Artikel geconcentreerde zonne-energiesystemen Inhoud Deel III Geconcentreerde zonne-energiesystemen: •
Wat zijn geconcentreerde zonne-energiesystemen? Definitie, werking
•
Geschiedenis
•
Classificering, toepassingen
•
Geconcentreerde thermische zonne-energie
•
Geconcentreerde fotovoltaïsche zonne-energie
•
Geconcentreerde fotovoltaïsche zonne-energie in combinatie met thermische zonne-energie
•
Voordelen – Nadelen van concentrerende zonne-energiesystemen
•
Toekomstverwachtingen
Wat zijn geconcentreerde zonne-energiesystemen? Definitie, werking Geconcentreerde zonne-energiesystemen zijn systemen die zonlicht, of thermische zonneenergie, met lenzen of spiegels van een groot oppervlak op een klein oppervlak concentreren. Als het verzamelde zonlicht omgezet wordt in warmte die een met een stroomgenerator verbonden warmtemotor aandrijft (meestal een stoomturbine), wordt er elektrische stroom gegenereerd. Geconcentreerde zonne-energiesystemen moeten niet verward worden met zonnepanelen. Bij panelen wordt zonne-energie direct omgezet in elektriciteit, zonder gebruik te maken van stoomturbines. De concentratie van zonlicht op fotovoltaïsche oppervlaktes, zoals bij geconcentreerde zonne-energiesystemen, wordt geconcentreerde fotovoltaïsche zonneenergie genoemd. Geschiedenis Sinds de allervroegste tijden wordt geconcentreerd zonlicht op zinvolle manieren gebruikt. Volgens een legende was het Archimedes die een “brandglas" gebruikte om zonlicht te concentreren op de binnenvallende Romeinse vloot, om zo de aanval op Syracuse af te slaan. In 1973 was een Griekse wetenschapper, Dr. Ioannis Sakkas, nieuwsgierig of Archimedes in 212 v. Chr. de Romeinse vloot werkelijk had kunnen vernietigen. De wetenschapper maakte gebruik van 60 Griekse zeelieden, die ieder een rechthoekige spiegel zodanig vasthielden dat deze de zonnestralen op konden vangen om die vervolgens op een met teer bedekt houten silhouet op 160 voet afstand te richten. Hoewel het schip na een paar minuten vlam vatte, betwijfelen historici nog steeds of het verhaal over Archimedes waar gebeurd is. In 1866 gebruikte Auguste Mouchout een parabolische trog om stoom te produceren voor de eerste stoommotor op zonne-energie. Het eerste patent op een zonnecollector werd in 1886 verkregen door de Italiaan Alessandro Battaglia uit Genua (Italië). In de loop van de daarop volgende jaren ontwikkelden uitvinders als John Ericsson en Frank Shuman apparaten om zonnewarmte op te vangen, ten behoeve van irrigatie, koeling en transport. In 1913 voltooide Shuman een 55 PK parabolische zonnewarmteenergiecentrale in Meadi (Egypte) ten behoeve van irrigatie. Een andere Genuaan, Professor Giovanni Francia (1911–1980), ontwierp en bouwde de eerste geconcentreerde zonne-energiecentrale die in 1968 in Sant'Ilario, vlak bij Genua (Italië), in werking werd gesteld. Deze centrale had de bouw van de huidige geconcentreerde zonne-energiecentrales met een zonneopvangsysteem in het midden van een veld zonnecollectoren. De centrale kon 1 MW produceren met zeer warme stoom bij 100 bar en 500°C. De 10 MW Solar One zonnetoren werd in 1981 in Zuid-Californië ontwikkeld, terwijl de beter bruikbare parabolische trogtechnologie van de nabijgelegen Solar Energy Generating Systems (SEGS) in 1984 werd geïntroduceerd. De SEGS (Solar Energy Generating Systems) met een capaciteit van 354 MW is nog altijd de grootste zonneenergiecentrale ter wereld. Classificering Geconcentreerde zonne-energiesystemen zijn te verdelen in •
Geconcentreerde thermische zonne-energie
•
Geconcentreerde fotovoltaïsche zonne-energie
•
Een combinatie van geconcentreerde fotovoltaïsche en thermische zonneenergie
Geconcentreerde thermische zonne-energie Geconcentreerde thermische zonne-energie wordt gebruikt om hernieuwbare warmte, koude of elektriciteit te produceren (elektriciteit uit zonnewarmte, meestal gegenereerd met stoom). De systemen gebruiken lenzen of spiegels en volgsystemen om zonlicht van een groot oppervlak te convergeren op een klein oppervlak. Het geconcentreerde licht wordt vervolgens gebruikt als warmte of als warmtebron voor een conventionele energiecentrale (thermische zonne-elektriciteit). Er bestaat een grote variatie aan concentratietechnologieën, waaronder de parabolische trog, de schotel met stirlingmotor, de lineaire fresnelreflector, de zonneschoorsteen en de zonnetoren. Iedere convergentiemethode kan hoge temperaturen genereren met overeenkomstige hoge thermodynamische rendementen, maar bij iedere methode wordt het zonlicht op een andere manier opgevangen en het licht op een andere manier gefocusseerd. Door innovaties in de technologie worden zonnetorens steeds kosteneffectiever. Parabolische trog
Parabolische trog Bron: http://en.wikipedia.org/wiki/Solarthermalcollector, 19.11.2010
Zonne-energiecentrales in Californië, VS. Lees hier meer over dit project Absorber tube
Absorberende buis
Reflector
reflector
Solar field piping
buis in het veld van het zonlicht
Focal point
brandpunt
Een parabolische trog bestaat uit een lineaire parabolische reflector die licht convergeert naar een ontvanger die staat opgesteld in het verlengde van het brandpunt van de reflector. De ontvanger bestaat uit een buis die direct boven het midden van de parabolische spiegel staat en gevuld is met een speciaal vloeibaar medium. De reflector volgt de zon in de loop van de dag door te bewegen langs een enkele as. Het vloeibare medium (bijvoorbeeld gesmolten zout) wordt verwarmd tot 150 - 350°C (423–623 K (302– 662 F)) terwijl het door de ontvanger stroomt en wordt vervolgens gebruikt als warmtebron voor een energiecentrale. Troggen zijn de best ontwikkelde systemen voor geconcentreerde zonneenergietechnologie. De Solar Energy Generating Systems (SEGS)-centrales in Californië, Acciona’s Nevada Solar One bij Boulder City, Nevada, en Plataforma Solar de Almería's SSPS-DCS-centrale in Spanje zijn goede voorbeelden van deze technologie. Lineaire fresnelreflectoren zijn geconcentreerde zonne-energiecentrales die in plaats van parabolische spiegels, gebruik maken van vele dunne spiegelstroken om het zonlicht te convergeren naar twee met vloeistof gevulde buizen. Dit heeft als voordeel dat vlakke spiegels gebruikt kunnen worden. Deze zijn veel goedkoper dan parabolische spiegels, en er kunnen ook meer reflectoren geplaatst worden op hetzelfde oppervlak, waardoor meer van het beschikbare zonlicht gebruikt kan worden. Concentrerende lineaire fresnelreflectoren kunnen zowel in grote als in kleinere centrales gebruikt worden.
Parabolische schotel met stirlingmotor Een schotel met stirlingmotor bestaat uit een standalone parabolische reflector die licht convergeert naar een in het brandpunt van de reflector gelegen ontvanger. De reflector volgt de zon langs twee assen. De vloeistof in de ontvanger wordt verwarmd tot 250 - 700°C (523 - 973 K (482 - 1.292°F)) en wordt vervolgens gebruikt door een stirlingmotor om energie te genereren. Parabolische schotels hebben het grootste rendement van alle geconcentreerde zonnetechnologieën waarin zonne-energie wordt omgezet in elektriciteit, en hun modulaire vorm zorgt ervoor dat het systeem kan worden opgeschaald. De energiecentrales van Stirling Energy Systems (SES) en de schotels van Science Applications International Corporation (SAIC) bij de universiteit van Nevada (Las Vegas), en de “Big Dish” van de Australian National University in Canberra (Australië) zijn voorbeelden van deze technologie.
De stirlingmotor in het brandpunt maakt bij deze schotelsystemen het overbrengen van warmte naar een boiler overbodig. Bron: http://en.wikipedia.org/wiki/Concentratedsolarpower, 25.11.2010 Twee belangrijke fenomenen maken de werking van een parabolische schotel duidelijk. Het ene is de parabool die zo gevormd is dat invallende stralen die parallel lopen aan de as van de schotel naar het brandpunt worden gereflecteerd, onafhankelijk van de plaats waar zij op de schotel vallen. Het tweede fenomeen dat van belang is, is dat de op het aardoppervlak vallende zonnestralen bijna volledig parallel lopen. Als de schotel zo gepositioneerd kan worden dat de as naar de zon wijst, zal bijna alle invallende straling gereflecteerd worden op het brandpunt; de meeste verliezen worden veroorzaakt door een niet-volmaakt parabolische vorm en een niet optimale reflectie. De verliezen als gevolg van de dampkring tussen de schotel en het brandpunt zijn minimaal, aangezien de schotel meestal met opzet zo klein is dat deze factor op een zonnige dag verwaarloosbaar is. Bij vergelijking met andere modellen is te zien dat dit verlies een belangrijke factor is, en bij nevelig of mistig weer kan het rendement van de parabolische schotel aanmerkelijk kleiner worden. Bij sommige energiecentrales is een stirlingmotor aan een in het brandpunt geplaatste dynamo gekoppeld, waardoor de warmte van de invallende zonnestralen wordt geabsorbeerd en omgezet in elektriciteit.
Zonnetoren met opwaartse luchtstroom Een zonnetoren met opwaartse luchtstroom bestaat uit een doorzichtige grote kamer (meestal geheel van glas), die langzaam oploopt naar een centraal gelegen holle toren of schoorsteen. In deze broeikasachtige structuur wordt de lucht door de zon verwarmd. Vervolgens stijgt de lucht in de schoorsteen op, waardoor een luchtturbine wordt aangedreven en elektriciteit wordt gegenereerd. Zonneschoorstenen zijn erg eenvoudig van opzet en kunnen daarom een goede optie zijn voor projecten in ontwikkelingslanden. Klik hier om het filmpje op Youtube te bekijken Tower
Toren
Collector
Collector
Thermal storage
Warmteopslag
Day
Dag
Night
Nacht
Turbines
Turbines
Zonnetoren Bekijk de website van het project 'Jülich experimental power plant' - het toonaangevende kenniscentrum voor onderzoek naar innovatieve en toonaangevende energietechnologie. Bron: http://www.solarturm-juelich.de/en Een zonnetoren bestaat uit een paneel van dubbelassige volgreflectoren (heliostats), die licht convergeren naar een centraal gelegen ontvanger op de bovenkant van de toren; de ontvanger bevat een vloeistofreservoir met bijvoorbeeld zeewater. De vloeistof in de ontvanger wordt verwarmd naar 500 tot 1000°C (773 - 1.273 K (932 - 1.832 F)) als het door de ontvanger stroomt en wordt vervolgens als warmtebron voor een energiecentrale gebruikt. De ontwikkeling van zonnetorens is minder vergevorderd dan die van trogsystemen, maar het rendement is groter en zij hebben een betere capaciteit voor energieopslag. De Solar Two in Daggett (Californië) en de Planta Solar 10 (PS10) in Sanlucar la Mayor (Spanje) zijn voorbeelden van deze technologie. In droge regio’s van Noord-Afrika en Zuid-Europa heeft DESERTEC (Trans Mediterranean Renewable Energy Cooperation) plannen voor geconcentreerde zonne-energiesystemen als de belangrijkste technologie om elektriciteit te produceren, en water te ontzilten.
De 5 MW Sierra SunTower in Lancaster (Californië) maakt gebruik van heliostats die zonlicht concentreren op een centrale toren. Kijk op Youtube en klik hier.
Geconcentreerde fotovoltaïsche zonne-energie Geconcentreerde fotovoltaïsche zonne-energiesystemen maken gebruik van zonlicht dat ten behoeve van elektriciteitsproductie geconcentreerd wordt op fotovoltaïsche oppervlakten. Allerlei typen zonneschotels kunnen worden gebruikt om het zonlicht te convergeren. Deze schotels worden vaak bevestigd op een zonnevolgsysteem, zodat het brandpunt op de cel gericht blijft als de zon draait. Sinds de jaren zeventig van de vorige eeuw wordt er serieus onderzoek gedaan naar concentrerende fotovoltaïsche systemen en sindsdien worden zij steeds verder ontwikkeld. Een trogsysteem met een lineaire concentrator werd bijvoorbeeld getest en geïnstalleerd bij de Sandia National Laboratories (Californië) en het eerste moderne fotovoltaïsche brandpuntconcentratiesysteem werd ontwikkeld in de Sandia-laboratoria. Beide ontwikkelingen vonden laat in de zeventiger jaren plaats. Bij het laatstgenoemde systeem werd gebruik gemaakt van een acryl fresnellens met een brandpunt dat focusseert op watergekoelde siliciumcellen en twee volgassen. Een vergelijkbaar concept werd in andere modellen gebruikt. Bij het laat in de zeventiger jaren door Ramón Areces ontwikkelde systeem werd gebruik gemaakt van hybride siliciumglas fresnellenzen, terwijl koeling van siliciumcellen werd bereikt met een passieve warmteput. Luminescente zonneconcentratoren (als ze worden gecombineerd met een fotovoltaïsche zonnecel) kunnen ook beschouwd worden als een concentrerend fotovoltaïsch systeem. Luminescente zonneconcentratoren zijn zinvol aangezien ze de prestaties van fotovoltaïsche zonnepanelen enorm kunnen verbeteren. Rendement Halfgeleidereigenschappen zorgen ervoor dat de zonnecellen efficiënter werken wanneer ze in geconvergeerd licht staan, zolang de temperatuur tussen de cellen laag wordt gehouden door bijpassende koellichamen. Geconcentreerde fotovoltaïsche systemen hebben het grootste rendement in zonnig weer, aangezien wolken en bewolkte weersomstandigheden het licht verstrooien. In 2009 werd een recordrendement van 41,6% bereikt en in de toekomst zal een rendement van bijna 50% mogelijk zijn. Lage concentratie-fotovoltaïsche zonnecollectoren Lage concentratie-fotovoltaïsche zonnecollectoren zijn systemen met een concentratie van 2 tot 100 maal de kracht van de zon. Om zo goedkoop mogelijk te werken, worden conventionele of aangepaste silicium zonnecellen gebruikt en bovendien is bij deze concentraties de warmtestroom zo laag dat de cellen niet actief gekoeld hoeven te worden. Volgens de wetten van de optica kan een zonnecollector met een lage concentratieratio een grote invalshoek hebben, waardoor er geen actief zonnevolgsysteem nodig is. Medium concentratie-fotovoltaïsche zonnecollectoren Vanaf 100 tot 300 maal de kracht van de zon zijn er ingewikkelder systemen nodig met tweeassige zonnevolgsystemen en een koelmechanisme (passief of actief). Hoge concentratie-fotovoltaïsche zonnecollectoren Hoge concentratie-fotovoltaïsche zonnecollectoren maken gebruik van concentrerende lenzen die bestaan uit schotelreflectoren of fresnellenzen die zonlicht concentreren tot een intensiteit van 300 of meer malen de kracht van de zon. De zonnecellen hebben koelsystemen met een hoge capaciteit nodig om negatieve gevolgen en prestatieverlies als gevolg van hoge temperaturen te voorkomen. Multi-junction-zonnecellen zijn sinds kort
populairder dan siliciumcellen, omdat ze een groter rendement hebben. Het rendement van beide celtypen wordt groter naarmate de concentratie toeneemt; het rendement van multijunction-zonnecellen neemt het meest toe. Multi-junction-zonnecellen, die oorspronkelijk ontworpen zijn voor niet-concentrerende ruimtesatellieten, zijn opnieuw ontworpen vanwege de hoge stroomdichtheid in concentrerende fotovoltaïsche zonnecellen (meestal 8 A/cm2 bij 500 maal de kracht van de zon). Hoewel de kosten van multi-junctionzonnecellen ongeveer 100 keer hoger liggen dan die van vergelijkbare siliciumcellen, blijven de kosten van de cellen een fractie van het hele systeem. Met het oog op de kosten hebben systemen met multi-junction-zonnecellen dus de voorkeur.
Geconcentreerde fotovoltaïsche zonne-energie in combinatie met thermische zonne-energie Bij concentrerende fotovoltaïsche en thermische technologieën wordt zowel elektriciteit als warmte in dezelfde module geproduceerd. Thermische warmte kan gebruikt worden voor warm kraanwater, verwarming en airconditioning op warmte (zonnekoeling), ontzilting of industriële proceswarmte. Australische, Amerikaanse en Chinese wetenschappers onderzoeken momenteel het potentieel aan gecombineerde warmte- en zonne-energie en Europeanen hebben deze systemen in productie. De Israëlische maatschappij ZenithSolar (http://www.zenithsolar.com/ ) heeft een gecombineerd fotovoltaïsch/thermisch (cogeneration) systeem ontwikkeld. Het rendement hiervan zou 72% zijn. Voor- en nadelen van concentrerende zonne-energiesystemen Voordelen •
Hoge temperaturen. Hoge temperaturen zijn beter bruikbaar om elektriciteit te genereren met conventionele methoden als stoomturbines of voor chemische reacties waarvoor hoge temperaturen noodzakelijk zijn.
•
Hoog rendement. Door zonlicht te concentreren hebben de huidige systemen een hoger rendement dan eenvoudige cellen.
•
Een groter oppervlak kan bedekt worden met vrij goedkope spiegels in plaats van met dure zonnecellen.
•
Geconcentreerd licht kan met een glasvezelkabel doorgestuurd worden naar een gewenste locatie, bijvoorbeeld om gebouwen te verlichten.
•
Warmteopslag in ondergrondse voorraadvaten of in warme vloeistoffen voor elektriciteitsproductie bij bewolkt weer en in de nacht. Gesmolten zout blijkt goed te werken.
Nadelen •
Concentrerende systemen hebben een zonnevolgsysteem nodig om het zonlicht in het brandpunt van de ontvanger op te vangen.
•
Het is niet mogelijk om energie te genereren tijdens schemerachtig of bewolkt weer. Zonnecellen zijn in staat om in dergelijke omstandigheden een zekere output te genereren, maar het rendement is dan ook niet groot.
Toekomstverwachtingen Greenpeace, de European Solar Thermal Electricity Association en de SolarPACES-groep van de International Energy Agency onderzochten het potentieel en de toekomst van geconcentreerde zonne-energiesystemen. De conclusie was dat tegen het jaar 2050 zonnesystemen in 25% van de wereldenergiebehoefte zouden kunnen voorzien. In dezelfde periode zou het investeringsvermogen toegenomen zijn van 2 miljard tot 92,5 miljard euro. Spanje is de leider op het gebied van geconcentreerde zonnetechnologie met meer dan 50 door de overheid goedgekeurde projecten. Tevens exporteert Spanje de technologie, waarmee het land de interesse voor deze technologie in de hele wereld vergroot. Aangezien deze technologie om een woestijnachtige omgeving vraagt, voorspellen deskundigen de meeste groei in landen als Afrika, Mexico en het zuidwesten van de Verenigde Staten. In het
onderzoek werden drie verschillende uitkomsten voor deze technologie bekeken: geen groei van geconcentreerde zonnetechnologie, investeringen zoals tot nog toe in Spanje en de VS, en tot slot het ware potentieel van zonnetechnologiesystemen zonder enige groeibelemmering. De bevindingen van het derde onderdeel worden weergegeven in onderstaande tabel:
Tijd
Investering
Capaciteit
2015 21 miljard euro per jaar
420 megawatt
2050 174 miljard euro per jaar
1500 gigawatt
Tot slot liet het onderzoek zien hoe de geconcentreerde zonnetechnologie tot 2050 zou kunnen worden verbeterd en hoe dit zou kunnen leiden tot een drastische prijsverlaging. De voorspellingen waren dat de prijs zal dalen van 0,23 tot 0,15 euro per kilowattuur nu naar 0,14 tot 0,10 euro per kilowattuur in 2050. Onlangs is de EU begonnen met het ontwikkelen van een € 400 miljard (774 miljard Amerikaanse dollar) kostende zonne-energiecentrale in de Sahara met geconcentreerde zonnetechnologie die bekend staat als Desertec. Het is een onderdeel van een groter plan voor "een nieuw koolstofvrij netwerk dat Europa, het MiddenOosten en Noord-Afrika verbindt". Het plan, dat voornamelijk gesteund wordt door Duitse industriëlen, voorspelt tegen 2050 een energieproductie van 15% van het totaal voor Europa. Marokko is een van de grootste partners in Desertec en aangezien het land nauwelijks 1% van de elektriciteit van de EU verbruikt, produceert het meer dan genoeg energie voor de hele natie en resteert een grote hoeveelheid energie om aan Europa te leveren. Andere organisaties verwachten dat geconcentreerde zonnetechnologie tegen 2015 0,06 Amerikaanse dollar per kWh zal kosten als gevolg van rendementsverhoging en massaproductie van apparatuur. In dat geval zou geconcentreerde zonnetechnologie even goedkoop zijn als conventionele energie. Investeerders als durfkapitalist Vinod Khosla verwachten dat de kosten van geconcentreerde zonnetechnologie nog zullen afnemen en na 2015 lager zullen zijn dan de kosten van energie uit kolen. Dertien maanden geleden, op 9 september 2009, zei Bill Weihl, de groene energieapostel van Google, dat zijn firma onderzoek deed naar heliostats en gasturbinetechnologie. Hij verwacht dat de kosten van energieproductie met deze technieken in twee à drie jaar zullen dalen naar minder dan 0,05 Amerikaanse dollar per kWh. In 2009 werkten onderzoekers van de Amerikaanse organisaties National Renewable Energy Laboratory (NREL) en SkyFuel samen om grote gewelfde metalen platen te ontwikkelen die mogelijk 30% goedkoper zullen zijn dan de huidige beste zonnecollectoren. Deze verbetering kan gerealiseerd worden door glasgebaseerde modellen te vervangen door een plaat zilver polymeer met dezelfde prestaties als van zware glasspiegels, maar veel goedkoper en veel lichter. Deze platen zijn ook veel makkelijker te installeren. De glanzende laag bestaat uit verschillende polymeerlagen, met een binnenlaag van puur zilver.
Bronvermelding http://en.wikipedia.org/wiki/ConcentratingSolarPower, 23.11.2010 http://en.wikipedia.org/wiki/Solarthermalcollector, 25.11.2010 http://www.solarturm-juelich.de/en
