OliNo

Dit artikel geeft inzicht in een niet voor iedereen bekende manier van elektriciteitsopwekking, die goedkoop is en natuurlijk ook duurzaam. Het is een welkome aanvulling op de mix van duurzame energieopwekkers zoals PV en windenergie.
Mijn interesse werd gewekt toen ik las dat een gebied van 25 x 25 km genoeg was om geheel Duitsland te voorzien van elektriciteit; jaar-in jaar-uit!! Het heeft ook de interesse van minister Brinkhorst gewekt.

Het principe

Zontermische krachtcentrales oftewel Concentrated Solar Power (CSP) komt neer op het produceren van stoom van water, olie of zout in absorbers, via het concentreren van zonne-energie dmv spiegels. Deze stoom zorgt dan weer voor het aandrijven van een turbinegeneratorset en kan worden gebruikt voor het opslaan van warmte in bijvoorbeeld gesmolten zoutopslagvaten. De restwarmte kan gebruikt worden voor het ontzilten van zeewater, zodat er tevens drinkwater geproduceerd wordt.

Er kan kosteneffectief worden geproduceerd in landen waar de zon heel vaak schijnt, bijvoorbeeld Marokko, Turkije en zelfs ook Spanje, Italië en Malta. Dit is inclusief de transport van de gegenereerde elektriciteit van deze landen naar het noorden van Europa, zie ook de voorbeeldberekening verderop.

Spiegels

Er zijn verschillende soorten spiegels, die allen de zonnestralen concentreren en hiermee zorgen voor een significante temperatuursverhoging op die plek waar de zonnestralen bij elkaar komen. Je hebt spiegelsystemen die zorgen voor concentratie in een brandlijn (trogspiegels, Fresnel spiegels),

en -systemen die zorgen voor concentratie in een brandpunt (zonnetoren en parabolische spiegel).

De laatste halen hogere opgewekte temperaturen (ipv 400 graden wel 1000 graden Celsius en voor de parabolische spiegel zelfs nog hoger) maar moeten wel nauwkeuriger de zon volgen. De hogere temperatuur is een voordeel wat later nog genoemd wordt.

Zie ook de technische uitleg zoals te lezen is op de website van de zon is de toekomst.

Het ontzilten van zeewater

Afvalwarmte, dat kan worden betrokken van het water dat de turbine al heeft doen draaien, kan gebruikt worden om zeewater te ontzilten, zodat er van het zoute water zoet water gemaakt wordt. Een mogelijk proces is het MED proces (Multiple Effect Desalination or Destillation) dat wordt hier uitgelegd.

Opwekking wanneer er geen zon is

Dat kan op twee manieren; het gebruiken van bijvoorbeeld een gasverbranding om de stoom te genereren wanneer er geen zon is, of door het spiegelveld te overdimensioneren. Hierdoor kan overdag de extra niet afgenomen warmte worden opgeslagen in een warmtebuffer. Wanneer er dan geen zon is, dan kan de warmte uit de warmtebuffer worden gebruikt om de stoom te genereren die nodig is om de turbines elektriciteit te laten genereren.

We moeten dan letten op twee uitdagingen als het gaat om opslag. Nl de opslag nodig om de verschillen in een etmaal op te vangen, en de opslag nodig om de verschillen in een jaar op te vangen; er is verschillende zonnesterkte, zonnehoek en daglengte over het jaar, wat vraagt om jaaropslag.

De dagopslag of etmaalopslag is te verwezenlijken dmv het opslaan van warmte in een mengsel van gesmolten zouten (opgewarmd zout is dan 384 graden en ‘afgekoeld’ zout 291 graden, steeds in gesmolten toestand). Gaan we dan rekenen, dan zien we dat er veel zout nodig is, en wellicht is het beter om materialen te gebruiken die in het relevante temperatuurgebied smelten, waarvoor veel meer energie nodig is en dus per kg aan materiaal ook meer opgeslagen kan worden.

De jaaropslag is een uitdaging van andere orde. Op www.gezen.nl (de techniek) kun je hier meer over lezen. Het gebruik van waterstof blijkt niet efficient door het lage rendement van de elektrolyse van water, en tevens zouden immense hoeveelheden waterstof opgeslagen moeten worden. Het gebruik van een vaste stof met grote chemische potentie (bijv zink) biedt meer perspectief. De chemische reactie die nodig is vraagt een hele hoge temperatuur (1700 graden) die alleen haalbaar is met parabolische spiegels; zie hier dus het voordeel van de hoge temperaturen die opgewekt kunnen worden. Het zoeken naar een oplossing van dit probleem, is m.i. een actie die breed ondersteund en dus gefinancierd moet worden en moet niet een reden zijn van het afwijzen van deze duurzame energiebron.

Transport van elektriciteit naar de minder zon toebedeelde gebieden

We wonen in Nederland (of België) nietwaar? Daar schijnt de zon niet genoeg om CSP tot een kosteneffectieve manier te gebruiken. We hebben dan import nodig van de door CSP opgewekte elektriciteit en over afstanden van 3000 km is daar een HVDC lijn het enige efficiënte middel voor.

HVDC staat voor High Voltage DC. Met DC wordt bedoeld een constante stroomrichting, en met hoog voltage bedoelen we voltages tot 800 kV. Door het gebruik van hoge voltages (zelfs hoger dan de spanningen gebruikt bij onze hoogspanningsmasten, die tot 380 kV gaan), kan de stroom laag gehouden worden voor het transporteren van een hoeveelheid vermogen. Door het gebruik van DC ipv AC (wat het wisselen van stroomrichting inhoudt en gebruikt wordt in onze hoogspanningsleidingen) hebben we niet de verliezen agv het laden en ontladen van de ladingscapaciteit van de kabel. Deze zogenaamde AC verliezen (zo genoemd omdat we ze tegenkomen in AC stroomkringen) zouden over de lange afstand tot onacceptabele efficiency verlaging leiden.

De HVDC lijnen bieden tevens de mogelijkheid om alle landelijke netwerken aan elkaar te koppelen. De landelijke netwerken zijn niet altijd met elkaar gesynchroniseerd, en kunnen dan middels HVDC toch aan elkaar gekoppeld worden.

Voorbeeldberekening en wat vuistregels

Voorbeeldberekening voor levering van CSP uit Marokko naar Nederland

Uit de juli 2006 nieuwsbrief van Stichting PeakOil Nederland, heb ik een mooie berekening kunnen halen. Deze gaat uit van door CSP opgewekte en getransporteerde elektriciteit van een land als Marokko naar Nederland.

Er wordt gesproken over een transport verlies van 5 %, terwijl ik elders een transportverlies van 3 % per 1000 km heb gevonden. Het lijkt me realistischer om van dit laatste uit te gaan, omdat hier expliciet de verliezen afhangen van de afgelegde afstand, wat me logisch lijkt. Vandaar dat het berekende resultaat wat zal afwijken van de in de nieuwsbrief genoemde getallen.
Totaal transportverlies over 3000 km, zal dan 9 % zijn. In het genoemde document komt een door Sargent en Lundy inschatting naar voren die 52 €/MWh voor de paraboolspiegelvariant en 48 €/MWh voor de zonnetoren bedraagt (in het jaar 2020). Waneer ik nu 1 MWh wil hebben, moet ik dus 1/0.91 = 1,1 MWh opwekken, dus 0,1 MWh extra. Dit kost 5,2 € wanneer opgewekt door de parrabolspiegelvariant en 4,8 € voor de zonnetoren.

Verder hebben we te maken met grensovergangen, daar waar de ene landelijke netbeheerder een verbinding heeft met een andere landelijke netbeheerder. Voor iedere “passage” moet betaald worden. Behalve energieverlies in de leidingen moet ook rekening worden gehouden met verschillende tarieven die betaald moeten worden bij de grensovergangen.

overgang	jaarfee
Marokko-Spanje	niet bekend
Spanje-Frankrijk	6,72 €/MWh
Frankrijk-België	0,76 €/MWh
België-Nederland	4,7 €/MWh

Als we alle kosten bij elkaar optellen dan krijgen we voor de beide technieken de volgende getallen:

kosten [€/MWh]	Paraboolspiegel	Zonnetoren
opwekking	52	48
transportverlies	5,2	4,8
interconnectorfee	12,18	12,18
totaal	69,38	64,98

De groothandelsprijs voor een MWh bedraagt voor 2006 55 €/MWh. Commercieel gezien is CSP niet haalbaar door de
interconnectorfee. Echter de tendens van de CSP kosten is omlaag en de tendens van de goothandelsprijs is omhoog. We kunnen verwachten dat binnen vijf jaar de CSP kosten lager zullen liggen dan fossiele brandstoffen.

Kanttekening, uit het rapport CSP now, report Greenpeace et al, Sept 2005, haal ik ook wat kostentrends voor beide opwekmogelijkheden, die praten over middellange en lange termijn:

kosten [€/MWh]	Zonnetoren	Ref
opwekking korte termijn	170	Spain, a 10 MW PS10 plant
opwekking midden termijn	85	100 MWe Rankine-cycle plant met opslag
opwekking lange termijn	50	200 MWe Rankine-cycle plant met opslag voor gebieden met > 2700 kWh/m²

kosten [€/MWh]	Paraboolspiegel	Ref
opwekking korte termijn	150	10 kWe parabool/Stirling eenheid
opwekking midden/lange termijn	40	10.000 eenheden per jaar geproduceerd

Een mooie noot is dat de USA ontwikkelaar SES in 2005 verkondigde dat, wanneer koopovereenkomsten van 500-1000 MWh zouden worden gesloten voor deze parabool/Stirling eenheden, zij elektriciteit konden leveren tegen de kosten van conventioneel gegenereerde elektriciteit!

Enkele vuistregels verkegen uit diverse artikels

parameter	waarde	bron
Jaargemiddelde opgewekte CSP energie op gunstige locatie (Marokko)	4.7 kWh/m²	www.gezen.nl, techniek
Opp woestijn nodig om met CSP 1 GW te genereren (dag en nacht)	34.4 km²	www.gezen.nl, techniek
Totale primaire energieverbruik wereld	14000 GW	www.gezen.nl, techniek
HVDC verliezen / 1000 km	3 %	Website TREC
Minimale kabellengte in zee waarbij HVDC hogere efficiëntie heeft dan HVAC	50 km	Wikipedia HVDC
Minimale kabellengte over land waarbij HVDC hogere efficiëntie heeft dan HVAC	700 km	Wikipedia HVDC
Minimale benodige jaarlijks invallende zonnestraling per m² om CSP rendabel te kunnen voeren (rekening houdend met wolken, stof en rook)	2000 kWh	CSP now!

Het CSP potentieel

Deze tabel komt rechtstreeks van CSP now, report Greenpeace et al, Sept 2005, en toont het potientieel van CSP in de Middellandse zeelanden, Noord-Afrika en Midden-Oosten.

land	economisch potientieel	in gebruik tot 2050	Direkte Normale Instraling
	TWh/jaar	TWh/jaar	kWh/m²/jaar
Cyprus	20	1	2200
Iran	20000	349	2200
Iraq	28647	190	2000
Israel	318	29	2400
Jordanië	6429	40	2700
Saudi Arabië	124560	135	2500
Algerije	168972	165	2700
Egypte	73656	395	2800
Marokko	20146	150	2600
Griekenland	4	4	2000
Italie	7	5	2000
Portugal	142	6	2200
Spanje	1278	25	2250
Turkije	131	125	2000

Voordelen van CSP

1. Zonthermische krachtcentrales slaan een deel van de overdag verkregen hitte op in tanks met bv. gesmolten zout. Hiermee kan ‘s avonds en ‘s nachts stoom en dus electriciteit worden gemaakt. Extra branders die op gas of waterstof werken zorgen voor een continue levering tijdens de schaarse bewolkte dagen.

2. Zonthermische krachtcentrales kunnen nu al vrij goedkoop stroom leveren, en zijn binnen 10 jaar goedkoper dan olie- of gasgestookte centrales.

   	2002	2030
   PV: zonnecellen, zonnecollectoren	31-38	15-32
   CSP: zonthermische krachtcentrales	8 -14	5 -10

   Bron: World Energy Outlook 2004, IEA, Parijs.

   WAARSCHUWING: Die prijsdaling komt niet vanzelf ! Alleen als er nu begonnen wordt met de systematische bouw van nieuwe zonthermische centrales, jaar in jaar uit, zullen die centrales steeds goedkoper worden.

3. De afvalwarmte van de zonthermische krachtcentrales kan zeer goed gebruikt worden om zeewater te ontzilten. Er wordt dan naast elektriciteit ook zoet water geleverd. Hieraan is in de droge gebieden waar de zonthermische centrales zullen komen een toenemende behoefte en is dus een groot voordeel voor de regio en dus de localee bevolking waar de CSP gepland staan. Ontwikkelingshulp met een win win situatie. De mensen kunnen een bestaan opbouwen dankzij de energiecentrale doordat het werk genereert en drinkwater. Politiek instabiele regio kunnen hierdoor stabiel worden.

4. Zonthermische centrales zijn zeer geschikt om waterstof te produceren.

5. Er komt geen CO2 bij vrij en dus zal het klimaat hierdoor niet veranderen. Het maakt verder direct gebruik van een onuitputtelijke energiebron, de zon.

6. Als we als Europa meedoen aan de bouw van CSP centrales in zowel Zuid-Europa als ook Noord-Afrika, dan is dat een grote stimulans voor de Europese bedrijvigheid en tevens het werken aan een duurzame toekomst. Europese high-tech bedrijven kunnen de trubines en de absorbers leveren.

CSP Projecten

Op de website van TREC zijn de volgende twee projecten te vinden:

1. 5 MW proefplant in Jordanië, die moet zorgen voor het opbouwen van nog meer praktische kennis met CSP. Het project zorgt voor een elektriciteitscapaciteit van 5 MW en een watercapaciteit van 1.7 Mm³/jaar heeft.
2. Sana’a Zon Water project (Sana’a Solar Water project). Sana’a is een gebied met 2 miljoen inwoners, die afhankelijk zijn van een eindige waterbron. Het project moet zorg dragen voor generatie van 1250 MWh elektriciteit en 1000 Mm³/jaar aan water.

Verder in het CSP now, report Greenpeace et al, Sept 2005 document, nog enkele meer:

1. Zonnetorens met gesatureerde stoomopvanger en stoomdrum opslag PS10 en PS20 (1×10 MWe en 2×20 MWe), door de Abengoa groep (Spanje).
2. Zonnetorens met gesmolten zout opslag, 15 MWe totaal, door SENER (Spanje)
3. Paraboolspiegel van 0.4 MWe, bestaande uit een 8-disk/Stirling systeem, door Stirling Energy Systems (California).
4. Paraboolspiegel van 0.1 MWe, bestaande uit een 6-disk/Stirling systeem, door SBP en Partners, (Eurodish demonstrations)
5. Compacte lineaire Fresnel spiegels, 50 MWe, Macquarie Generation (Australië)

Interesse gewekt?

Heel veel interessante informatie (daar heb ik ook mijn informatie van) is te vinden op de volgende websites:

www.gezen.nl (info in het Nederlands)

Deze stichting heeft een zeer lovenswaardig doel: het op ruime schaal bekendheid geven aan de grote voordelen van zonthermische krachtcentrales voor de oplossing van het monidale energieschaarsteprobleem, het drinkwaterprobleem in de droge landen en het verzachten van de gevolgen van het antropogeen broeikaseffect.
Je kunt je op de website opgeven voor een abbonement op de informatiekrant.
Ook kun je de stichting steunen, zie daarvoor ook de website.

www.TRECers.net (info in het Engels)

De kern van TREC wordt gevormd door een internationaal netwerk van wetenschappers, politici en experts in het veld van duurzame energiebronnen en hun ontwikkeling. TREC staat voor Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation (Trans Mediterrane Duurzame Energie Samenwerking). De club heeft een realiseerbaar concept voor energie, water en klimaat veiligheid ontwikkeld; rapporten en samenvattingen ervan zijn te vinden op de website.