OliNo

Duurzame Energie

FLATCON CSP, een mooi product op zonne-energie

Geplaatst door Marcel van der Steen in Zonne-energie
Tags:
Geef een reactie

Een tijd geleden schreef ik over Concentrating Solar Power, als een mooie duurzame manier om uit zonnestraling een hele hoop elektrische energie te halen en ook nog de mogelijkheid om water te ontzilten. Ik heb onlangs gezien dat het bedrijf Concentrix al een heel eind op weg is met hun invulling van CSP, namelijk met een product als de FLATCON module, die ik in dit artikel wil presenteren in al zijn aspecten.

/wp-content/uploads/2008/articles/FLATCON_complete_tracker_small.jpg


Het FLATCON product

De FLATCON module is een product op basis van CSP dat wordt gepromoot door het bedrijf Concentrix, dat een spin-off is van het Fraunhofer instituut dat in de 90-er jaren de technologie uitgewerkt heeft wat de basis vormt voor dit product.

Het bedrijf heeft als doel het commercialiseren van de FLATCON technology en het is begonnen in 2005, nadat het Fraunhofer instituut al een efficiëntie had aangetoond van 22,7 % met de beste, manueel geproduceerde, modules, en nadat een gedetailleerde kostanalyse liet zien dat dit product met deze technologie mogelijkheden bood in de toekomst, zie ook onderstaand figuur.

Plaatje van FLATCON kost analyse

Figuur: kostenanalyse inschatting voor 2010 voor een FLATCON productielijn

Plaatje van de elektriciteitskosten afhankelijk van de standplaats

Figuur: kosten voor de elektriciteit van het FLATCON product zijn erg afhankelijk van de standplaats

Zoals al eerder aangegeven met CSP, is het belangrijk dat deze modules geïnstalleerd worden in gebieden met een hoge zonne-instraling (in het plaatje de “Global Horizontal Irradiance”). Zoals is te zien is in (Zuid-)Spanje het FLATCON systeem goedkoper dan het bekende fotovoltaïsche zonnepaneelsysteem. Beide plaatjes betreffen een inschatting van de situatie in 2010, waarbij is uitgegaan een tweemaal zo hoge onderhoudskosten voor de FLATCON (vanwege de tracker, zie ook verder).

De FLATCON technologie

Concentreren van zonne-energie

Het product maakt gebruik van de omzetting van zonne-energie in elektrische energie, net zoals de gewone zonnepanelen die we allemaal wel kennen. Echter, dit product concentreert de zonne-energie door gebruikmaking van een (Fresnel)lens; de zonnestraling die op een gebiedje van 4 cm x 4 cm komt wordt geconcentreerd op een kleine zonnecel van 2 mm diameter.

Plaatje van het functioneringsprincipe van de FLATCON module

Figuur: zijaanzicht van de module, het concentreren van de zonnestraling op de zonnecel

De voordelen zijn de volgende:

  • Er is maar een kleine zonnecel nodig om veel energie te ontvangen en om te zetten; deze zonnecel ontvangt nu de lichtenergie van 500 x de oppervlakte van zichzelf. Omdat de kosten van de zonnecel hoog zijn, en omdat er hier maar weinig van nodig is, drukt deze technologie dus de modulekosten. In de plaats hiervan komen lens (glas) kosten en deze zijn veel lager.
  • De zonnecel blijkt efficiënter te werken bij hele hoge concentraties zonne-instraling. Dat verbetert dus in totaal ook de module efficiëntie.

De III-V materiaal technologie

Er kan gebruik gemaakt worden van verschillende celmateriaal-technologiëen. Een voorbeeld zijn de producten op silicium gebaseerd zoals van bedrijven als Amonix of Solarsystems Australia. Het Fraunhofer instituur heeft het geld ingezet op de III-V technologie – die al gebruikt werd voor zonnecellen gebruikt in de ruimte voor satellieten – want zij stellen dat hier hogere efficiënties mee gehaald kunnen worden.

Plaatje van cel-efficiënties van verschillende technologiëen

Figuur: Historische ontwikkeling van efficiënties van III-V samengestelde zonnecellen

Koeling

De zonnecel krijgt een hele hoop zonne-energie te converteren, waardoor deze erg warm wordt. Voor voldoende koeling wordt gezorgd door de cel te monteren op een koperen plaatje. Deze passieve manier van koelen blijkt voldoende om de temperatuur van de zonnecel intern onder de 90 graden te houden bij normale buitentemperaturen.

Je kunt op de volgende detailfoto goed de koperen plaatjes zien. Trouwens ook het vele metaal om de modules te dragen.

/wp-content/uploads/2008/articles/FLATCON_CSP_detail_small.jpg

Figuur: achteraanzicht, met de koperen plaatjes en het frame om alle modules te dragen

Tracker: volgsysteem voor de zon

Het is belangrijk dat de module goed gericht is op de zon, zodanig dat de zonnestralen loodrecht binnenkomen en daarmee afgebeeld worden op de kleine zonne-cel; want bij een iets scheve inval, komen de zonnestralen al vlug deels naast de cel terecht en hiermee wordt energie niet opgevangen en omgezet naar elektriciteit. Er wordt gebruik gemaakt van een volgsysteem dat kennis heeft van de geografische geïnstalleerde positie en een astronomisch algoritme gebruikt om zich te richten, en het gebruikt ook een optische sensor om de lichtinval te meten en te corrigeren voor kleine afwijkingen.

Foto van de optische sensor

Figuur: de optische sensor. Bron Peter Segaar 2007

Samengestelde zonnecellen

In het Engels “compound solarcells”, wat betekent dat de zonnecellen bestaan uit op elkaar gestapelde afzonderlijke cellen, in dit geval drie verschillende typen cellen (in het Engels “triple-junction solarcells”.

Plaatje van de omzetting van licht door een tandemzonnecel

Figuur: een tandemzonnecel deelt het lichtspectrum in tweëen en zet het dan om in elektriciteit”)

Ieder type cel heeft een eigen gevoeligheid voor een specifiek deel van het spectrum van het zonlicht dat erop valt. Uiteindelijk wordt zo een groot gedeelte van het zonlicht geabsorbeerd en omgezet in elektriciteit, wat dus de efficiëntie verhoogt.

De ervaringen met het product

In Lorca, Spanje, is ervaring opgedaan met een FLATCON systeem. Dit systeem had een vermogen onder standaard condities van 5.67 kW en een systeem-efficiëntie van 23 %.

Plaatje van drie trackers in Lorca

Figuur: de energie-centrale bestaande uit drie trackers, in Lorca, Spanje

Men had van te voren bepaald dat een fout in uitlijning met de zon een groot effect heeft op de opbrengst, zoals onderstaand figuur laat zien.

Plaatje met de opbrengst afhankelijk van de zonne-inval-afwijkingshoek t.o.v. de optimale loodrechte inval

Figuur: de hoekafwijking in uitlijning met de zon en de impact op de performance

In Spanje is zodoende bepaald wat de positionerings-fouten waren als gevolg van (1) de nauwkeurigheid van de tracker en (2) het buigen van de plaat waarop alle 120 modules zaten. Middels het integreren van extra meetsensoren is bepaald dat de maximale fout kleiner was dan 0,1 graad, dus de impact op de performance is klein. Men heeft de invloed van wind wel genoemd als zijnde van mogelijke invloed, maar niet gemeten (althans niets gerapporteerd).

Concentrix heeft inmiddels een pilot productielijn van 1 MW per jaar, en is deze aan het uitbouwen naar 25 MW.

Energie terugverdientijd

De energiebalans of de energie-terugverdientijd geeft aan hoe lang het duurt voordat het product zijn eigen energie terug heeft opgewekt. Met de eigen energie wordt bedoeld:

  1. de energie die het kost om het product te produceren. Hierbij bepaalt men de energie nodig voor de grondstoffen en halffabrikaten voor de modules, evenals de energie nodig voor de assemblage en productieprocessen (veelal elektrische energie).
  2. de energie die het kost om het product te onderhouden (vooral de energie opgenomen door de tracker om de zon te volgen)
  3. de energie te wellicht teruggewonnen wordt wanneer men tot recycling overgaat

Zie verder ook dit artikel over de energiebalans.

Alle energiëen worden uiteindelijk omgerekend naar een primaire energiebehoefte. Deze relatie is in ieder land wat anders en afhankelij van hoe de elektrische energie wordt opgewekt. Bijvoorbeeld in Duitsland is deze 2,9 en in Spanje 2,5, dit wil zeggen dat in Duitsland voor iedere elektrische kWh er wordt verbruikt, er 2,9 x 1 kWh aan primaire energie nodig is. In Spanje is er minder primaire energie nodig, waarschijnlijk omdat de energiecentrales daar efficiënter zijn.

Wat mij betreft is deze energiebalans veel belangrijker dan de economische, daar alleen energiegenererende producten met een positieve energiebalans in staat zijn om in onze honger naar energie blijvend te kunnen voorzien. Ook heeft een korte energie-terugverdientijd een relatie met het vermogen CO2 uitstoot te reduceren;hoe korter de terugverdientijd des te meer CO2 wordt bespaart die anders zou zijn gegenereerd door de huidige fossiele verbranding.

Men heeft deze analyse uitgevoerd voor een FLATCON module zoals die in 2005 werd geproduceerd, met een vermogen van 6 kWp. De energie terugverdientijd is te berekenen door gebruik te maken van de volgende formule:

Formule voor berekening energie-terugverdientijd, waarbij:

EPBT de terugverdientijd is in jaren

CEDsystem [J] de totale primaire energievraag is voor de productie

Eel [J] is de elektrische energie die in 1 jaar wordt geproduceerd

Etracking is de energieconsumptie van het trackingsysteem, per jaar

Rprim is de conversie van elektriciteit naar primaire energie, geldend voor het land waar de module werkt.

Productie-energie

Plaatje van de energiekosten bijdrages van onderdelen en productieprocessen voor de FLATCON module

Figuur: de bijdrage van de verschillende onderdelen aan de benodigde (primaire) energie voor de productie van een FLATCON module

Men kan duidelijk zien dat het tracker systeem veel energie vraagt. Dit komt omdat bijna 1000 kg aan staal nodig is voor de tracker. Ook de glazen behuizing is van belang, die hier een tweede plaats inneemt. Men heeft goed gekeken naar de onnauwkeurigheid in de bepaling van de energie benodigd voor deze onderdelen en rekening gehouden met een best en een worst-case. In het totaal komt dit neer op 80.266 MJ aan primaire energie voor de productie (rekening houdend met een factor 2,9 omdat de unit in Duitsland is geproduceerd).

Energie in het gebruik

In operatie gebruikt de module energie voor het tracking systeem. Dit is gesteld op 12 uur tegen 50 W, dus een 219 kWh per jaar. De hoeveelheid opgewekte energie is bepaald van een systeem dat heeft gewerkt in Tabernas, Spanje. Hier leverde een 25,6 m2 module tegen een efficiëntie van 26 % een totaal van 11.888 kWh per jaar. De netto opbrengst is hiermee 11.669 kWh per jaar. Ook deze wordt omgerekend naar de primaire energie en omdat we in Spanje zijn, is deze een factor 2,5 keer hoger, komende op 105.021 MJ (1 kWh is gelijk aan 3,6 MJ).

Energie bij recycling

Vanwege het niet aanwezig hebben van betrouwbare informatie over het recycleproces, is deze fase niet meegenomen in de berekening. Er is in het design wel gelet op het makkelijk recycleerbaar maken van de module, dus er zou energie terugverdiend moeten worden bij recyclage (omdat de materialen hergebruikt kunnen worden).

Resultaat

Energie terugverdientijd formule ingevuld

Er komt dus driekwart jaar uit, oftewel 9 maanden. Houdt men rekening met enige onnauwkeurigheid in de productie-energie berekening dan komt men op 8 à 10 maanden energie-terugverdientijd.

Wanneer het systeem in Duitsland zou worden gebruikt, dan valt de transport-energie grotendeels weg, maar is de opbrengst ook minder vanwege de lagere zonne-instraling. Men heeft de berekening opnieuw uitgevoerd en komt dan op 12 à 16 maanden.

In mijn energiebalans artikel heb ik deze FLATCON toegevoegd in de tabel met energie terugverdientijden. Om de extra parameter EPR uit te rekenen ben ik uitgegaan van een technische levensduur van 25 jaar, vergelijkbaar met overige CSP systemen.

Conclusies

In dit artikel heb ik verteld over een CSP product dat inmiddels in verre ontwikkeling is. De kostenanalyse geeft aan dat het product meer potentie heeft dan de huidige zonnecellen. Veldtesten laten zien dat opbrengsten zodanig zijn dat van energie-terugverdientijden kan worden gesproken van ongeveer 9 maanden bij installatie in Spanje of 14 maanden bij installatie in Duitsland. Dus, energetisch gezien, is het in Duitsland al interessant om dit systeem te installeren en te gebruiken voor de elektriciteitsvoorziening. Men zou kunnen denken langs snelwegen bijvoorbeeld.

Tot slot hoop ik dat we binnenkort meer kunnen horen en zien van dit product en anderen die middels dezelfde technologie werken.

Referenties

Bijna alle referenties kunnen worden gevonden op de website van Concentrix.

De publicatie over de energie-terugverdientijd is middels deze link te verkrijgen.

7 Reacties to “FLATCON CSP, een mooi product op zonne-energie”

  1. Jeanne Eisenhut Says:

    Marcel, this article is awesome! IT NEEDS TO BE IN ENGLISH, where you will get an enthusiastic response by a large audience. This is great!

  2. polderjongen Says:

    Awesome, indeed!

    Marcel, ik heb goede foto’s incl. enkele details van de ISE FLATCON trackers naast het Solar Center in Freiburg (genomen tijdens Intersolar2007). Interesse? Doet u mij even een meeltje, je kent m’n adres…

    Man, man, man, gaat zo door!

  3. polderjongen Says:

    Trouwens, ik heb al in juni 2005 (…) een uitgebreid bericht over de technologie geplaatst (uit der aard niet zo uitgebreid als de olineëers kunnen doen… ;-) ). Zie:

    http://www.polderpv.nl/nieuws_PV4.htm#9jun2005

    Naast snelweg vind ik niet zo’n goed idee, trouwens. Vanwege DEZE reden….:

    http://www.polderpv.nl/nieuws_PV3.htm#9feb2005lossehandjes

    Het gaat u allen goed.

  4. polderjongen Says:

    M.b.t. 3e bericht, 2e link, sorry, links onder dat artikel zijn inmiddels fors verouderd en/of werken niet.

    Hier staat het gedoe rond de zonnepanelen op het geluidsscherm van de A27 (project is inmiddels volgens mij verwijderd en door dummies vervangen…):

    verhaaltje op pagina 5 in oude/2004 Power to the People van de ZPV

    Zegt natuurlijk nog niks over potentiële problemen met “ergens” te plaatsen FLATCON’s, maar die zullen sowieso in zonrijke regio geplaatst gaan worden, en vooralsnog niet op deze breedtes. In landen waar een overheerlijk feed-in tarief heerst voor superschone zonnestroom, bijvoorbeeld…

    deze smakelijke link met de recentste Spaanse tarieven

    ;-)

    Ik neem vanavond (7 december) FLATCON foto’s met me mee!!!

  5. mvdsteen Says:

    Peter, bedankt voor de foto’s; een aantal zijn toegevoegd aan het artikel ter verduidelijking.

  6. polderjongen Says:

    Ah, je hebt de foto’s op je laptop gevonden.

    Schoon, zouden de Vlamingen zeggen.

    Dank, er komen nog een paar opmerkingen van me.

    Als ik tijd heb…

  7. polderjongen Says:

    Briljant artikel, mag nog weer eens gezegd worden.

    Paar aanvullingkjes:

    (1) ben het niet zo eens met het onder een hoed scharen van “CSP” en de Flatcon/Concentrix technologie. In het “spraakgebruik” en, belangrijker nog: de “bedoeling”, wordt CSP nl. nog steeds gereserveerd voor zon-thermische krachtinstallaties zoals de parabolische troggen, de zonnetoren in Sevilla, e.d. Die werken met verhitte vloeistoffen die vervolgens via ingewikkelde stoomturbine circuits uiteindelijk (goedkoop, zo heet het) grootschalig stroom opwekken (en ‘s nachts via o.a. zoutbuffers ook nog stroom kunnen “naleveren”). Dat is toch wel wat anders als pure PV-technologie, wat de Flatcons feitelijk zijn, waarbij ook zonlicht geconcentreerd wordt, maar dan om DIRECT elektriciteit op te wekken, en wel uit (sjieke, dat wel) zonnecellen. De “ware” zonnestroom, dus. Vergelijkbare situatie bij de HCPV (high concentrating photovoltaic) centrale gepland in Australië, die werken ook met multi-junction PV cellen (ruimtevaart spul van Spectralab, de beste cellen momenteel), waar zonlicht in extremo op geconcentreerd wordt. Die laatsten worden trouwens, i.t.t. de Flatcon technologie WEL actief gekoeld, met dikke koperen buizen vol met water die een koelplaat direct onder de chip trachten niet te heet te laten worden…

    Dit niet om zout op slakken te leggen, maar om een duidelijk onderscheid tussen thermische CSP centrales te maken en PV-technologie die (ook) van geconcentreerd zonlicht gebruikt maakt, maar dan op geheel andere wijze. Er zijn overigens talloze startups met hun eigen concentrators voor zonnecellen (diverse gezien op Intersolar2008 in München). PV, dus, geen CSP…

    De vergelijking die – qua levensduur – met “conventionele CSP systemen” wordt gemaakt (gesteld op 25 jaar onder “resultaat”) is dus eigenlijk niet correct, of beter: niet opportuun. Het gaat nl. om zeer verschillende technologieën, en dan is een vergelijking in levensduur niet zo veelzeggend. Uiteindelijk wel voor een energetische “winstrekening”, maar al die centrales moeten nog maar bewezen die beloofde levensduur gaan halen. Ze staan d’r nog maar net (behalve Kramer Junction CSP troggen), en die HCPV is nog niet eens gebouwd. Flatcon moet ook nog harde praktijkdienst bewijzen. Het gaat om hoge temperaturen op zeer kleine cellen, dat is heel wat anders dan hoge temperaturen geconcentreerd op de fraaie armdikke Schott Solar met te verhitte vloeistoffen gevulde vacuumbuizen in de “conventionele” CSP centrales.

    (2) Die 90 graden temperatuur is natuurlijk alleen “houdbaar” bij exotische materialen, nooit voor silicium-gebaseerd spul. Bezien moet worden wat de feitelijke levensduur in de bikkelharde praktijk zal blijken te worden want 90 graden is heet. 90 graden elke dag voor je kiezen, exoot of niet: ga er maar aan staan. Zoals gezegd: HCPV in Victoria (Australïe) project wordt dik watergekoeld, is weer een andere benadering dan de genoemde “passief gekoelde” Flatcon modules. Geforceerde koeling is niet per definitie “duurzaam” te noemen als de levensduur van het dure Spectralab spul dan niet zo lang blijkt uit te pakken onder die hellish condities. Moet allemaal in het economische en energetische kostenplaatje terug te vinden zijn, voordat je harde uitspraken mag doen. Pas in de praktijk te bewijzen.

    (3) Correctiemechanismen voor trackers worden op grote schaal ook bij de zonneoven in Odeillo (Cerdagne, Franse Pyreneëen) gebruikt, een zeer complexe aanpassing (duur!) van een bestaand dubbel spiegel systeem (bleek niet nauwkeurig genoeg in de praktijk). Hoe groter de schaal, hoe ingewikkelder die correcties worden. Typisch probleem van trackers in combinatie met hoge concentratiefactor voor zonlicht. Het gaat om erg kleine cellen, dus correctie moet perfect zijn, anders grote problemen (bij het SunCycle artikel in het NRC van 3/4 november 2007 ging tijdens demonstratie door mismatch een cel “pats” kapot…

    (4) Claim “wanneer het systeem in Duitsland zou worden gebruikt” en “is het in Duitsland al interessant om dit systeem te installeren” (goed voor energieprestatie totaal omdat transport naar Spanje achterwege blijft) is onzin. Concentrator systemen zijn specifiek ontworpen (en geschikt) voor zonnige klimaten. Het Flatcon spul bij Solar Info Center in Freiburg was louter demonstratie en testopstelling, beslist niet om in Duitsland te gebruiken (vooralsnog te duur, te weinig opbrengst in verhouding tot de investering om die onder Duitse instralingscondities te kunnen verantwoorden). Al die concentrators gaan in Spanje, Italië, Griekenland e.d. ingezet worden. In ieder geval waar de beste feed-in tarieven zijn in combinatie met hoge zoninstraling, dus zelfs niet (voorlopig niet) in Bayern… Alleen daarom al acht ik het project om met ingewikkelde (doch slimme) vlakke dubbeldraaischijf concentrator met vergelijkbare multi-junction cellen in Nederland een hachelijke onderneming. Kunnen ze beter in Spanje uittesten voordat ze in NL met geconcentreerd zonlicht en ingewikkelde constructie op “particuliere daken” (bedoeling van het project) gaan experimenteren (en heeft vanwege belabberde SDE condities sowieso geen enkele zin). Desondanks wens ik de heren van SunCycle veel succes toe.

    High concentrating PV plants: zie o.a.

    http://www.sol3g.com/
    http://www.solarsystems.com.au/

    (NL bewerking PPV: http://www.polderpv.nl/HCPV_154MWp_plant.htm )

    Kleine update Concentrix project:
    http://www.polderpv.nl/nieuws_PVactueel.htm#15juli2008_Concentrix_23pct_rendement

Geef een reactie

 

WP Theme & Icons by N.Design Studio
Gebruiksvoorschriften | Privacybeleid Adverteren Entries RSS Comments RSS Log in