Geconcentreerde zonne-energie (CSP) is een methode om elektriciteit op te wekken waarbij spiegels worden gebruikt om zonlicht te weerkaatsen, te concentreren en te focussen op een specifiek punt. Het geconcentreerde licht wordt omgezet in warmte, die op zijn beurt wordt gebruikt om stoom te maken. De stoom wordt vervolgens gebruikt om een turbine aan te drijven die elektrische stroom opwekt.
CSP-technologie wordt gebruikt om zonne-energie op te slaan, zodat deze kan worden gebruikt op bewolkte dagen en in de uren na zonsondergang of voor zonsopgang. Op dit moment is CSP nog steeds een opkomende benadering van het opwekken van elektriciteit en wordt het meest gebruikt in projecten op nutsschaal.
Geconcentreerde zonne-energie en het vermogen van CSP-technologie om thermische energie op te slaan heeft de optie van duurzame energie vooral populair gemaakt in de Sun Belt-regio in de Verenigde Staten. De Sun Belt-regio omvat staten in het zuiden en zuidwesten van het land, die zich uitstrekken van Californië tot Florida; hiertoe behoren: Georgia, South Carolina, Alabama, Mississippi, Louisiana, New Mexico, Arizona, Nevada en Texas.
De Verenigde Staten hebben al meer dan 15 jaar CSP-centrales op betrouwbare wijze in bedrijf. De Crescent Dunes-centrale in de Mojave-woestijn bijvoorbeeld - die zich uitstrekt over het zuidoosten van Californië en het zuiden van Nevada - werd in de jaren negentig ontwikkeld met financiering van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE). De centrale maakt gebruik van gesmolten zout als warmteoverdrachtsvloeistof en opslagmedium, en profiteert daardoor van een verbeterde efficiëntie en kosteneffectiviteit.
Key requirements for concentrated solar power
Verschillende factoren zijn essentieel voor een succesvolle implementatie van een geconcentreerd zonne-energiesysteem. De belangrijkste vereisten zijn:
- Toereikende financiering - CSP-technologieën en -systemen zijn duur. Het verkrijgen van voldoende projectfinanciering kan moeilijk zijn, maar is noodzakelijk.
- Beschikbare waterbronnen - CSP-systemen hebben toegang nodig tot een waterbron voor koeling en voor het wassen van de verzamel- en spiegeloppervlakken. CSP-centrales kunnen natte, droge of hybride koeltechnieken toepassen om de efficiëntie bij het opwekken van elektriciteit en het behoud van water te optimaliseren.
- Locaties met een hoge zonnestraling - Voor een optimale concentratie van de zonne-energie moet het licht intens zijn en niet te sterk verspreid. De concentratie van het zonlicht kan worden gemeten aan de hand van de directe normale intensiteit (DNI) van de zonne-energie. De DNI van de zon is sterker in de Sun Belt regio dan in enig ander gebied van de V.S., Daardoor is het productiepotentieel van CSP hier groter dan elders in het land.
- Aangrenzende stukken land met minimale bewolking - Hoewel de precieze hoeveelheid land die een CSP-installatie nodig heeft varieert, afhankelijk van de gebruikte technologie, hebben CSP-installaties gewoonlijk vijf tot tien hectare land nodig per megawatt (MW) aan capaciteit.
- Toegankelijke en nabije transmissietoegang - Het land dat voor CSP wordt gebruikt moet geschikt zijn voor elektriciteitsopwekking en tevens toegang bieden tot een transmissienetwerk dat steeds meer onder druk komt te staan en verouderd is. Hoogspanningstransmissielijnen zijn ook een belangrijke vereiste voor de utiliteitsschaalprojecten om elektriciteit van het CSP-systeem naar de eindgebruiker te brengen.
Types van geconcentreerde zonne-energiesystemen
De vier belangrijkste types CSP-systemen zijn:
- Parabolische schotelantennesystemen
- Parabolische trogantennesystemen
- Compacte lineaire Fresnel-reflectorsystemen
- Power tower-systemen
Parabolische schotelantennesystemen maken gebruik van u-vormige -- of parabolische -- spiegelschotels die ongeveer tien keer zo groot zijn als een residentiële satellietschotel om het zonlicht te concentreren op de ontvanger die in het brandpunt van de schotel is gemonteerd. Deze ontvanger is geïntegreerd in een externe verbrandingsmotor met hoog rendement die gebruik maakt van buizen met waterstof- of heliumgas die langs de buitenkant van de motor lopen en uitkomen in de vier zuigercilinders.
Terwijl het geconcentreerde zonlicht door de ontvanger wordt opgevangen, verhit het het gas in de buizen tot extreme temperaturen, waardoor het hete gas in de cilinders uitzet. Dit expanderende gas drijft de zuigers aan die een krukas laten draaien die op zijn beurt de generator aandrijft die elektriciteit produceert.
In een parabolisch schotelantennesysteem vormen de ontvanger, de motor en de generator één geheel dat in het brandpunt van de spiegelschotel is geplaatst. Om de maximale hoeveelheid zonne-energie op te vangen, volgt het schotelvormige systeem de baan van de zon langs de hemel, vergelijkbaar met een tracking array.
Parabolische trogsystemen bevatten u-vormige spiegels met met olie gevulde pijpen die langs het brandpunt lopen. De spiegels zijn op de zon gericht en concentreren het zonlicht op de pijpen om de olie binnenin te verhitten; de temperatuur kan oplopen tot 750°F. De verhitte olie wordt vervolgens gebruikt om water te koken en de stoom te produceren die wordt gebruikt om turbines en generatoren aan te drijven.
Compacte lineaire Fresnel-reflectorsystemen gebruiken lange parallelle rijen van vlakke spiegels die minder kosten dan de gebogen spiegels in het parabolische trogsysteem. De vlakke spiegels in het compacte lineaire Fresnelsysteem concentreren de zonne-energie op verhoogde ontvangers die bestaan uit een verzameling buizen gevuld met stromend water. Het geconcentreerde zonlicht wordt gebruikt om het water te koken, waardoor stoom wordt geproduceerd die kan worden gebruikt om stroom op te wekken.
Power tower-systemen, ook wel centrale ontvangers genoemd, maken gebruik van talrijke grote, platte spiegels om de zon te volgen en de zonne-energie op een ontvanger te richten. In dit systeem bevindt de ontvanger zich op de top van een hoge toren en verzamelt zonlicht dat wordt gebruikt om vloeistoffen te verhitten, zoals gesmolten zout; de temperatuur kan oplopen tot 1.050°F. De verwarmde vloeistof kan onmiddellijk worden gebruikt om stoom te maken en elektriciteit op te wekken, of kan worden opgeslagen voor later gebruik.
Voordelen van geconcentreerde zonne-energie
De vermindering van koolstofemissies is een van de belangrijkste voordelen van alle zonne-energiesystemen. Enkele andere voordelen zijn:
- Energiezekerheid - Hernieuwbare energie is binnenlands, terwijl olie- en gasbronnen in specifieke gebieden zijn geconcentreerd. Een gediversifieerde energievoorziening in het hele land, geleverd door binnenlandse energiebronnen, versterkt de energiezekerheid en draagt bij tot een duurzame, langdurige energiestrategie die de energievoorziening kan beschermen tegen nadelige marktschommelingen en kwetsbaarheden. Het verminderen van de afhankelijkheid van geïmporteerde bronnen en het vervangen van buitenlandse energie door betrouwbare, schone binnenlandse elektriciteit kan lokale economische kansen bieden en tegelijkertijd de energiezekerheid vergroten.
- Lange-termijnbetrouwbaarheid - Zonne-energiecentrales worden gemiddeld gebouwd voor een werking van 25 tot 30 jaar. De exploitant van de centrale moet begrijpen dat de technologie en apparatuur na verloop van tijd moeten worden onderhouden, opgeknapt en vervangen. Verwacht wordt dat elke upgrade efficiënter is tegen lagere kosten. Er is dus sprake van langdurige betrouwbaarheid, aangezien de hernieuwbare energiebron gedurende lange tijd elektriciteit produceert terwijl de efficiëntie voortdurend wordt verbeterd.
- Steeds concurrerender prijzen - Terwijl de kosten van gas, fossiele brandstoffen en andere energiealternatieven in de verschillende regio's blijven schommelen, is de prijs van hernieuwbare energie voortdurend gedaald. De sterkste daling deed zich voor in de zonne-energiesector, waar de prijzen in de afgelopen zeven jaar met ongeveer 80% zijn gedaald. Daarom is zonne-energie een goedkopere, meer kosteneffectieve energiebron.
Geschiedenis van geconcentreerde zonne-energie
Volgens de oude Griekse mythe werd het concept van geconcentreerde zonne-energie voor het eerst ontdekt door Archimedes in 214 - 212 v. Chr. Hij ontwikkelde een verdedigingstactiek waarbij soldaten bronzen schilden gebruikten om het zonlicht op de binnenvallende Romeinse schepen te concentreren, waardoor de schepen vlam vatten. Het eerste gedocumenteerde gebruik van CSP vond echter plaats in 1866, toen August Mouchout een parabolisch trogsysteem gebruikte om water te verwarmen en stoom te produceren voor de aandrijving van de eerste zonnestoommachine.
In 1912 bouwde Frank Schuman, een uitvinder uit Philadelphia, Pennsylvania, een parabolisch trogsysteem in een kleine boerengemeenschap in Meadi, Egypte. De troggen werden gebruikt om stoom op te wekken, die op zijn beurt werd gebruikt om grote waterpompen aan te drijven, die 6.000 gallons water per minuut naar uitgestrekte gebieden in de woestijn brachten.
In 1968 werd de eerste operationele CSP-centrale gebouwd in Sant'Ilario, Italië, door professor Giovani Francia. De centrale maakte gebruik van een systeem met een zendmast, omgeven door een veld van andere zonne-energiecollectoren.
In 1982 werd Solar One in gebruik genomen door een aantal organisaties uit de zonne-energie-industrie en het Amerikaanse DOE. Solar One was een 10 MW demonstratieproject van het powertorensysteem dat de haalbaarheid van het gebruik en de werking van het systeem vaststelde.
In 1986 werd 's werelds grootste zonne-energie-installatie in gebruik genomen in Kramer Junction, Californië. Het systeem maakte gebruik van rijen spiegels om de zonne-energie te richten op een systeem van pijpen en de transportvloeistof binnenin te verhitten. De geproduceerde stoom dreef een turbine aan die elektriciteit produceerde.
Tussen 1996 en 1999 werkten de U.S. DOE en een aantal organisaties uit de zonne-energiesector aan Solar Two - een project dat een verbetering moest zijn van het Solar One-project.
Toekomst van geconcentreerde zonne-energie en in de ruimte gestationeerde zonne-energie
Er worden nog steeds vorderingen gemaakt en uitvindingen gedaan die het gebruik en de toegankelijkheid van geconcentreerde zonne-energie verbeteren. Verbeteringen worden voortdurend ontwikkeld en toegepast op CSP-systemen, waardoor ze efficiënter kunnen werken en een verscheidenheid aan utiliteitsprojecten kunnen aandrijven.
Sinds het midden van de 20e eeuw is onderzoek gedaan naar het gebruik van ruimtegebaseerde zonne-energie (SBSP). SBSP is het concept dat zonne-energie in de ruimte kan worden opgevangen en vervolgens naar de aarde of andere planeten kan worden overgebracht om daar als elektriciteit te worden gebruikt. Met SBSP kan het broeikaseffect worden opgelost met minimale gevolgen voor het milieu.
Eén manier om een SBSP-systeem te construeren is door gebruik te maken van geconcentreerde zonne-energie. Deze SBSP-systemen maken gebruik van de techniek van het concentreren van zonne-energie met behulp van spiegels die een vloeistof opwarmen en een turbine aandrijven die elektriciteit opwekt.
Eén obstakel dat het wijdverbreide experimenteren en inzetten van in de ruimte gestationeerde zonne-energiesystemen in de weg staat, zijn de hoge kosten van het verwerven en verzenden van alle benodigde materialen. SBSP kan constante, schone en betrouwbare stroom leveren tegen lagere kosten, maar het zal vele jaren van bouwen, testen, investeren en succesvol inzetten vergen voordat het systeem ook maar een begin kan maken met het goedmaken van de initiële kosten.