Zonne energie is binnenkort rendabel mits je op de goede plaats de juiste technologie toepast.

Transcriptie

1 Samenvatting Zonthermische krachtcentrales passen CSP technologie toe, waarbij door spiegels geconcentreerde zonnestraling de stoomketel van een conventionele centrale voedt. Een oppervlak zo groot als Frankrijk, verdeeld over de woestijnen, kan de hele wereld van zonne energie voorzien. Dankzij thermische opslag kan een zonthermische krachtcentrale dag en nacht stroom leveren. Als de wereld de investeringen in CSP hervat kan zonnestroom binnen 10 of 15 jaar even goedkoop worden als kernstroom. Abstract Solar thermal power stations apply CSP technology. Mirrors concentrate solar radiation onto the boiler of a conventional power station. An area with the size of France, distributed over the deserts of the world, is sufficient for supplying the whole world with solar energy. Thermal storage enables around the clock generation of electricity. When the investments in CSP are resumed solar electricity can become just as cheap as nuclear electricity. Zonne energie is binnenkort rendabel mits je op de goede plaats de juiste technologie toepast. De mensheid wordt zich in toenemende mate bewust van de grote problemen die het voortbestaan van onze beschaving bedreigen. De

2 gemiddelde temperatuur op aarde neemt toe door de exponentieel toenemende uitstoot van broeikasgassen, waarvan CO 2 de belangrijkste is. Voor Nederland is de stijging van de zeespiegel zeer bedreigend. Als de ijskap van Groenland volledig smelt zal de zee met 6 meter stijgen. Het lijkt mij tamelijk onwaarschijnlijk dat de duizenden kilometers aan zeeweringen en rivierdijken adequaat versterkt kunnen worden. Onze kleinkinderen zullen moeten vluchten. Niet alleen Nederland, maar het grootste deel van de mensheid wordt bedreigd door de klimaatverandering en een toenemend gebrek aan water en goedkope energie. Oorlogen om de laatste druppels olie kunnen catastrofale gevolgen hebben. We hebben met mondiale problemen te maken. Die moeten daarom op een mondiale schaal opgelost worden. In het vorige themanummer over de energievoorziening wees prof. de Jong op de enorme potentie van zonne energie [1]. In dit artikel zal ik aantonen dat zonthermische krachtcentrales in de woestijnen, op een oppervlak zo groot als Frankrijk, in staat zijn om de hele wereld van alle vormen van energie te voorzien, en dat deze optie al op korte termijn rendabel kan worden gemaakt. door dr.e.h.du Marchie van Voorthuysen * * Directeur van de Stichting ter bevordering van Grootschalige Exploitatie van Zonne ENergie (GEZEN), De enorme potentie van zonne energie bracht mij er toe om in 2003, na mijn vervroegde pensionering als universitair docent natuurkunde aan de Rijksuniversiteit Groningen, mij volledig te gaan wijden aan de krachtigste hernieuwbare energiebron die de mensheid is gegeven.

3 Iedereen kent de fotovoltaische zonnepanelen. Deze technologie wordt vaak aangeduid met de afkorting PV: Photo Voltaïcs. Zonthermische krachtcentrales zijn echter nauwelijks bekend. Deze centrales gebruiken spiegels waarmee de zonnestralen worden geconcentreerd op de stoomketel van een conventionele thermische electriciteitscentrale. De technologie wordt aangeduid als Concentrating Solar Power, afgekort CSP. In de periode werden in Californië negen zonthermische krachtcentrales gebouwd met een gezamenlijke capaciteit van 350 MWe, die allemaal nog functioneren. De CSP technologie heeft een aantal voordelen ten opzichte van PV. Het belangrijkste voordeel heeft betrekking op de kosten. Electriciteit uit een zonthermische krachtcentrale is veel goedkoper dan electriciteit uit een centrale die uit zonnepanelen bestaat. Volgens het International Energy Agency schelen de kosten een factor 3, zowel nu als over 25 jaar [2]. Dit prijsverschil is gemakkelijk te begrijpen. Om zonne energie op wereldschaal te oogsten moeten honderdduizenden vierkante kilometer worden bedekt met een primair oppervlak dat de zonnestralen opvangt. De totale opwekkingskosten worden voornamelijk bepaald door de investeringskosten per vierkante kilometer. Bij PV bestaat dit primaire oppervlak uit foto electrische cellen. Bij CSP bestaat dit oppervlak uit spiegels. Iedereen weet dat spiegels goedkoper zijn dan zonnepanelen, en dat dit vermoedelijk altijd zo zal blijven. Talloze vroegere collega s heb ik de vraag voorgelegd om twee technologieën te noemen waarmee electriciteit kan worden gemaakt uit zonnestraling. Iedereen noemde PV, maar CSP werd door vrijwel niemand genoemd. Ook in het artikel van prof. de Jong [1] wordt CSP

4 volkomen verzwegen. Een twee jaar durende intensieve studie heeft mij tot de overtuiging gebracht dat er geen enkel wetenschappelijk of economisch valide argument bestaat die de tegenwerking die de CSP technologie nu al vele jaren ondervindt rechtvaardigt. Maar gelukkig gloort er hoop. In 2005 zijn er wereldwijd plannen bekend gemaakt voor nieuwe zonthermische krachtcentrales met een totale capaciteit van maar liefst 1,4 gigawatt. Het jaar 2005 kan hierdoor aangemerkt worden als het geboortejaar van de solar age, het tijdperk van de zonne energie. Zonne energie wordt booming business. Ik hoop en verwacht dat de Nederlandse installatiebedrijven, de Nederlandse industrie en Nederlandse zon exploitatiemaatschappijen een ruim aandeel hiervan zullen opeisen. TECHNISCHE UITVOERING VAN CSP Spiegelsystemen Er bestaan twee soorten van spiegelsystemen waarmee de zonnestralen worden gecontreerd, spiegelsystemen met een brandlijn en systemen met een brandpunt. De hoogste temperaturen worden bereikt met spiegelsystemen die een brandpunt hebben omdat hierbij de concentratiefactor het hoogst is. Van spiegelsystemen met een brandlijn zijn de parabolische trogspiegels het meest bekend, zie Fig.1 links boven; de zonthermische krachtcentrales in de Mojave woestijn in Californië gebruiken trogspiegels die 5 meter breed zijn en 12 meter lang. De honderden meters lange rijen van spiegels staan in een Noord Zuid richting opgesteld. Bij zonsopkomst staan ze

5 naar het Oosten gericht, om 12 uur wijzen ze recht omhoog, en bij zonsondergang wijzen ze naar het Westen. In de brandlijn stroomt hittebestendige olie door een roestvrijstalen buis met een diameter van 7 cm. De buis is bedekt met een spectraal selectieve laag die geoptimaliseerd is op 400 o C. Deze laag absorbeert de kortgolvige zonnestralen (de zon is immers een zwarte straler met een temperatuur van 6000 Kelvin). De laag reflecteert echter de langgolvige infra rood straling die een zwarte straler van 400 o C uitzendt. Warmteverlies door geleiding en stroming wordt geminimaliseerd door de buis te monteren in een wijdere glazen buis die vacuum gepompt wordt. De hete olie staat zijn hitte af in een stoomketel, waarin oververhitte stoom wordt gegenereerd die in de turbine expandeert. Aangezien de rotatieas voor de dagelijkse draaiing van de trogspiegels niet samenvalt met de brandlijn, zijn er aan het eind van de spiegelrijen gecompliceerde flexibele koppelingen nodig in de olieleidingen die absoluut lekvrij moeten zijn. Er is op het Europese CSP laboratorium bij Almeria in Spanje veel succesvol onderzoek gedaan naar de mogelijkheid om de olie uit te bannen, en rechtstreeks stoom te gaan genereren in de brandlijn van de trogspiegels. Trogspiegelsystemen worden gefabriceerd door een Duits en door een Israelisch bedrijf.

6 Spiegelsystemen in de CSP technologie Figuur 1. Het andere spiegelsysteem met een brandlijn is de Lineaire Fresnel Reflector, Fig.1 links onder. Licht gekromde spiegels met een breedte van 50 cm en een lengte van honderden meters draaien ieder om hun eigen as zodanig dat de gereflecteerde bundels van 48 aaneensluitende spiegels samenvallen op een sterk gekromde secundaire spiegel, en daarna een dikwandige stalen buis verhitten waarin stoom wordt opgewekt. De rotatie van de spiegels wordt bewerkstelligd door tandwielen op wormwielen die op een gemeenschappelijke as zitten. Dit systeem is uitgebreid geoptimaliseerd op slijtagevastheid voor ruwe woestijnomstandigheden en gepatenteerd door het helaas faillliet gegane Belgische bedrijf

7 Solarmundo. Daarnaast is het systeem geoptimaliseerd op modulariteit en minimalisatie van het aantal verschillende onderdelen. De octrooien zijn overgenomen door een Duits bedrijf die in staat is om volledige zonthermische krachtcentrales te leveren. Daarnaast is in Australië een Fresnelspiegel fabrikant actief en wordt aldaar een Fresnelspiegelveld gebouwd naast een bestaande kolencentrale. Hiermee kan overdag een flinke hoeveelheid kolen bespaard worden. De top van een zonnetoren, Fig. 1 rechts boven, wordt beschenen door een veld met honderden licht gekromde spiegels en vormt het gemeenschapelijke brandpunt van een enorm groot oppervalk aan spiegels. Zeer hoge temperaturen, tot 1000 o C, zijn mogelijk. De afzonderlijke spiegels, ook wel heliostaten genoemd, draaien onafhankelijk van elkaar om twee assen om de beweging van de zon te compenseren. In Californië is een beperkte commerciële ervaring opgedaan. Er is vorig jaar begonnen aan de bouw van een zonnetoren met een capaciteit van 10 MWe in de buurt van Sevilla, Spanje. De allerhoogste temperaturen zijn bereikbaar met zonneschotels, Fig. 1 rechts onder. Net als de heliostaten moeten zij om twee assen roteren om het beeld van de zon op de gewenste positie te houden. In die positie bevindt zich een Stirlingmotor die een generator aandrijft. Een Amerikaans bedrijf produceert zonneschotels met een diameter van 11 meter en een Stirling generator van 25 kwe. Volgens vorig jaar gesloten contracten zullen in de komende jaren zonneschotels in totaal 800 MWe gaan leveren aan het Californische net.

8 Zonthermische krachtcentrale In de meest eenvoudige versie van een zonthermische krachtcentrale wordt alle stoom die door de geconcentreerde zonnestralen is geproduceerd naar de turbine gevoerd. Er wordt dus alleen overdag stroom geleverd aan het net. In het hete klimaat waar de meeste zonthermische centrales zullen komen te staan (en reeds staan) valt het aanbod goed samen met de vraagpiek ten gevolge van de vele airconditionningsinstallaties. Meestal wil men ook s avonds en s nachts stroom kunnen opwekken. Aan deze wens kan gevolg worden gegeven door het spiegelveld met een factor 3 tot 4 te vergroten, en de extra warmte die overdag zo gewonnen wordt toe te voeren aan een warmtebuffer. Die warmtebuffer kan bestaan uit geïsoleerde vaten met vloeibare zouten, meestal alkali nitraten. In het in Figuur 2 gegeven voorbeeld condenseert een deel van de stoom bij hoge druk en hoge temperatuur in een warmtewisselaar waarin de condensatiewarmte wordt gebruikt om vloeibaar zout op te warmen van bv. 270 naar 370 o C. Er wordt ook zout rechtstreeks door de spiegels verhit van 350 naar 450 o C, deze gebufferde warmte wordt na zonsondergang gebruikt om oververhitte stoom te kunnen produceren.

9 Vereenvoudigd schema van een zonthermische krachtcentrale met thermische opslag en MED zeewaterontzilting tijdens bedrijfsvoering overdag als de zon schijnt. In werkelijkheid bestaat de turbine uit verschillende trappen, en wordt de half geexpandeerde stoom opnieuw verhit, maar ter wille van het overzicht laten we dat in deze figuur achterwege. Figuur 2. Zeewaterontzilting In de landen waar zonthermische krachtcentrales het meest rendabel zijn schijnt de zon zeer vaak en regent het weinig. Er heerst daar meestal een tekort aan zoet water. Er is dus ook een tekort aan koelwater voor de zonthermische krachtcentrales. De meeste CSP centrales zullen daarom langs de kust worden gebouwd, want daar is immers koelwater genoeg.

10 Dat schept dan ook de mogelijkheid om de afvalwarmte te gaan benutten voor de ontzilting van zeewater en de productie van gedestilleerd water. In Figuur 2 is dit schematisch aangegeven. De condensor functioneert op een verhoogde temperatuur, bv. 80 o C. Het zeewater, dat in de condensor is opgewarmd tot 80 o C, verdampt in een reeks vaten met steeds lagere druk en temperatuur totdat het is afgekoeld tot buitentemperatuur, zie de figuren 2 t/m 4. Ieder vat wordt gevoed met condensatiewarmte van de damp uit het naastliggende vat met hogere temperatuur. Het aantal vaten bedraagt ongeveer 15 en het temperatuurverschil tussen opeenvolgende vaten is ongeveer 3 o C. Dit is een vereenvoudigde weergave van zg. Multiple Effect Desalination (MED). Toepassing van MED ontzilting bij een thermische centrale heeft een prijs. Het electrisch rendement van de centrale neemt af als de condensortemperatuur toeneemt. In combinatie met een zonthermische krachtcentrale blijkt MED ontzilting toch voordeliger te zijn dan verhoging van de electrische opbrengst door de condensortemperatuur te verlagen tot 30 o C, en een even grote hoeveelheid water te produceren met omgekeerde osmose (Reverse Osmossis, RO) [3]. In deze technologie wordt zeewater door membramen geperst tegen de osmotische druk van ongeveer 30 bar in. Bedrijfsvoering na zonsondergang In figuur 3 wordt van een zonthermische krachtcentrale de bedrijfsvoering na zonsondergang weergegeven. In twee warmtewisselaars wordt dc warmte uit vloeibaar zout gebruikt om stoom van hoge druk te maken. Figuur geeft de situatie het geval dat de hete buffervaten leeg zijn. Dat kan het geval zijn na een bewolkte dag, of wanneer tijdens het winterseizoen de electriciteitsvraag groter is dat het

11 aanbod aan zonnestraling. Er wordt een conventionele stoomketel bijgeschakeld, en de centrale is een gewone thermische centrale geworden inclusief MED ontzilting. Als brandstof kan gas of olie worden ingezet. In de toekomst kan waterstof worden verbrand, of biomassa uit de bossen die op grote schaal zullen worden aangelegd in de huidige woestijnen met behulp van het ontzilte zeewater. In tabel 1 wordt een overzicht gegeven van toepassingen van allerlei combinaties van technologiëeen. Toepassing 4 bijvoorbeeld betreft de plannen voor Aqaba (Jordanië) en de Nederlandse Antillen voor de bouw van hybride zonthermische krachtcentrales met zeewaterontzilting. Hybride betekent zowel hitteopwekking d.m.v. zonnespiegels als hitteopwekking uit olie of gas na zonsondergang. De kleur geeft aan in hoeverre toepassingen en technologieën al realiteit zijn geworden.

12 Bedrijfsvoering na zonsondergang. In de onderste warmtewisselaar wordt water verwarmd en stoom gevormd, gebruikmakend van warm zout uit het 370 o C buffervat. In de bovenste warmtewisselaar wordt de stoom oververhit, gebruikmakend van zout uit het 450 o C buffervat. Figuur 3.

13 Bedrijfsvoering bij afwezigheid van de zon en lege buffervaten. Er wordt gas, olie of (in de toekomst) waterstof of geraffineerde biomassa gestookt. Figuur 4.

14 Toepassing Technologie Locatie 1 hitteopwekking Hitteopwekking uit Californië uit zonnespiegels olie en/of gas 2 Hitteopwekking uit olie en/of gas 3 hitteopwekking uit zonnespiegels 4 hitteopwekking uit zonnespiegels 5 hitteopwekking uit zonnespiegels 6 hitteopwekking uit zonnespiegels 7 hitteopwekking uit zonnespiegels Zeewaterontzilting Hitteopwekking uit olie en/of gas warmteopslag dag/nacht warmteopslag dag/nacht chemische opslag zomer/winter Waterstofproduc tie uit zonnehitte Zeewaterontzilting Zeewaterontzilting 8 Stroomtransport met gelijkspanning Overzicht van combinaties van technologiën. Blauw: bewezen technologie en gerealiseerde toepassing. USA, Spanje, Persische Golf Spanje: Andasol project, Iberdrola; Nevada Jordanië, Ned.Antillen Jordanië, Ned.Antillen Op veel continenten Paars: bestaande, maar nog niet toegepaste technologie en geplande, maar nog niet gereedgekomen toepassing. Rood: nog veel onderzoek nodig. Tabel 1. BEREKENING VAN DE OPBRENGST VAN EEN CSP CENTRALE

15 De sterkte van zonnestraling wordt aangegeven met de parameter DNI (Direct Normal Irradiation). Boven de aardatmosfeer bedraagt de DNI 1376 W/m 2, d.w.z. een loodrecht op de zon gehouden oppervlak van 1 m 2 ontvangst 1376 watt aan zonnestraling. Een wolkenloze dampkring absorbeert en verstrooit de straling. De transmissiefactor τ hangt af van de hoogte boven de zeespiegel en de zenithhoek θ Z tussen de loodlijn en de richting van de zon. Een goede benadering voor de transmissiefactor is [4]: τ(θ Z ) = a o + a 1 exp( k/cos θ Z ). (1) De parameters a o, a 1 en k hangen sterk af van de hoogte boven de zeespiegel. Hier zullen we de waarden op zeeniveau toepassen: a o = 0,13, a 1 = 0,76 en k = 0,39. De zenithhoek θ Z hangt als volgt af van de declinatiehoek δ ( 23,5 < δ < 23,5 afhankelijk van de datum), de geografische breedte B en de tijdshoek ω (ω = (t 12).15 0, met t de kloktijd in uren): cos θ Z = sin δ sin B + cos δ cos B cos ω. (2) Op zeeniveau is de sterkte van de zonnestraling: DNI (θ Z ) = 1376 τ (θ Z ) W/m2. (3)

16 Spiegelsystemen zoals lineaire Fresnel spiegels, die voornamelijk horizontaal staan opgesteld, worden niet beschenen met de intensiteit DNI, maar met de projectie hiervan, I vert, de vertikale intensiteit I vert (θ Z ) = DNI (θ Z ). cos θ Z (4) We hebben met behulp van de betrekkingen (3) en (4) voor twee verschillende plaatsen op aarde en voor twee verschillende kalenderdata de DNI en de vertikale intensiteit I vert berekend voor ieder uur van de dag. Hieruit berekenden we de totale dagelijkse opbrengst in kilowattuur per m 2 aan spiegeloppervlak. We kozen in de tropen de Nederlandse Antillen, B = 12 0 noorderbreedte en in de subtropen Zuid Marokko, B = 28 0 noorderbreedte. De resultaten staan vermeld in Tabel 2. s Zomers is er weinig verschil tussen de tropen en de subtropen. Tabel 2 houdt echter geen rekening met bewolking. In de meeste tropische gebieden wordt de productie van een CSP centrale sterk gereduceerd door de veelvuldig optredende bewolking, waardoor het twijfelachtig is of CSP aldaar ooit rendabel wordt. Uit jarenlange satelietobservaties van bewolking, luchtvochtigheid en stof kunnen nauwkeurige voorspellingen worden gedaan voor de DNI waarden van alle locaties op aarde [5] zenithhoek θ Z om 12 uur B = 12 0 noorderbreedte Maximum 20 april en 20 augustus Minimum 21 december min/max verhoudin g (%) B = 28 0 noorderbreedte Maximum 21 juni Minimum 21 december min/max verhoudin g (%)

17 dagelijkse DNI (kwh/m 2 dag) dagelijkse I vert (kwh/m 2 dag) Jaargemiddelde I vert (kwh/m 2 dag) Maximale en minimale instraling in de tropen en de subtropen Tabel 2. Een woestijnlocatie op 28 o noorderbreedte ontvangt gemiddeld 4.65 kwh th /m 2 dag aan vertikale instraling I vert, hetgeen overeenkomt met 1697 kwh th /m 2 jaar of continu W th /m 2. Het rendement waarmee deze zonnestraling kan worden omgezet in hete stoom is ongeveer 50%. Het netto rendement van de omzetting van hitte naar electriciteit is 30%, zodat het totale rendement van de zonthermische krachtcentrale 15% is. Dat dit bedrag gelijk is aan het rendement van een fotovoltaische zonnepaneel berust op louter toeval. De stroomopbrengst is dus x 15% = W e /m 2 aan horizontaal spiegeloppervlak, of 29 MW e /km 2. Een zonthermische krachtcentrale die gemiddeld dag en nacht 1 GW e moet leveren heeft 34.4 km 2 aan woestijngrond nodig. Het huidige totale primaire energieverbruik in de wereld komt neer op GW continu. Een woestijnoppervlak van km 2, hetgeen kleiner is dan de omvang van Frankrijk, is voldoende om de hele wereld van zonne energie te voorzien als dit bedekt wordt met zonthermische krachtcentrales. Aangezien de woestijnen van de wereld samen veel en veel groter zijn dan Frankrijk is de conclusie van deze paragraaf duidelijk. Aan de

18 energievraag van hele wereld kan in principe ruimschoots voldaan worden met zonne energie. HITTE OPSLAG EN CHEMISCH POTENTIËLE ENERGIE In een duurzame economie bestaat een grote behoefte aan de opslag van energie. Het aanbod aan electriciteit uit zonnepanelen, windturbines, enz. valt vaak niet samen met de vraag. Er wordt al meer dan een eeuw onderzoek gedaan naar een betaalbare vorm van de opslag van electrische energie. De enige oplossing is het gebruik van stuwmeren als buffer van mechanische potentiële energie. Het beschikbare areaal aan geschikte bergdalen is echter onvoldoende om aan de vraag te voldoen. In zonthermische krachtcentrales wordt geen electriciteit, maar warmte opgevangen. Warmte kan opgeslagen worden in vaten met geïsoleerde wanden, en met warmte kunnen chemische reacties worden aangedreven. In de vorige paragraaf zagen we dat in principe de hele wereld volledig kan worden gevoed met zonne energie. Hier zullen we de vraag beantwoorden in hoeverre zonthermische krachtcentrales basislast electriciteit kunnen leveren, en dus volledig kunnen concurreren met kerncentrales en kolencentrales. We hebben met twee problemen te maken: De etmaaldiscontinuïteit: het feit dat s nacht de zon niet schijnt

19 De jaardiscontinuïteit: s winters is de opbrengst aanzienlijk lager dan s zomers. Uit de laatste kolom in tabel 2 blijkt dat in Zuid Marokko de opbrengst in december slechts 38,7% is van die in juni. Afvlakking van de etmaaldiscontinuïteit De etmaaldiscontinuïteit kan worden opgevangen door thermische buffering, zie de figuren en. De eerste commerciële zonthermische krachtcentrale met warmteopslag zal worden gebouwd in Andalusië in Spanje [6]. De capaciteit van de thermische voorraadvaten maakt het mogelijk om de 50 MWe centrale na zonsondergang nog 6 uur te laten draaien. Als opslagmedium wordt een mengsel van vloeibare zouten gebruikt, waarschijnlijk alkalinitraten. Tijdens het bedrijf van de centrale na zonsondergang (Figuur ) moet er m kg/s aan vloeibaar zout langs de stoomketels stromen. Hiervoor geldt: P = η e η w m c Δθ (5)

20 Met P het electrisch vermogen van de centrale in watt, η e het thermisch rendement (warmte electriciteit), η w het rendement van het totale warmteopslagproces, c (J/(kgK)) de soortelijke warmte van het vloeibare zout en Δθ (K) de temperatuurdaling hiervan. Als voorbeeld nemen we een centrale van 50 MWe met η e.η w = 30% en kaliumnitraat als warmteopslagmedium (c = 1,22 kj/(kgk)) dat in de warmtewisselaars 100 o C in temperatuur daalt. Uit (5) berekenen we een stroomsnelheid van m = 1366 kg/s. Om 24 uur per dag de volledige 50 MW aan zonnestroom te kunnen leveren moet de warmtebuffer 15,3 uur kunnen leveren [7]. De totaal benodigde hoeveelheid kaliumnitraat is dus ton, en het totale volume van de geisoleerde opslagvaten is m 3. De benodigde hoeveelheid aan warmteopslagmateriaal is groot, en alleen goedkope stoffen komen in aanmerking. De kosten kunnen gereduceerd worden door in de hete opslagtank goedkope materialen zoals zand en grind toe te passen, en de functie van het vloeibare zout te wijzigen van warmteopslagmedium naar warmtetransportmiddel. Hiertoe moet een extra retourleiding worden gemaakt tussen de hete en de koude opslagvaten, zie figuur en. Een andere aanpak is de toepassing van materialen die in het relevante temperatuurgebied smelten. De smeltwarmte is immers meestal veel groter is dan de soortelijke warmte bij een temperatuurtraject van bv. 100 o C. Afvlakking van de jaardiscontinuïteit Strikt genomen hoeft de jaardiscontinuïteit niet te worden opgevangen. Ook in de wintermaanden, wanneer door de lagere gemiddelde zonnestand de stralen sterker geaborbeerd worden in de atmosfeer, heeft

21 een zonthermische krachtcentrale in de Sahara nog steeds een aanzienlijk productievermogen. Maar als alle Europese electriciteit in december door CSP centrales zou worden geleverd, zouden deze centrales in de zomer een enorme overcapaciteit hebben, hetgeen een grote verspilling aan investeringskapitaal zou zijn. Er bestaat dus een sterke economische noodzaak om de zomerse overcapaciteit te gebruiken voor de productie van brandstoffen die een half jaar later als aanvulling kunnen worden ingezet. Een voor de hand liggende brandstof is waterstof. Waterstof kan s zomers geproduceerd worden door electrolyse van water, gebruikmakend van de stroom die in de CSP centrale wordt opgewekt. Naast alle verliesfactoren die de toekomstige waterstofeconomie toch al problematisch maakt, is deze oplossing extra onaantrekkelijk door de lage waarde van het warmte electriciteitsrendement η e 33%. Het is beter om de toch al beschikbare geconcentreerde zonnehitte rechtstreeks te gebruiken om in een gesloten cyclus van chemische reacties water te ontleden. Een mogelijkheid die tegenwoordig onderzocht wordt is het IS proces [8]: I 2 + SO 2 + 2H 2 O H 2 SO 4 (850 0 C) 2HI (500 0 C) 2HI + H2SO 4 H 2 O + SO 2 + ½O 2 (6) H 2 + I 2 De benodigde temperaturen zijn te bereiken met de zonnetoren. Het opslaan van de hoeveelheden waterstof die nodig zijn om de jaardiscontinuïteit op te vangen lijkt mij geen sinecure.

22 Een betere aanpak is de productie van een vaste stof met een grote chemisch potentiële energie, bv. zink [9] ZnO ( C) Zn + H 2 O Zn + ½O2 (6) ZnO + H2 (7) De benodigde extreem hoge temperatuur kan zonder veel moeite worden bereikt met zonneschotels. De tweede reactie (7) verloopt exotherm bij temperaturen boven 400 o C [10]. s Zomers worden grote hoeveelheden zink geproduceerd d.m.v. reactie (6). s Winters wordt met reactie (7) de waterstof geproduceerd waarmee de stoomketels in de CSP centrales worden bij gestookt om de tekort schietenede zonnestraling aan te vullen. Een deel van het zink zal met schepen en treinen naar het Noorden worden getransporteerd, die op hun retourreis zinkoxide terugbrengen naar de zonthermische krachtcentrales in het zuiden. EEN CSP CENTRALE VAN 1 GIGAWATT IN ZUID MAROKKO DIE STROOM LEVERT AAN NEDERLAND. In de zonne economie van de toekomst zal het grootste deel van de Europese electriciteit worden opgewekt in zonthermische krachtcentrales in de Sahara [11,12]. In deze paragraaf maken we een schatting van de kosten van een forse zonthermische krachtcentrale van 1 gigawatt zonder zeewaterontzilting in Zuid Marokko, die stroom levert aan Nederland.

23 We gaan uit van de veronderstelling dat er wereldwijd al CSP centrales zijn gebouwd met een totale capaciteit van tientallen GW, en dat daardoor de kosten de diverse spiegeltechnologieën en de warmteopslagtechnologieën flink zijn gedaald. Wegens de nog grote onzekerheden van chemische energieopslag laten wij deze technologie hier verder buiten beschouwing. Het is mijn inschatting dat lineaire Fresnelspiegels een flinke kans maken om de concurrentieslag met de andere spiegeltechnologieën te gaan winnen. De huidige prijs van Fresnelspiegels inclusief de receiverbuizen varieert tussen 150 $/m 2 [13,14] en 106 $/m 2 [15]. We maken nu de veronderstelling dat deze prijs kan dalen tot 50 $/m 2. We hadden al gezien dat een centrale op B = 28 0 noorderbreedte die meer dan de helft van het jaar 1 GW e moet leveren een spiegeloppervlak van 34,4 km 2 nodig heeft. Het investeringssbedrag hiervoor is dus 1720 M$. Het conventionele deel van de zonthermische krachtcentrale bestaat uit de stoomturbines, de generatoren, de condensor, de hulppompen, en de olie, gas of waterstof gestookte hulpstoomketel die wordt ingezet bij ontbrekende zon en lege thermische opslag. We stellen de investering hiervoor op 800 $/kw e, dus op 800 M$. Uit een gedetailleerde analyse blijkt dat de er een thermische opslagcapaciteit nodig is van 46 GWh th. Uitgaande van een investeringsbedrag voor thermische opslag van 9 $/kwh th [16] komen we op 414 M$. Het totale investeringsbedrag voor de 1 GW e centrale in Zuid Marokko is dus 2934 M$. Transport van electriciteit naar Nederland

24 De electriciteit moet naar Nederland worden gevoerd langs 3500 km aan hoogspanningsmasten en onderzeese kabels die met gelijkspanning werken. Deze methode wordt aangeduid met High Voltage Direct Current, afgekort HVDC. Voor stroomtransport over grote afstanden (>1000 km) heeft toepassing van gelijkstroom duidelijke voordelen boven de meer gebruikelijke toepassing van wisselstroom. De verliezen zijn aanzienlijk lager dan bij wisselstroom, nl. slechts 3% per 1000 km. Wereldwijd functioneert al meer dan km aan HVDC kabel, vooral in de verbinding tussen afgelegen waterkrachtcentrales en bevolkingscentra. Het stroomtransport van Zuid Marokko naar Nederland gaat gepaard met een verlies van 14,5% [16]. Hierbij zijn de transformatieverliezen aan de uiteinden van de verbinding inbegrepen. Om toch 1 GW e aan zonnestroom aan Nederland te kunnen leveren moet de capaciteit in Marokko met 14,5% worden uitgebreid, hetgeen 425 M$ aan extra investeringen vergt. De investering in de 3500 km lange 1GW HVDC verbinding wordt geschat op 430 M$ [16]. De totale investering bedraagt = 3789 M$ = 3,8 miljard dollar. Voor dit bedrag krijgt Nederland 24 uur per dag 1 gigawatt aan zonnestroom in de periode maart tot september, 600 MW in december, en voor de overige maanden vermogens die hier tussen liggen. Zodra investeringen in chemische energieopslag, bv. in zinktechnologie, rendabel worden, kan de winterdip in de productie van zonnestroom ongedaan worden gemaakt. Zonne energie versus kernenergie

25 De 3,8 G$ die een bijna volledige zonne energie infrastructuur van 1 GW over 10 of 15 jaar zal kosten dient vergeleken te worden met de kosten van kernenergie. De nieuw geplande 1,6 GW kerncentrale in Finland zal 3,2 Geuro kosten, hetgeen neerkomt op 2,5 G$ per GW. Kernenergie heeft daarnaast met extra kosten te maken zoals de winning en de verrijking van het uranium, de absoluut veilige opslag van het radioactieve afval en de kostbare maatregelen om te voorkomen dat terroristenbendes en schurkenstaten de beschikking krijgen over kernwapens. Daarnaast is het twijfelachtig of er voldoende winbaar uranium aanwezig is in de aardkorst om de wereldeconomie langdurig en volledig met kernenergie te voeden. De zon zal daatentegen nooit verstek laten gaan. Het minste dat van de politici, beleidsmakers en opinieleiders kan worden geëist is dat zij zich op de hoogte stellen van CSP als mogelijk alternatief voor kernenergie. Literatuur 1. Jong, T. M. de (2003). In het licht van de zon is ons energiegebruik te verwaarlozen. TVVL Magazine 2/2003, blz World Energy Outlook 2004, blz.. International Energy Agency, Parijs. 3. Wilde, R. Case study of a Concentrating Solar Power Plant for the Cogeneration of Water and Electricit. Afstudeerverslag RWTH Aken en DLR Stuttgart (2005). 4. Duffie, J. A. en Beckman, W. A. Solar Engineering of Thermal Processes,. New York: Wiley, 1980.