De grote getallen van zonthermische krachtcentrales

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.”

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.

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”.

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.

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”.

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.”

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”.