Je leest:

De grote getallen van zonthermische krachtcentrales

De grote getallen van zonthermische krachtcentrales

Zonne-energie heeft de toekomst. Die indruk wekken althans grote zonthermische krachtcentrales die in zonovergoten gebieden worden gebouwd. De technologie van Concentrated Solar Power (CSP) innoveert nog steeds, zoals blijkt uit de verbeterde combinatie met warmteopslag in vloeibaar zout bij de Gemasolar-installatie in de Spaanse provincie Sevilla.

Voor een snelle update over zonthermische krachtcentrales ging Kennislink te rade bij wetenschapsjournalist Rijkert Knoppers, die enkele jaren geleden een boek schreef over deze zonnetechnologie. Zijn boek Woestijnstroom – nog steeds verkrijgbaar – is weliswaar niet glossy of in kleur uitgevoerd, maar het geeft een goed overzicht van een technologie die velen zo veelbelovend achten dat zij de Noord-Afrikaanse woestijn er vol mee willen zetten om de Europese energieconsument van groene elektriciteit te voorzien.

Innovatie met zout

“Een van de meeste recente innovaties van zonthermische krachtcentrales, ofwel Concentrated Solar Power (CSP), is de combinatie met energieopslag in vloeibaar zout”, vertelt Knoppers. De bouw van deze installatie, Gemasolar bij het Spaanse stad Fuentes de Andalucí in de provincie Sevilla, levert op commerciële basis stroom sinds 2011. “Zout wordt al wel langer als energieopslagmedium gebruikt, maar nog niet eerder voor zo’n lange periode als bij Gemasolar.”

Gemasolar 2011 9b
De Gemasolar CSP-plant in Zuid-Spanje omvat meer dan 2500 heliostatische spiegels, die de zon zodanig volgen dat het weerkaatste licht steeds op de toren komt. In de toren circuleert gesmolten zout.
Torresol Energy Investments, S.A.

Maar liefst 2650 platte spiegels, die met de zon meedraaien voor de noodzakelijke en optimale lichtinval, concentreren het zonlicht in de Gemasolar-plant en weerkaatsen de lichtbundel naar een toren. Hierin circuleert een vloeibare zoutmassa die door de geconcentreerde lichtbundel tot een temperatuur van 565 graden wordt verwarmd. Met warmtepompen wordt de in het zout opgeslagen warmte overgedragen op water dat stoomturbines aandrijft. Tot zover is dit niets bijzonders, want net zoals bij de bestaande CSP-centrales tot nu toe geschiedt de stroomopwekking alleen als de zon schijnt.

Gemasolar 2011 11b
Gemasolar CSP-plant in bedrijf
Torresol Energy Investments, S.A.

24/7

Het probleem van installaties op zonne-energie is het gegeven dat de zon ’s nachts niet schijnt en de centrale dan stilvalt. De CSP-plant Gemasolar, een initiatief van het Spaanse Torresol en de in CSP gespecialiseerde multinational Masdar uit Abu Dhabi, maakt daarom gebruik van de opslag van de zonne-energie die overdag niet benut wordt.

Het overschot aan energie wordt opgeslagen in nitraatzout dat in geïsoleerde tanks wordt opgeslagen (hetzelfde zout dat als werkvloeistof dient). Hiermee kan tot vijftien uur na zonsondergang (of bij bewolkt weer) nog steeds stroom worden opgewekt met de warmte die in het gesmolten zout is opgeslagen. Dat betekent 24 uur per dag stroomproductie.

Gemasolar, met een geïnstalleerd vermogen van bijna 20 MW en een jaarlijkse elektriciteitsproductie van 110 gigawattuur, kan omgerekend 27.000 huishoudens van elektriciteit voorzien; op jaarbasis wordt er 30.000 ton minder CO2 uitgestoten. Knoppers: “Met vijftien uur energieopslag is dit een belangrijke verbetering vergeleken met de eerste Europese grootschalige CSP-plant, Andasol Solar Power Station uit 2009, dat ook zout voor energieopslag gebruikte voor een periode van maximaal zes uur extra stroomlevering”.

Gemasolar plant june2011 1b
De Gemasolar CSP-plant beslaat een totale landoppervlakte van 185 ha.
Torresol Energy Investments, S.A.

Bundelen van licht

Het idee dat je met een geconcentreerde lichtbundel een enorme hitte kunt creëren is al heel oud. Zoals je met een vergrootglas een stukje papier in brand kan laten vliegen, zo bundelen gebogen of platte spiegels (afhankelijk van de techniek) de zonnestraling. In een CSP-installatie verhit een geconcentreerde lichtbundel een werkvloeistof of gas. Met een warmtewisselaar wordt vervolgens water of stoom verhit, dat turbines aandrijft die elektriciteit opwekken. De eerste modellen maakten gebruik van water als werkvloeistof.

Ch10 007lowres 600x297
De techniek van ‘spiegelcentrales’ is al anderhalve eeuw oud. In 1866 toonde de Franse ingenieur Auguste Mouchout de eerste zelfgebouwde trogspiegelcentrale (met paraboolvormige spiegels) aan Napoleon III. Mouchot was ervan overtuigd dat de brandstof van zijn eeuw, kolen, ooit uitgeput zou raken en was hiermee zijn tijd ver vooruit. Zijn stoommachine op zonne-energie – waarbij de lichtbundel op pijpen met water viel – is nog steeds de basis van de techniek van de trogspiegel.
Wikimedia Commons

De twee meest gebruikte technologieën voor grootschalige en commerciële Concentrated Solar Power zijn trogspiegels (met spiegels in de vorm van een parabool) en zonnetorens (met platte spiegels die het licht naar een centraal opgestelde toren weerkaatsen). Knoppers: “Het derde type, de schotelspiegel, is meestal kleinschalig en nooit commercieel toegepast. In de meeste CSP-plants fungeert olie als werkvloeistof, die tot een temperatuur tussen 400 en 600 graden wordt verhit. De olie bevindt zich bij trogspiegels in een lange buis, waarop de geconcentreerde lichtbundel valt”.

Captador senertrough2 1b
Een trogspiegel in Spanje (één van de koplopers in CSP) in bedrijf met de pijpen waarin de werkvloeistof (olie, zout of een gas) circuleert duidelijk zichtbaar.
SENER Ingeniería y Sistemas, S.A.

Wolkeloze hemel

“In de afgelopen vijf jaar is het vermogen van alle op de wereld opgestelde CSP-plants vertienvoudigd”, aldus Knoppers. “De VS en Spanje, die de beschikking hebben over uitgestrekte droge, zonnige gebieden, lopen in de toepassing van CSP voorop. In Duitsland staan enkele experimentele opstellingen, maar het weer is daar niet gunstig voor deze technologie.”

“Een overwegend wolkeloze hemel is een must want de zonnestralen moeten fel zijn om ze te kunnen concentreren. Bij onze oosterburen gaat het dan ook vooral om proefopstellingen met als doel een exportindustrie van de grond te krijgen.”

4 parabolic through csp plant
De techniek van deze 25 jaar oude CSP-plant in Nevada, met parabolische trogspiegels, is ook toegepast in de grootste CSP-plant in het Midden-Oosten, de in 2013 opgeleverde 100 MW Shams 1 in Abu Dhabi (šams is Arabisch voor zon), een initiatief van de bedrijven Masdar, Total en Abengoa Solar. Ondanks de grote olievoorraden in het Midden-Oosten is CSP daar interessant omdat elektriciteit opwekken met CSP goedkoper is dan hiervoor dure olie te verstoken.
Global NevadaCorp

Wereldwijd staat nu een vermogen van 3650 megawatt aan CSP-plants opgesteld. Verschillende organisaties menen zelfs dat met het volbouwen van 1,5 procent van de woestijn met dergelijke zonnecentrales de hele wereldbevolking van voldoende elektriciteit voorzien kan worden. Met steun van het Duitse milieuministerie werd hiertoe het concept DESERTEC uitgewerkt door een groep wetenschappers, politici en economen.

CSP nam in dit concept een centrale rol in en aanvankelijk was men sterk gericht op de regio rondom de Middellandse Zee. Knoppers: “Inmiddels denkt men niet meer alleen aan CSP, maar aan een combinatie van verschillende duurzame technologieën, zoals ook windenergie”.

Andasol usgs document
Een door de Landsat-satelliet gemaakt beeld van Andasol Solar Power Station, in het Oosten van de Spaanse provincie Andalusië. Ook hier wordt zonne-energie opgeslagen in zout (kalium- en natriumnitraat), om het ’s nachts of tijdens een bewolkte lucht te gebruiken.

Dat de CSP-technologie zich steeds verder ontwikkelt is niet in de laatste plaats te verklaren door grote gebeurtenissen op het wereldtoneel, zoals de aanslag op 9/11/2001 op het World Trade Centre. Destabilisering van de mondiale politiek kan echter twee kanten op werken: enerzijds komt de behoefte aan CSP voort uit de wens om minder afhankelijk te zijn van geïmporteerde olie en gas; anderzijds liggen veel uitgestrekte, droge gebieden – die als locaties voor CSP geschikt zijn – juist in regio’s met een instabiele politiek, zoals het geval is in verschillende Noord-Afrikaanse landen.

206px solarpipe scheme.svg
Principe van een trogspiegel. De parabolische trogspiegels zijn duurder dan platte spiegels die bij zonnetorens worden gebruikt.
Masdar

Kinderziekten

Knoppers benadrukt het belang van goede voorlichting over CSP, terwijl hij zelf ook kritisch is. Die kritiek heeft vooral betrekking op “kinderziektes uit het verleden”, benadrukt hij. “Toen kwam het nogal eens voor dat er olie lekte uit de buizen. Zo milieuvriendelijk ging het er niet altijd aan toe.”

Positief vindt hij het grote rendement van CSP-plants, tot wel 18 procent en zonnetorens soms tot zelfs 27 procent (het rendement houdt dan in dat 27 procent van de energie van de zon wordt omgezet in elektriciteit). “Maar het blijft een grootschalige technologie, waarbij je vraagtekens kunt plaatsen indien je de krachtcentrales bouwt in arme gebieden om de stroom vervolgens naar het rijke westen te transporteren”, aldus Knoppers. “Persoonlijk vind ik zonnepanelen sympathieker omdat het kleinschalig is en het direct bij de eindgebruiker kan worden opgewekt.”

Ivanpah csp
Ivanpah Solar Power Facility, even ten zuiden van Las Vegas, bestaat uit drie delen met in totaal 170.000 spiegels. Het is de grootste zonthermische krachtcentrale ter wereld, met een vermogen van 377 MW. Op een schaal die voor ons in Nederland ongewoon is, wordt hier in Utah optimaal gebruik gemaakt van zonne-energie. Aanvankelijk investeerde ook Google in dit miljardenproject. Bekijk de krachtcentrale met de 140 meter hoge zonnetorens van alle kanten met dit beeld dat je zelf kunt sturen, om de plant vanuit verschillende perspectieven te bekijken.
Vegas Helicam
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 28 juli 2014

Discussieer mee

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE