Zee van spiegels

Wie nú wat aan het broeikaseffect wil doen, kan woestijnen volbouwen met zonnespiegelcentrales. Voor het eerst in 16 jaar verrijzen ze weer. Michiel van Nieuwstadt

Zonne-energie is op te wekken waar nodig. Een zonnepaneel op het dak van een huis hoeft niet groot te zijn. Kleinschaligheid is altijd beschouwd als een belangrijk voordeel van deze duurzame energiebron. Maar grootschalig kan het ook. Soms moet het zelfs. Nog voor de zomer zal in de Mojavewoestijn ten zuidoosten van Las Vegas in Nevada een zonnecentrale in werking treden met een piekcapaciteit van 64 megawatt, genoeg om 40.000 Amerikaanse huishoudens van elektriciteit te voorzien als de airconditioning op volle toeren draait tijdens de warme uren van de dag. Op het plateau van Guadix in Andalusië gaat later dit jaar Andasol I stroom leveren, een vergelijkbare centrale met een capaciteit van 50 megawatt.

Google Earth en filmpjes op de website Youtube geven een beeld van de schaal en het futuristisch voorkomen van Nevada Solar One. Een spiegelend vierkant van 1,5 km2 ligt in het gortdroge landschap. Tegen de hardblauwe lucht tekenen de tot 3.300 meter hoge Spring Mountains zich af. Het vierkant bestaat uit lange rijen spiegels: langwerpige ronde bakken die om hun noord-zuid-as kunnen draaien en ondanks hun parabolische vorm troggen worden genoemd.

En je ziet: dit is geen zonnecelcentrale die licht vangt op panelen die de ingevangen straling ter plekke omzetten in elektriciteit. Nevada Solar One is een zonthermische of spiegelcentrale die met spiegels gebundeld en tachtig keer geconcentreerd zonlicht gebruikt om synthetische olie te verwarmen die loopt door een buis in de brandlijn van de troggen. De tot 400 °C verwarmde olie wordt gebruikt om water in stoom om te zetten voor gebruik in een stoomturbine.

Nevada Solar One is veel groter dan de als wereldrecordhouders geafficheerde zonnepaneelcentrales die dit jaar in Spanje en Portugal in gebruik zijn genomen. Op volle toeren komen die tot een vermogen van 10 megawatt of iets meer. Nevada Solar One levert bovendien ’s werelds goedkoopste zonne-energie.

Dat zijn de nieuwe centrales. De oude zijn groter. De laatstgebouwde en tevens grootste draaien sinds 1990 en 1991 in Californië, net over de grens met Nevada. De twee centrales met trogspiegels hebben elk een capaciteit van 80 megawatt. Na 1991 is zestien jaar lang op de hele wereld geen enkele grote spiegelcentrale meer in gebruik genomen. De lage olieprijs en een gebrek aan overheidssubsidies waren daarvan de oorzaak. Nu zijn de spiegelcentrales terug, met dank aan de hoge olieprijs, de zorgen over ons klimaat en de duurzame ambities van sommige Amerikaanse staten.

Behalve in Amerika en Spanje staan er commerciële spiegelcentrales op stapel in Australië, Algerije, Marokko, Egypte Jordanië en Portugal. In al die centrales wordt zonlicht met spiegels gebundeld in de brandlijn of het brandpunt van troggen, torens of schotels.

andalusië

De kostprijs van energie die in een centrale met trogspiegels wordt opgewekt ligt ver boven de kostprijs van energie uit een kolengestookte centrale (5 eurocent), maar ver beneden de kosten van energie die wordt opgewekt met zonnecellen (circa 20 eurocent). Zonne-energieonderzoeker Robert Pitz-Paal van het Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) schat de kostprijs per kilowattuur voor Nevada Solar One op zo’n 15 dollarcent (ruim 11 eurocent). Met 17 eurocent per kilowattuur pakt de Andasolcentrale in Andalusië ongunstiger uit, onder meer omdat de zon in Nevada feller schijnt dan in Andalusië.

Het DLR doet veel onderzoek naar zonnespiegels; Duitse bedrijven zijn – mede dankzij steun van de Duitse overheid – belangrijke leveranciers van deze technologie in Spanje en de VS. Nederland speelt op dit terrein geen rol.

Investeringen in zonnespiegels zijn jarenlang achtergebleven bij investeringen in zonnecellen. Nathan Lewis, hoogleraar chemie aan het California Institute of Technology rept niet over zonnespiegels in een recente review over zonne-energie (Science, 17 februari). Telt deze goedkope optie niet mee? In een e-mail verklaart Lewis dat Nevada Solar One grotendeels is gebouwd met technologie die in de grotere Californische centrales van begin jaren negentig ook al is gebruikt. Voor de toekomst lijkt hij de kans op doorbraken in zonneceltechnologie hoger in te schatten.

Over de toekomstmogelijkheden van zonnespiegels is in de afgelopen jaren heel wat in de glazen bol gekeken. Adviesbureaus baseren hun eindconclusies steevast op twee cruciale aannames: het tempo waarin nieuwe installaties worden gebouwd en de zogeheten progress ratio: een maat voor de verandering van de kostprijs bij een verdubbeling van de totale capaciteit. Dit is het zogeheten leercurve-effect.

De cijfers lopen uiteen, maar een schatting van de Amerikaanse adviesgroep Sargent & Lundy wordt veel geciteerd. Zij rekenen met een progress ratio van 0,92 voor centrales met trogspiegels (acht procent kostendaling voor elke capaciteitsverdubbeling) en 0,82 voor zonnecellen.

“Duidelijk is dat de kosten van spiegelcentrales minder hard omlaag gaan dan de kosten van zonnecellen”, zegt Edith Molenbroek van Ecofys, een in Utrecht gevestigd energieadviesbureau. Molenbroek onderzocht in opdracht van het ministerie van Economische Zaken de haalbaarheid van investeringen in spiegelcentrales op korte en lange termijn. “Als je de ontwikkeling in kostprijs per kilowattuur van zonnecellen en -spiegels bekijkt, dan mag je verwachten dat ze ergens tussen 2020 en 2025 gaan kruisen.”

“Zonnespiegels zijn een verouderde technologie”, zegt Pieter van der Vleuten, oprichter van de Nederlandse zonnepanelen producent Free Energy Europe, een bedrijf dat hij intussen heeft verkocht. En ook David Faiman specialist op het gebied van zonne-energie en verbonden aan het Ben-Gurion National Solar Energy Center in Negev toont zich in een e-mail sceptisch. “Ik twijfel er niet aan dat zonnetroggen in de toekomst nog goedkoper zullen worden, maar ze zullen nooit kunnen concurreren met fossiele brandstoffen.”

Toch heeft de Duitse overheid zich dat doel voor 2015 gesteld. Dat betekent niet dat beide energiebronnen dan even duur moeten zijn. Centrales die fossiele brandstoffen verbruiken zullen in de Duitse prognoses fors moeten gaan betalen voor de uitstoot van CO2. “Ik erken dat de technologische complexiteit voor zonnecellen energie hoger ligt dan voor zonnespiegels”, zegt Robert Pitz-Paal in een telefonisch interview. Zonnecellen hebben meer technische potentie, vindt Pitz-Paal, “maar spiegelcentrales zijn nu meer dan de helft goedkoper. Dat verschil maken zonnecellen niet zo maar goed.’’

Pitz-Paal schat dat spiegelcentrales in 2015 mondiaal een totale capaciteit kunnen hebben van 5 gigawatt, meer dan het tienvoudige van wat er nu staat. “In dat scenario achten wij een kostenreductie met de helft haalbaar’’, zegt hij. “Dan zit je dus op 7 à 8 eurocent per kilowattuur. Niet zo heel ver boven de kosten van energie uit een kolengestookte centrale.”

Centrales met zonnespiegels hebben volgens Pitz-Paal ten opzichte van zonnecellen nog een belangrijk voordeel: de relatief eenvoudige opslag van opgewekte energie. Opslag van energie uit zonnecellen in batterijen of chemische verbindingen (waterstof) is erg duur. Zonnespiegelcentrales hebben het makkelijker, omdat ze energie opwekken in de vorm van warmte.

Nevada Solar One kan een half uur aan opgewekte energie opslaan in een speciale tak van het pijpsysteem waar de synthetische olie doorheen loopt. Andasol gaat veel verder. In deze Spaanse centrale wordt overtollige warmte, opgewekt met een extra groot spiegelveld, overdag opgeslagen in vaten met gesmolten zouten. Dankzij deze warmte kan de centrale na zonsondergang nog zeven uur op vol vermogen blijven draaien.

Dankzij de warmteopslag ligt het gemiddeld jaarvermogen van Andasol op 40 procent van het piekvermogen van 50 megawatt. De exploitanten van Nevada Solar One rapporteren deze cijfers niet, maar zijn Californische voorgangers komen op jaarbasis niet boven 24 procent van hun piekvermogen. Uitgaand van dat cijfer ligt het gemiddeld vermogen van Nevada Solar One op 15 à 16 megawatt, genoeg om 12 à 13.000 gemiddelde Amerikaanse huishoudens gedurende het hele jaar van stroom te voorzien. Een middelgrote gas- of kolencentrale levert algauw 600 megawatt.

In principe kunnen zonnespiegelcentrales nog veel progressie boeken door het rendement te verhogen. ’s Werelds grootste zonnecentrales gebruiken trogvormige spiegels, maar het licht kan kan ook worden gebundeld met schotels of in torens. Zonnecentrales die werken met schotels wekken energie op met behulp van een kleine zogeheten Stirlingmotor in het brandpunt van de spiegel. De warmte van de zonnestralen wordt hierin omgezet in expansie van waterstof of helium. De technologie is kleinschalig, maar nog relatief duur.

De zonnetorens zitten wat betreft hun ontwikkeling ergens tussen de troggen en de schotels in. In maart van dit jaar is in Sanlúcar la Mayor, 25 kilometer ten westen van Sevilla, PS10 in gebruik genomen, met een piekcapaciteit van 11 megawatt ’s werelds eerste zonnetoren op commerciële schaal. Spectaculaire beelden zijn opnieuw te vinden op Youtube. De camera zeilt over een veld van 624 ‘paddestoelen’ met een vierkante spiegelende hoed van 121 m2. Voor de paddestoelen staat een 115 meter hoge toren. De paddestoelen zijn heliostaten, beweegbare spiegels die het zonlicht samenbrengen in de top van de toren, waar het wordt gebruikt om stoom te produceren voor een turbine.

duizend graden

Met spiegels zou de temperatuur in de top van de toren in principe tot ver boven duizend graden kunnen oplopen. Die temperatuur is in theorie bruikbaar om chemische verbindingen te creëren die veel energie opslaan. Maar dat is toekomstmuziek. Voorlopig maken de spiegels in Sanlúcar la Mayor stoom in de torent, tot een verzadigingspunt van 250 °C bij een druk van 40 bar. De bouwers van PS10 waren aanvankelijk van plan om stoom in de toren te verwarmen tot een hogere temperatuur, wat een hogere efficiency had opgeleverd. Maar uiteindelijk is er gekozen voor technologie “met een laag risico” die “zich bewezen heeft”, zo schreven de betrokken partners in het Final Technical Progress Report, een evaluatie van het project van november vorig jaar. “De stoomturbine werkt nu met een efficiency van minder dan dertig procent”, zegt Pitz-Paal. “Maar het is logisch dat met dit eerste project op commerciële schaal een conservatieve keuze is gemaakt.”

PS10 mocht van de Spaanse overheid geen fossiele brandstof gebruiken en dat was nu juist nuttig geweest voor toepassing van superverhitte stoom. Verzadigde stoom heeft de druk en temperatuur die past bij kokend water, bij verdere verhitting (meer dan 100 °C bij één bar, of meer dan 250 °C bij 40 bar) ontstaat superverhitte stoom die kan exploderen als de druk plots wegvalt. “Vooral bij het opstarten van een centrale moet je dan oppassen”, zegt Pitz-Paal. “En op de lange termijn heb je te maken met corrosie en stress. Maar die problemen zijn oplosbaar. De tweede toren die in Sanlucar wordt gebouwd zal superverhitte stoom gebruiken.”

gesmolten zouten

Uiteindelijk is het doel de temperatuur nog verder op te voeren. Een stoomturbine werkt efficiënter naarmate het verschil in druk en temperatuur tussen in- en uitgaande stoom groter is. Pitz-Paal: “Bij stoom van 1000 °C kan je efficiency waarmee je warmte in elektriciteit kunt omzetten oplopen tot vijftig à zestig procent. Dat betekent dat de totale efficiency waarmee je zonlicht omzet in elektriciteit kan oplopen tot 25 procent.”

Een andere manier om een hogere temperatuur en efficiency te realiseren is het gebruik van gesmolten zouten in het brandpunt of de brandlijn van de spiegels. Met Boeing bouwt het Spaanse Sener de zonnetoren Solar Tres, een centrale met een capaciteit van 17 megawatt die gaat werken met gesmolten zouten. Ook Solar Tres leunt op Amerikaanse voorgangers uit de jaren tachtig en negentig: de zonnetorens Solar One (niet te verwarren met Nevada Solar One) en Solar Two in Californië. Probleem van deze technologie is de hoge temperatuur waarbij het gesmolten zout in de toren en leidingen van zo’n centrale stolt. De ingenieurs van Solar Tres hopen dit op te lossen door een minder ingewikkeld systeem van pijpen en kleppen te gebruiken, maar ze waarschuwen in een recente inventarisatie dat het bevriezingsrisico kan leiden tot “additionele kosten die tot nu toe niet in aanmerking zijn genomen”.

Tenslotte kan de stoomverhitting van de zonnetoren PS10 ook in troggen worden toegepast. Volgens Eduardo Zarza van het CIEMAT-Plataforma Solar in Almería zijn de problemen met deze technologie onder controle, maar dat geldt alleen op experimentele schaal. Zarza wil een centrale met superverhitte stoom en trogspiegels opzetten met een capaciteit van 3 megawatt. “Het probleem is de financiering”, schrijft hij in een e-mail. “Een centrale van deze omvang is nog niet winstgevend.”

Zo is de grote schaal en de bijbehorende efficiency van zonnespiegelcentrales niet alleen hun grote kracht, maar ook hun zwakte. Wie investeert in zonnecellen in plaats van spiegels kan dat stap voor stap doen en is niet gebonden aan grootschalige projecten. Zonnecelspecialist Van der Vleuten: “Dat is van groot belang, omdat je zo beter gebruik kunt maken van voortschrijdend inzicht en technologie.”

Rectificatie / Gerectificeerd

-In het artikel `Zee van Spiegels` (W&O 19 mei) staat dat het oppervlak van de Gobi -woestijn 1,3 miljoen m2 groot is, dat moet zijn: 1,3 miljoen km.