Maart 2023
De kracht van geconcentreerde zonthermie
CSP herontdekt als bron voor opwekking thermische energie
De kracht van de zon concentreren tot een nog machtiger energiebron. Dat lijkt een beetje op wat kinderen doen door met een vergrootglas een takje aan het branden te krijgen. Die loep is alleen bij geconcentreerde zonthermie vervangen door een batterij parabolisch gekromde spiegels. Goed voor drie keer zoveel opgewekt vermogen als een zonnepaneel, en door de hogere temperaturen een prima combinatie met bestaande radiatoren in woningen en een ultrakrachtige energiebron voor de industrie.
Bij zonthermie wordt warmte gegenereerd door het opvangen en absorberen van zonne-energie. De verschillende technieken daarvoor zijn grofweg in te delen in drie varianten. Dat zijn de vlakke plaat die efficiënt is tot 50 ºC en de vacuümbuizen die efficiënt zijn tot 90 ºC. De minst bekende techniek zijn de zonnespiegels die de zonne-energie centreren en efficiënt blijven tot maar liefst 400 ºC.
‘Geconcentreerde zonthermie’ is de therm waarmee deze laatste techniek wordt aangeduid. Of vaker nog met de internationale benamingen ‘Concentrated Solar Power’ (CSP) als het doel is elektriciteit op te wekken of ‘Concentrated Solar Thermal’ (CST) als er primair warmte wordt gewonnen. Hiervoor zijn op hoofdlijnen twee verschillende systemen, te weten volledige parabolische spiegels en parabolische trogspiegels.
Parabolisch schotelsysteem
Een parabolisch schotelsysteem bestaat uit een parabolische puntfocusconcentrator in de vorm van een schotel die zonnestraling reflecteert op een ontvanger in het brandpunt. Deze ‘concentrators’ zitten op een twee-assig frame om de zon te volgen. De verzamelde warmte wordt meestal rechtstreeks gebruikt door een warmtemotor die op de ontvanger is gemonteerd en met de schotelstructuur meebeweegt. Deze schotel kan extreem hoge temperaturen bereiken en is veelbelovend voor gebruik in zonnereactoren voor het maken van zonnebrandstoffen die zeer hoge temperaturen vereisen. ‘Denk bij deze solar fuel aan bijvoorbeeld kerosine uit waterstof en/of in combinatie met koolstofverbindingen’, legt Sietse de Haan uit. Als voorzitter van de Vereniging voor Zonnekrachtcentrales verdiept hij zich sinds 2007 in geconcentreerde zonthermie vanuit een persoonlijke interesse als natuurkundige. ‘Een bijzondere variant binnen parabolische spiegels vormen de ‘power towers’, ofwel centrale ontvangersystemen. Deze maken gebruik van zonvolgende spiegels, heliostaten genaamd. Deze richten zonlicht op een ontvanger op de top van een toren. De temperatuur van die ontvanger kan oplopen tot boven de duizend graden. Meestal wordt er stoom van gemaakt om hetzij een conventionele turbinegenerator aan te drijven die elektrische stroom produceert, hetzij direct te gebruiken als proceswarmte voor de productieprocessen van de zware industrie.’
‘Waar zonnepaneel rendement van 20 procent haalt, haalt trogspiegel rendement van 70 procent’
Aalborg CSP levert met een geïntegreerd zonthermisch energiesysteem in Port Augusta (Australië) de energie voor de verwarming en elektriciteit van 200.000 m2 aan tomatenkassen.
Parabolische trogspiegels
In een parabolisch trogsysteem wordt de zonne-energie geconcentreerd door parabolisch gekromde, trogvormige reflectoren op een warmteabsorberende buis, die ongeveer een meter boven het gebogen oppervlak van de spiegels loopt. De temperatuur van de warmteoverdrachtsvloeistof die door de pijp stroomt, meestal thermische olie, stijgt daardoor van 20 ºC naar 400 ºC. De warmte-energie wordt vervolgens gebruikt in het thermische vermogensblok om elektriciteit op te wekken in een conventionele stoomgenerator. De Haan: ‘De concentratiefactor is iets lager, omdat de warmte niet allemaal naar één punt gaat, maar de spiegel is doorgaans wel groter met een standaardmaat van zes meter in de breedte. Bovendien is het mogelijk om de temperatuur te regelen door de doorloopsnelheid van de vloeistof te manipuleren.’ Naast lange reeksen van parabolische trogspiegels die allemaal in eenzelfde hoek staan opgesteld, bestaat er als variant het Fresnelsysteem. Een dergelijk collectorveld omvat een groot aantal trogspiegels die zijn opgesplitst in smalle repen vlakke spiegels, die juist stuk voor stuk onder een iets andere hoek zijn geplaatst.
De energie van zonvolgende spiegels (heliostaten) wordt opgevangen in een ‘power tower’ die er stoom of proceswarmte van maakt.
Warmtevraag afdekken
Voor de Nederlandse markt gooien vooral de volledige parabolische spiegels en parabolische trogspiegels hoge ogen. Waar het zonnepaneel een rendement van hooguit twintig procent haalt, haalt de trogspiegel een rendement tot wel zeventig procent. Bovendien is het vinden van locaties geen probleem, want als er ruimte is voor velden met pv-panelen, dan is er ook ruimte voor CSP-spiegels. Het moment waarop parabolische spiegels de pv-panelen inhalen, is daarom slechts een kwestie van tijd aldus de Haan. De Haan heeft wel een verklaring waarom CSP ondanks de sterke prestaties in de praktijk voorlopig nog achterblijft. ‘CSP werd voor het eerst toegepast in de jaren ’80 in de Verenigde Staten vanwege de oliecrisis. In die tijd waren zonnepanelen niet te betalen, en de CSP-spiegels werden gebruikt om elektra op te wekken. Maar toen de olie weer goedkoper werd, stagneerde de ontwikkeling van CSP en inmiddels deden fotovoltaïsche installaties opgang.’ Sinds een jaar of vijftien is CSP volgens hem herontdekt, maar staat dus nog wel op achterstand. Bovendien kijkt iedereen alleen nog maar naar de techniek als bron voor elektriciteit, maar in die stap gaat veel energie verloren, terwijl er heel veel andere mogelijkheden zijn om groene elektra te maken. De Haan: ‘Er komen nu steeds meer studies die aantonen dat het energetisch economischer én financieel aantrekkelijk is om de pure warmte te benutten. Daarmee zou een groot deel van de warmtevraag van Nederland kunnen worden afgedekt; alle rapporten over de energietransitie geven aan dat de vraag naar thermische energie voor de industrie vele malen groter is dan de totale vraag naar elektriciteit. Bovendien laat warmte zich veel beter opslaan dan elektriciteit.’
De trogspiegel van Azteq bij het bedrijf ADPO in de haven van Antwerpen.
Snel stijgende vraag
‘Elke industrie die behoefte heeft aan thermische energie kan CST gebruiken’, zegt Peter Vandeurzen, BusDev director en co-founder van Azteq, een Belgische ontwikkelaar van paraboliosche spiegels. ‘Voor industriële processen op lagere temperaturen zijn er alternatieven zoals geothermie, warmtepompen en restwarmte. Voor proceswarmte op hogere temperaturen, boven de 90 ˚C, zijn er naast CST zeer weinig volledig duurzame warmtebronnen.’
‘Via het Azteq CST-platform wordt hete industriële thermische olie via een wisselaar omgezet naar diverse warmtebronnen, zoals stoom, hete procesolie, hete lucht, en warm water. Voor de installatie maken we gebruik van gespecialiseerde onderaannemers die door Azteq worden opgeleid.’ Vandeurzen ziet vooral toepassingen in de chemie, bij brouwerijen, drogerijen, metaalverwerkers, en vergelijkbare warmte-intensieve sectoren. ‘Verduurzaming via thermische energiebronnen heeft nog een lange weg af te leggen. De onzekerheid over de beschikbaarheid van steeds duurder wordende fossiele brandstoffen en de geopolitieke omstandigheden zorgen echter wél voor een snel stijgende vraag naar duurzame thermische bronnen. Het aandeel van CST zal daarom in de komende jaren alleen maar blijven groeien.’
‘De vraag naar thermische energie is voor de industrie vele malen groter dan de totale vraag naar elektriciteit’
Efficiency van de vlakkeplaatcollectoren, vacuümbuiscollectoren en paraboolspiegels op locatie in Potsdam uitgezet tegen de temperatuurstijging.
Australische woestijn
Dat ziet ook Andreas Zourellis van het Deense Aalborg CSP. ‘In principe voorzien thermische zonne-installaties en CST in de energiebehoefte van diverse industrieën, zoals de vlees-, zuivel- en drankenindustrie, maar ook voor de landbouw en mijnbouw.’ Thermische zonnesystemen kunnen volgens hem ook worden gezien als ‘zonneboilers’ met dezelfde werkingsvoorwaarden en principes als conventionele ketels. ‘Het enige verschil is dat de brandstof gratis van de zon komt. De thermodynamica en hydrauliek zijn gelijkwaardig aan de bestaande infrastructuur en in de praktijk kan een CST-systeem parallel aan bestaande apparatuur worden geïnstalleerd zonder dat grote integratiewerkzaamheden nodig zijn. De CST-warmte kan dan direct worden gebruikt, worden opgeslagen in een thermische batterij, of worden omgezet in elektriciteit of koeling of zelfs zoet water via een door warmte aangedreven ontziltingseenheid.’ Het industriële ‘vlaggenschip’-project van Aalborg CSP is een geïntegreerd zonthermisch energiesysteem in Port Augusta, dat in de Australische woestijn energie levert in de vorm van verwarming, elektriciteit en ontzilt water voor een oppervlakte van 200.000 m2 aan tomatenkassen. Dit systeem levert tijdens een gemiddeld weerjaar 20.000 MWh verwarming en 1.700 MWh elektriciteit voor de gewassen, terwijl het bijna 250.000 m3 ontzilt zeewater produceert dat wordt gebruikt voor irrigatie. Zourellis voorspelt een dominante toekomst van CST. ‘Het is een bewezen technologie die een betrouwbare en veilige levering van proceswarmte garandeert tegen een vaste prijs gedurende meer dan dertig jaar, met zeer lage operationele uitgaven. Dat brengt industrieën een flinke stap dichter bij het bereiken van de duurzaamheidsdoelstellingen voor 2030 en 2050.’
Tekst: Kerstin van Tiggelen
Fotografie: Vereniging voor Zonnekrachtcentrales, Azteq en Aalborg CSP
Meer weten over de nieuwste installatietechnieken en de laatste richtlijnen?
Meld u dan nu aan voor onze gratis tweewekelijkse nieuwsbrief.