Het artikel bespreekt de technologie van het Amerikaanse start-up 247Solar, dat zich richt op geconcentreerde zonne-energie (CSP). In tegenstelling tot traditionele zonnepanelen gebruikt dit systeem heliostaten om lucht te verhitten tot 970°C, wat vervolgens wordt opgeslagen in keramische korrels voor gebruik tijdens zonloze perioden.
De kerninnovatie is dat de hardware zo is ontworpen dat de warmtewisselaar, die de turbine aandrijft, multifunctioneel is: hij kan zowel worden gevoed door opgeslagen zonnehitte als door de verbranding van fossiele brandstoffen. Dit maakt de installatie zelfvoorzienend qua back-up, wat kosten bespaart omdat er geen aparte reservefaciliteit nodig is.
Hoewel de economische concurrentie met goedkope fotovoltaïsche cellen lastig is, ziet 247Solar grote kansen in:
- Afgelegen locaties, zoals mijnbouwoperaties, om dure dieseltransporten te vervangen.
- Industriële processen, door het benutten van restwarmte (rond de 250°C) voor absorptiekoeling of proceswarmte.
- Duurzaamheid, door de CO2-uitstoot in toeleveringsketens te verlagen.
Een zonnestroomsysteem omvormen tot zijn eigen back-up
In plaats van fotonen direct om te zetten in elektriciteit, gebruikt geconcentreerde zonne-energie spiegels om zonlicht in hitte om te zetten, die vervolgens kan worden gebruikt om traditionele generatoren aan te drijven. Tot ongeveer tien jaar geleden leek het erop dat geconcentreerde zonne-energie een veelbelovende toekomst had, aangezien verbeteringen in warmteopslag het mogelijk maakten om dag en nacht stroom op te wekken.
Dat is echter niet gebeurd. Hoewel de kosten voor geconcentreerde zonne-energie genoeg daalden om te kunnen concurreren met kernenergie, kelderde de prijs van fotovoltaïsche cellen (PV). Hierdoor werden zonnepanelen op de meeste locaties de goedkoopste bron van energie. Momenteel zijn de economische voordelen van PV-panelen moeilijk te verslaan als men beschikt over een geschikte locatie voor zonne-energie.
Dit heeft ertoe geleid dat we andere faciliteiten moeten bouwen—meestal batterijen en aardgasinstallaties—om de behoeften gedurende de nacht of tekorten door weersomstandigheden op te vangen. Een klein bedrijf belooft echter dat het kan helpen om de noodzaak voor een aparte back-upfaciliteit te vermijden. Hun versie van geconcentreerde zonne-energie is zo ontworpen dat een op fossiele brandstoffen gebaseerd back-upsysteem het grootste deel van de genererende hardware van de zonne-zijde kan delen.
Terug naar de toekomst?
Geconcentreerde zonne-energie, ook wel thermische zonne-energie genoemd, is in principe vrij eenvoudig. Het grootste deel van het terrein is bedekt met heliostaten: apparaten die spiegels en een gemotoriseerd volgsysteem combineren, waardoor ze gefocust kunnen blijven op één enkel punt terwijl de zon over de hemel beweegt. Dit brandpunt bevindt zich in een toren, waar het zonlicht een transportmedium verhit. De hete vloeistof kan vervolgens worden gebruikt om een traditionele stoomturbine aan te drijven, of de hitte kan worden opgeslagen om 's nachts stroom op te wekken.
Er zijn echter veel mogelijke variaties: verschillende transportmedia en methoden voor warmteopslag, trogvormige spiegels die een toren overbodig maken, enzovoort. Al deze varianten zijn bedoeld om enkele inherente problemen van thermische zonne-energie te verminderen, zoals de vele bewegende delen en potentieel corrosieve vloeistoffen. Deze problemen en het gebrek aan standaardisatie hebben ertoe bijgedragen dat de kosten van deze centrales niet konden meekomen met die van fotovoltaïsche systemen.
Zonder prikkels om 's nachts hernieuwbare energie op te wekken, kon geconcentreerde zonne-energie niet concurreren. De bouw van nieuwe centrales is grotendeels gestopt en verschillende bronnen zijn simpelweg gestopt met het bijhouden van de economische aspecten ervan.
Daarom was het een verrassing om te horen dat India een contract heeft gesloten met het in de VS gevestigde start-up 247Solar voor de bouw en exploitatie van een kleine centrale voor geconcentreerde zonne-energie. Hoewel de centrale extreem klein zal zijn (1 megawatt) en fotovoltaïsche cellen combineert, heeft het bedrijf een unieke insteek: dezelfde hardware die de thermische zonne-output verwerkt, kan simpelweg worden aangedreven met fossiele brandstoffen als er een aanzienlijk tekort is aan hernieuwbare opwekking.
"Onze systemen zijn hun eigen back-up," aldus Mark von Keszycki van 247Solar. "Tijdens perioden van weinig zonbronnen—lange duur, slecht weer, wat het geval ook mag zijn—zijn ze in staat om een verscheidenheid aan brandstoffen te verbranden."
Hete lucht
Net als andere systemen voor geconcentreerde zonne-energie maakt 247Solar gebruik van een veld van heliostaten. Maar de ontvanger—de hardware waarop het zonlicht wordt gefocust—is onderscheidend, omdat deze werkt met lucht onder omgevingsdruk (een updated versie van hardware ontwikkeld door een Duits bedrijf). Lucht verlaat deze hardware bij een temperatuur van ongeveer 970° C. Deze lucht kan potentieel direct worden gebruikt voor industriële proceswarmte of worden doorgestuurd naar de hardware die elektriciteit opwekt. In de meeste gevallen wordt het echter naar warmteopslag geleid.
In plaats van te werken met gesmolten zouten en potentiële faseovergangen, verhit 247Solar keramische korrels ter grootte van een golfbal. Afhankelijk van de details van de opslagconfiguratie zegt von Keszycki dat de warmte uit de opslag kan worden gebruikt om gedurende negen tot 20 uur na zonsondergang stroom op te wekken. Deze uren zullen uiteraard korter zijn als een deel van de warmte overdag wordt gebruikt om stroom op te wekken, maar 247Solar is van plan het systeem te koppelen aan fotovoltaïsche installaties voor de dagelijkse opwekking.
Ongeacht de bron van de hete lucht, wordt deze naar een warmtewisselaar gestuurd. Deze is ontworpen als een directe vervanging voor een verbrandingsunit op een traditionele turbine om samengeperste lucht te verhitten voor de stroomopwekking. "De warmtewisselaar doet hetzelfde werk als de verbrandingskamer deed," vertelde Bruce Anderson van 247Solar aan Ars. "Hij bevindt zich op dezelfde plek in de turbine-assemblage als de verbrandingskamer: na de compressiefase en vóór de expander." De eerste installatie zal twee generatoren van 200 kW koppelen; afgezien van de warmtewisselaar is al het andere onderdeel van een standaard pakket.
Dit is het punt waar de flexibiliteit van het systeem naar voren komt: het maakt niet uit hoe de lucht in de wisselaar wordt verhit. Daarom kunnen diverse brandstoffen worden verbrand om de equivalente warmte te leveren. Von Keszycki suggereerde dat het toevoegen van de mogelijkheid om fossiele brandstoffen te verbranden, minder dan 10 procent van de totale kosten toevoegt.
De lucht die uit de warmtewisselaar komt is nog steeds vrij heet, rond de 250° C. Von Keszycki noemde dit "een aparte bruikbare bron" die kan worden ingezet voor diverse toepassingen, waaronder industriële processen en absorptiekoeling. Opnieuw: als er tussenliggende temperaturen nodig zijn, zou dit potentieel gemengd kunnen worden met hete lucht die direct uit het opslagmedium komt, zij het ten koste van de stroomopwekking.
Opschalen
De eerste installatie zal klein zijn, met een paar generatoren van 200 kW, en zal vooral dienen om de engineering van het systeem te valideren—Anderson zei dat de grootste zorgen de "onbekende onbekenden" zijn. Het systeem is echter modulair ontworpen, en het bedrijf werkt al aan de engineering van een faciliteit van 3 megawatt die meerdere eenheden combineert die een enkele toren delen met meerdere ontvangers en warmteopslag.
De installatie zal het bedrijf ook inzicht geven in hoe het systeem financieel uitpakt. Op een typisch elektriciteitsnet zijn er weinig prikkels voor het leveren van 24t-uurs hernieuwbare energie. Bovendien worden de kosten voor het waarborgen van voldoende back-upgeneratie voor zonneparken vaak geabsorbeerd door andere partijen. De mogelijkheid om op fossiele brandstoffen gebaseerde back-upstroom op te wekken zonder een speciale faciliteit te hoeven bouwen, kan zeker geld besparen, maar markten zijn niet altijd zo ingericht dat deze besparingen gemakkelijk kunnen worden verzilverd.
Het is daarom niet verrassend dat 247Solar ook andere markten op het oog heeft. Het bedrijf is vooral enthousiast over afgelegen mijnbouwlocaties, waar diesel vaak tegen aanzienlijke kosten moet worden aangevoerd. Het systeem van 247Solar zou die kosten vermijden, terwijl het potentieel proceswarmte kan leveren die nuttig is voor sommige ertswinningsprocessen. Daarnaast zou het stroomvoorziening van mijnbouwoperaties zonder emissies mogelijk maken, wat gunstig is voor bedrijven die verplicht zijn de koolstofemissies van hun toeleveringsketen te verantwoorden.
Toch zou er ruimte kunnen zijn voor dit soort faciliteiten op het elektriciteitsnet, mits het succesvol de noodzaak voor speciale fossiele brandstoffencentrales vermijdt die slechts een fractie van de nacht draaien—ervan uitgaande dat de prijs en de prikkels overeenkomen.
Een zonnestroomsysteem omvormen tot zijn eigen back-up
In plaats van fotonen direct om te zetten in elektriciteit, gebruikt geconcentreerde zonne-energie spiegels om zonlicht in hitte om te zetten, die vervolgens kan worden gebruikt om traditionele generatoren aan te drijven. Tot ongeveer tien jaar geleden leek het erop dat geconcentreerde zonne-energie een veelbelovende toekomst had, aangezien verbeteringen in warmteopslag het mogelijk maakten om dag en nacht stroom op te wekken.
Dat is echter niet gebeurd. Hoewel de kosten voor geconcentreerde zonne-energie genoeg daalden om te kunnen concurreren met kernenergie, kelderde de prijs van fotovoltaïsche cellen (PV). Hierdoor werden zonnepanelen op de meeste locaties de goedkoopste bron van energie. Momenteel zijn de economische voordelen van PV-panelen moeilijk te verslaan als men beschikt over een geschikte locatie voor zonne-energie.
Dit heeft ertoe geleid dat we andere faciliteiten moeten bouwen—meestal batterijen en aardgasinstallaties—om de behoeften gedurende de nacht of tekorten door weersomstandigheden op te vangen. Een klein bedrijf belooft echter dat het kan helpen om de noodzaak voor een aparte back-upfaciliteit te vermijden. Hun versie van geconcentreerde zonne-energie is zo ontworpen dat een op fossiele brandstoffen gebaseerd back-upsysteem het grootste deel van de genererende hardware van de zonne-zijde kan delen.
Terug naar de toekomst?
Geconcentreerde zonne-energie, ook wel thermische zonne-energie genoemd, is in principe vrij eenvoudig. Het grootste deel van het terrein is bedekt met heliostaten: apparaten die spiegels en een gemotoriseerd volgsysteem combineren, waardoor ze gefocust kunnen blijven op één enkel punt terwijl de zon over de hemel beweegt. Dit brandpunt bevindt zich in een toren, waar het zonlicht een transportmedium verhit. De hete vloeistof kan vervolgens worden gebruikt om een traditionele stoomturbine aan te drijven, of de hitte kan worden opgeslagen om 's nachts stroom op te wekken.
Er zijn echter veel mogelijke variaties: verschillende transportmedia en methoden voor warmteopslag, trogvormige spiegels die een toren overbodig maken, enzovoort. Al deze varianten zijn bedoeld om enkele inherente problemen van thermische zonne-energie te verminderen, zoals de vele bewegende delen en potentieel corrosieve vloeistoffen. Deze problemen en het gebrek aan standaardisatie hebben ertoe bijgedragen dat de kosten van deze centrales niet konden meekomen met die van fotovoltaïsche systemen.
Zonder prikkels om 's nachts hernieuwbare energie op te wekken, kon geconcentreerde zonne-energie niet concurreren. De bouw van nieuwe centrales is grotendeels gestopt en verschillende bronnen zijn simpelweg gestopt met het bijhouden van de economische aspecten ervan.
Daarom was het een verrassing om te horen dat India een contract heeft gesloten met het in de VS gevestigde start-up 247Solar voor de bouw en exploitatie van een kleine centrale voor geconcentreerde zonne-energie. Hoewel de centrale extreem klein zal zijn (1 megawatt) en fotovoltaïsche cellen combineert, heeft het bedrijf een unieke insteek: dezelfde hardware die de thermische zonne-output verwerkt, kan simpelweg worden aangedreven met fossiele brandstoffen als er een aanzienlijk tekort is aan hernieuwbare opwekking.
"Onze systemen zijn hun eigen back-up," aldus Mark von Keszycki van 247Solar. "Tijdens perioden van weinig zonbronnen—lange duur, slecht weer, wat het geval ook mag zijn—zijn ze in staat om een verscheidenheid aan brandstoffen te verbranden."
Hete lucht
Net als andere systemen voor geconcentreerde zonne-energie maakt 247Solar gebruik van een veld van heliostaten. Maar de ontvanger—de hardware waarop het zonlicht wordt gefocust—is onderscheidend, omdat deze werkt met lucht onder omgevingsdruk (een updated versie van hardware ontwikkeld door een Duits bedrijf). Lucht verlaat deze hardware bij een temperatuur van ongeveer 970° C. Deze lucht kan potentieel direct worden gebruikt voor industriële proceswarmte of worden doorgestuurd naar de hardware die elektriciteit opwekt. In de meeste gevallen wordt het echter naar warmteopslag geleid.
In plaats van te werken met gesmolten zouten en potentiële faseovergangen, verhit 247Solar keramische korrels ter grootte van een golfbal. Afhankelijk van de details van de opslagconfiguratie zegt von Keszycki dat de warmte uit de opslag kan worden gebruikt om gedurende negen tot 20 uur na zonsondergang stroom op te wekken. Deze uren zullen uiteraard korter zijn als een deel van de warmte overdag wordt gebruikt om stroom op te wekken, maar 247Solar is van plan het systeem te koppelen aan fotovoltaïsche installaties voor de dagelijkse opwekking.
Ongeacht de bron van de hete lucht, wordt deze naar een warmtewisselaar gestuurd. Deze is ontworpen als een directe vervanging voor een verbrandingsunit op een traditionele turbine om samengeperste lucht te verhitten voor de stroomopwekking. "De warmtewisselaar doet hetzelfde werk als de verbrandingskamer deed," vertelde Bruce Anderson van 247Solar aan Ars. "Hij bevindt zich op dezelfde plek in de turbine-assemblage als de verbrandingskamer: na de compressiefase en vóór de expander." De eerste installatie zal twee generatoren van 200 kW koppelen; afgezien van de warmtewisselaar is al het andere onderdeel van een standaard pakket.
Dit is het punt waar de flexibiliteit van het systeem naar voren komt: het maakt niet uit hoe de lucht in de wisselaar wordt verhit. Daarom kunnen diverse brandstoffen worden verbrand om de equivalente warmte te leveren. Von Keszycki suggereerde dat het toevoegen van de mogelijkheid om fossiele brandstoffen te verbranden, minder dan 10 procent van de totale kosten toevoegt.
De lucht die uit de warmtewisselaar komt is nog steeds vrij heet, rond de 250° C. Von Keszycki noemde dit "een aparte bruikbare bron" die kan worden ingezet voor diverse toepassingen, waaronder industriële processen en absorptiekoeling. Opnieuw: als er tussenliggende temperaturen nodig zijn, zou dit potentieel gemengd kunnen worden met hete lucht die direct uit het opslagmedium komt, zij het ten koste van de stroomopwekking.
Opschalen
De eerste installatie zal klein zijn, met een paar generatoren van 200 kW, en zal vooral dienen om de engineering van het systeem te valideren—Anderson zei dat de grootste zorgen de "onbekende onbekenden" zijn. Het systeem is echter modulair ontworpen, en het bedrijf werkt al aan de engineering van een faciliteit van 3 megawatt die meerdere eenheden combineert die een enkele toren delen met meerdere ontvangers en warmteopslag.
De installatie zal het bedrijf ook inzicht geven in hoe het systeem financieel uitpakt. Op een typisch elektriciteitsnet zijn er weinig prikkels voor het leveren van 24t-uurs hernieuwbare energie. Bovendien worden de kosten voor het waarborgen van voldoende back-upgeneratie voor zonneparken vaak geabsorbeerd door andere partijen. De mogelijkheid om op fossiele brandstoffen gebaseerde back-upstroom op te wekken zonder een speciale faciliteit te hoeven bouwen, kan zeker geld besparen, maar markten zijn niet altijd zo ingericht dat deze besparingen gemakkelijk kunnen worden verzilverd.
Het is daarom niet verrassend dat 247Solar ook andere markten op het oog heeft. Het bedrijf is vooral enthousiast over afgelegen mijnbouwlocaties, waar diesel vaak tegen aanzienlijke kosten moet worden aangevoerd. Het systeem van 247Solar zou die kosten vermijden, terwijl het potentieel proceswarmte kan leveren die nuttig is voor sommige ertswinningsprocessen. Daarnaast zou het stroomvoorziening van mijnbouwoperaties zonder emissies mogelijk maken, wat gunstig is voor bedrijven die verplicht zijn de koolstofemissies van hun toeleveringsketen te verantwoorden.
Toch zou er ruimte kunnen zijn voor dit soort faciliteiten op het elektriciteitsnet, mits het succesvol de noodzaak voor speciale fossiele brandstoffencentrales vermijdt die slechts een fractie van de nacht draaien—ervan uitgaande dat de prijs en de prikkels overeenkomen.
Groetjes,