deze onstuimige jaren varieerden van staat tot staat. Hoewel 40 tot 50% van de mensen in de Australische Northern Territory hun water verwarmden met de zon, is het percentage gedaald tot ongeveer 15% in West-Australië en gezakt tot minder dan 5% in de meer bevolkte oostelijke staten. Dit  scherpe verschil had meer te maken met de kosten van elektriciteit dan de beschikbaarheid van de zon. Mensen in het Noordelijk Territorium en West-Australië kochten elektriciteit die werd opgewekt door middel van geimporteerde en steeds duurder wordende aardolie. Dit terwijl in de oostelijke staten van New South Wales, Queensland en Victoria de elektriciteit werd geproduceerd door lokaal gedolven en zeer goedkope steenkool. In de late jaren ‘80 begon de Australische zonneboiler markt te stagneren.

Pijpleidingen brengen nieuw ontdekt aardgas gemakkelijk naar regio’s met brandstoftekorten, zoals het Noordelijk Territorium en West-Australië. Deze leidingen hebben een geremde groei in de verkoop van zonneboilers tot gevolg.

Als gevolg hiervan is export is nu goed voor meer dan 50% van de verkopen van Solahart, Australië's grootste fabrikant van zonneboilers.

9    Israel;  Levi Yissar, vanaf 1970

In tegenstelling tot de Verenigde Staten en een groot deel van Europa, heeft Israël, net als Japan, onvoldoende brandstof in de vroege jaren ‘50.

De situatie werd zo somber in de vroege dagen van de joodse staat dat de regering de verwarming van water had te verboden tussen 22.00uur en 6.00uur.

Ondanks de verplichte binnenlandse rantsoenering van elektriciteit, verslechterde het stroom tekort. Pompstations mislukten en de sluiting van fabrieken werd bedreigend. Een speciale commissie ingevoerd door de overheid kon alleen maar suggereren het probleem van het tekort aan stroom met de aankoop van meer gecentraliseerde generatoren op te lossen. Deze conclusie veroorzaakte de woede van een Israëlische ingenieur, Levi Yissar, die klaagde: "Wat dacht je van een reeds bestaande energiebron, ons land heeft genoeg van: de zon! We moeten omschakelen van elektrische energie naar zonne-energie, althans voor verwarming van ons water."

Yissar voegde de daad bij het woord,en  bouwde het eerste prototype Israëlische zonneboiler. In 1953 begon hij NerYah Company, Israëls eerste commerciële producent van zonne-boilers. In 1967 had ongeveer een op de twintig huishoudens hun water verwarmd met de zon. Maar goedkope olie uit Iran in de late jaren 1960 en olie uit de olievelden veroverd tijdens de Zesdaagse Oorlog verlaagde drastisch de prijs van elektriciteit. Het aantal mensen dat zonneboilers aankocht werd zienderogen minder.

 

Ondanks de overvloed van zonlicht in Israël, werden zonneboilers slechts door 20% van de bevolking in 1967gebruikt. Toen de prijs van olie daalde in het midden van de jaren 1980, wilde de Israëlische regering niet dat mensen terugvielen in oude energiegewoonten, zoals is gebeurd in de rest van de wereld. Na de energiecrisis in de jaren ‘70, werd in 1980 in de Israëlische Knesset een wet aangenomen waarbij de installatie van zonneboilers in alle nieuwe woningen (met uitzondering van hoge torens met onvoldoende dakgebied)verplicht werd. Als gevolg daarvan is Israël nu de wereldleider in het gebruik van zonne-energie per hoofd van de bevolking. 85% van de huishoudens maakt gebruik van de zon.(3% van het primaire nationaal energieverbruik).

10    Noord-Amerika, Cyprus en Griekenland

Gedurende deze tijd is er constante groei van belangstelling voor zonneverwarming in Noord-Amerika. Technische innovatie heeft de prestaties, levensverwachting en het gemak van het gebruik van deze systemen continue verbetert. Installatie van zonneboilers is de norm in landen met een overvloed aan zonnestraling geworden, zoals Cyprus, Israël en Griekenland, maar ook in Japan en Oostenrijk, waar minder overvloed aan zon is .

11    Spanje

In 2005 werd Spanje het eerste land ter wereld met de installatie van fotovoltaïsche panelen ten behoeve van elektriciteit in nieuwe gebouwen, en de tweede (na Israël) om de installatie van zonneboilers in 2006 verplichten. Ook Australië neemt de verplichte verordening voor thermische zonne-energie voor nieuwbouw in 2006 over.

12    China

Zonneboiler systemen zijn populair geworden in China, waar basismodellen beginnen bij ongeveer 1.500 yuan (US $ 190), veel goedkoper dan in westerse landen (ongeveer 80% goedkoper voor soortgelijke collector oppervlakken). Er wordt gezegd dat ten minste 30 miljoen Chinese huishoudens er nu een hebben, en dat de populariteit is te danken aan de efficiënte geëvacueerde buizen die het mogelijk maken de boilers te gebruiken bij grijs weer en bij temperaturen onder het vriespunt.

13    Zwembaden

Zonneboilers voor zwembaden zijn het eerstvolgende gat in de markt.

Het gebruik van zonne-energie voor de verwarming van zwembaden in combinatie met de bestaande zwembadinstallatie maken de “perfect match”:

  • De opslag eenheid van de door de zonne-energie verwarmd water bestaat al - het zwembad.
  • De pomp die nodig is om water door de zonnecollector te laten stromen moet,ongeacht de verwarmingstechnologie die wordt ingezet, worden aangeschaft. Bij bestaande zwembaden is deze reeds aanwezig.
  • De zwembad eigenaar heeft alleen de aankoop van de zonnecollectoren.
  • Gezien dat de temperatuur van het zwembadwater niet hoger is dan ongeveer 27°C, is het niet vereist dat de zonnecollector een duur glazen deksel of folie en kostbare metalen leidingen dient te hebben.

In de jaren ‘70, ontwikkelde de Amerikaan Freeman Ford een low-cost plastic om te verwerken in de zonnecollector. Blootgesteld aan de zon, zal het water door smalle leidingen in het plastic voldoende opwarmen om het zwembad warm te houden.

Natuurlijk dient het buitenbadseizoen harmonieus samen te vallen met de maximale output van de zon.

Zelfs in combinatie met andere vormen van energie is het systeem als geheel goedkoop.

De zwembad eigenaar gaat op deze wijze heel snel geld besparen.

In de Verenigde Staten alleen al zijn zoveel zonne-zwembad-verwarmingssystemen geplaatst dat deze gezamenlijk een energieopbrengst hebben die gelijk is aan tien kerncentrales. (!)