Artikel geconcentreerde zonne-energiesystemen

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