Inleiding
In het huidige tijdperk van energietransitie zoeken zowel de bouwsector als de industrie naar duurzame en efficiënte methoden om warmte en elektriciteit op te wekken en op te slaan. Geconcentreerde zonne-energie (CSP, ofwel Concentrated Solar Power) en geavanceerde thermische energieopslag (TES) spelen hierin een cruciale rol. Deze technologieën bieden oplossingen die verder gaan dan de traditionele fotovoltaïsche zonnepanelen. Ze richten zich op het benutten van zonnewarmte voor industriële processen, het opwekken van elektriciteit en het stabiliseren van energienetwerken.
Dit artikel behandelt de technische principes van geconcentreerde zonne-energie, de diverse CSP-technologieën, en de innovatieve methoden voor thermische energieopslag, zoals gesmolten zout en gefluïdiseerde zandbedden. Daarnaast wordt er aandacht besteed aan de materialen die nodig zijn om deze systemen te realiseren, zoals hittebestendige nikkellegeringen en roestvast staal (RVS). De informatie is gebaseerd op technische rapporten en data van gespecialiseerde instanties in de energie- en bouwsector.
Geconcentreerde Zonne-energie (CSP): Technologie en Toepassingen
Thermische zonne-energie is een verzamelnaam voor oplossingen die gebruikmaken van warmtewinning uit zonnestraling. Hoewel zonnecollectoren voor kleinschalige toepassingen (zoals warm water) al langere tijd bestaan, biedt geconcentreerde zonne-energie (CSP) een schaalbare oplossing voor de industrie en elektriciteitsopwekking.
Het Principe van Lichtconcentratie
CSP-systemen onderscheiden zich van fotovoltaïsche (PV) panelen door de manier waarop ze energie omzetten. In plaats van direct elektriciteit op te wekken, concentreren spiegels of reflectoren de zonne-energie op een centraal punt (een ontvanger). Hier wordt de energie omgezet in warmte. Deze warmte drijft vervolgens een turbine aan om elektriciteit te produceren, of kan direct worden gebruikt voor industriële processen.
Verschillende CSP-technologieën
Er bestaan vier hoofdtechnologieën binnen CSP, elk met specifieke kenmerken:
- Parabolische schotelsystemen: Deze systemen gebruiken individuele schotelvormige spiegels die een volgsysteem hebben om de zon te volgen. Ze concentreren het licht op een ontvanger, wat leidt tot zeer hoge temperaturen geschikt voor zonnereactoren.
- Parabolische trogsystemen: Hierbij worden gebogen reflectoren gebruikt om zonne-energie te concentreren op een ontvangstbuis. In deze buis bevindt zich thermische olie die wordt verhit om elektriciteit op te wekken.
- Power Tower-systemen: Bij deze opstelling staan duizenden spiegels (heliostaten) in een cirkelvormige opstelling rondom een centrale toren. De spiegels volgen de zon en reflecteren het licht naar een ontvanger bovenop de toren. Hier wordt vloeistof, vaak gesmolten zout, verwarmd om stoom te genereren voor een turbine.
- Lineaire Fresnel-systemen: Deze systemen maken gebruik van rijen platte spiegels op de grond die het zonlicht weerkaatsen naar een ontvangstbuis. Ze lijken in functionaliteit op trog- en torensystemen, maar bieden vaak een compacter ontwerp.
Industriële Toepassingen
De warmte die door CSP-systemen wordt opgewekt, is zeer waardevol voor sectoren die afhankelijk zijn van hoge temperatuurprocessen. De bronnen vermelden toepassingen in: * Chemische productie. * Voeding en dranken. * Pulp en papier. * Ontzilting van water. * Mineraalverwerking. * Verhoogde oliewinning.
Een specifieke toepassing is het opwekken van proceswarmte op tussentemperatuurniveaus (180 – 300 °C), wat zelfs op hoge breedtegraden, zoals in Nederland, als een haalbare optie wordt beschouwd.
Thermische Energieopslag (TES): De Sleutel tot Flexibiliteit
Een groot voordeel van CSP is de mogelijkheid tot integratie met thermische energieopslag (TES). Dit lost het belangrijkste nadeel van zonne-energie op: de intermitterende aard (de zon schijnt niet altijd).
Gesmolten Zout
Momenteel is de meest toegepaste vorm van TES in de energiesector het gebruik van gesmolten zouten. In CSP-centrales wordt energie opgeslagen in de vorm van warmte door natriumnitraat en kaliumnitraat te gebruiken. Deze vloeistof is goedkoop, vuurvast en niet vervuilend. Wereldwijd was er in 2020 al meer dan 21 GWh aan gesmoltenzoutopslag geïnstalleerd, met sindsdien een toename van 14 GWh. Ook elektrische verwarmingssystemen ("Power to X") worden overwogen om gesmolten zouten direct met hernieuwbare elektriciteit (zoals PV) te verwarmen.
Gefluïdiseerde Zandbedtechnologie (MGTES)
Een innovatieve technologie is MGTES (Magaldi Green Thermal Energy Storage), gebaseerd op een vloeibaar gemaakt zandbed. Dit systeem slaat schone energie op tijdens daluren (via elektrische verwarmers of hoge-temperatuur vloeistoffen) en geeft deze af als thermische energie met hoge temperatuur, zoals sterk verhitte stoom. De opslagfase wordt geoptimaliseerd door de fluïdisering uit te schakelen, wat het verlies minimaliseert. MGTES is modulair op te zetten met capaciteiten van 5 MWh tot 100 MWh.
Vaste Deeltjes en Superkritische CO2
Naast gesmolten zout en zand worden er toekomstige TES-technologieën onderzocht, zoals opslag met vaste deeltjes en superkritische CO2-cycli. Deze beloven een hoog rendement en zullen naar verwachting een voet aan de grond krijgen in de komende jaren.
ThermalBattery™ van ENERGYNEST
Een andere oplossing is de ThermalBattery™ van ENERGYNEST, die tot doel heeft stroom, warmte of stoom op te vangen, op te slaan en af te geven als schone energie. Dit biedt sectoren zoals chemie, voedingsmiddelen en dranken, en pulp en papier meer flexibiliteit en lagere kosten.
Materialen en Constructie: Hittebestendige Legeringen en RVS
De realisatie van CSP-installaties en TES-systemen stelt hoge eisen aan de gebruikte bouwmaterialen. De systemen moeten extreme temperaturen en thermische schokken kunnen weerstaan.
De Rol van Nikkel en RVS
Hittebestendige nikkellegeringen en roestvast staal (RVS) spelen een fundamentele rol in de technische overwinning van uitdagingen in warmteoverdracht en thermische opslag. Het gebruik van op nikkel gebaseerde legeringen en RVS met nikkel maakt het mogelijk systemen met een hogere temperatuur te ontwerpen. Dit was voorheen een uitdaging, vooral bij het verwerken van gesmolten zouten.
Toepassing in de Praktijk
Deze materialen zijn essentieel voor de ontvangers, leidingen en opslag tanks binnen CSP-centrales. Wereldwijd zijn er op dit moment meer dan 40 thermische zonne-energiecentrales actief, met nog eens 20 in ontwerp of bouw. Deze centrales bevinden zich vaak in regio's met hoge zonnestraling (zoals Spanje, India, Zuid-Afrika, China, Chili, Australië, Noord-Afrika en het zuiden van de Verenigde Staten), waar de materiaaleisen extreem hoog zijn. De ontwikkeling van deze legeringen maakt de groei van de sector mogelijk, met een verwachte jaarlijkse groei van 2,3% in energieverbruik uit hernieuwbare bronnen tussen 2015 en 2040 volgens de International Energy Agency.
Hybride Systemen en Netstabiliteit
CSP-systemen hoeven niet autonoom te functioneren; ze kunnen worden geïntegreerd in bestaande energie-infrastructuur.
Hybride Centrales
CSP-systemen kunnen worden gecombineerd met andere energiebronnen om hybride centrales te vormen. Dit omvat thermisch gestookte elektriciteitscentrales die brandstoffen zoals steenkool, aardgas of biobrandstoffen gebruiken. Door de opslagcapaciteit van CSP kunnen deze hybride systemen flexibeler opereren en de stabiliteit van het elektriciteitsnet waarborgen.
Netstabiliteit
Een rapport van de Wereldbank benadrukt de rol van CSP in de energiemix. CSP kan het net stabiliseren, en wordt door sommige experts als goedkoper en effectiever beschouwd dan PV-systemen gecombineerd met flowbatterijen, vooral vanwege het vermogen om 24/7 schone energie op te leveren via opslag.
Conclusie
Geconcentreerde zonne-energie en geavanceerde thermische energieopslagtechnieken bieden robuuste oplossingen voor de uitdagingen in de huidige energietransitie. Door het combineren van CSP-technologieën (zoals parabolische schotels, torensystemen en Fresnel-systemen) met innovatieve opslagmethoden zoals gesmolten zout en gefluïdiseerde zandbedden, is het mogelijk om een constante levering van warmte en elektriciteit te garanderen, zelfs wanneer de zon niet schijnt.
Deze technologieën zijn met name waardevol voor de industrie, waar ze een koolstofvrije bron van hoge-temperatuurwarmte leveren voor processen in de chemie, voedingsmiddelenproductie en waterbehandeling. De bouw en materialensector spelen hierbij een cruciale rol door het ontwikkelen en toepassen van hoogwaardige materialen zoals hittebestendige nikkellegeringen en RVS, die de systemen betrouwbaar en duurzaam maken. Hoewel de implementatie momenteel vooral plaatsvindt in zonrijke gebieden, tonen onderzoeken aan dat deze systemen ook op hogere breedtegraden, zoals in Nederland, haalbaar zijn voor specifieke toepassingen. De integratie van deze systemen in hybride centrales draagt verder bij aan een stabiel en duurzaam energienetwerk.