Een tijd geleden schreef ik over Concentrating Solar Power, als een mooie duurzame manier om uit zonnestraling een hele hoop elektrische energie te halen en ook nog de mogelijkheid om water te ontzilten. Ik heb onlangs gezien dat het bedrijf Concentrix al een heel eind op weg is met hun invulling van CSP, namelijk met een product als de FLATCON module, die ik in dit artikel wil presenteren in al zijn aspecten.

Het FLATCON product

De FLATCON module is een product op basis van CSP dat wordt gepromoot door het bedrijf Concentrix, dat een spin-off is van het Fraunhofer instituut dat in de 90-er jaren de technologie uitgewerkt heeft wat de basis vormt voor dit product.
Het bedrijf heeft als doel het commercialiseren van de FLATCON technology en het is begonnen in 2005, nadat het Fraunhofer instituut al een efficiëntie had aangetoond van 22,7 % met de beste, manueel geproduceerde, modules, en nadat een gedetailleerde kostanalyse liet zien dat dit product met deze technologie mogelijkheden bood in de toekomst, zie ook onderstaand figuur.

Figuur: kostenanalyse inschatting voor 2010 voor een FLATCON productielijn

Figuur: kosten voor de elektriciteit van het FLATCON product zijn erg afhankelijk van de standplaats
Zoals al eerder aangegeven met CSP, is het belangrijk dat deze modules geïnstalleerd worden in gebieden met een hoge zonne-instraling (in het plaatje de “Global Horizontal Irradiance”). Zoals is te zien is in (Zuid-)Spanje het FLATCON systeem goedkoper dan het bekende fotovoltaïsche zonnepaneelsysteem. Beide plaatjes betreffen een inschatting van de situatie in 2010, waarbij is uitgegaan een tweemaal zo hoge onderhoudskosten voor de FLATCON (vanwege de tracker, zie ook verder).

De FLATCON technologie

Concentreren van zonne-energie
Het product maakt gebruik van de omzetting van zonne-energie in elektrische energie, net zoals de gewone zonnepanelen die we allemaal wel kennen. Echter, dit product concentreert de zonne-energie door gebruikmaking van een (Fresnel)lens; de zonnestraling die op een gebiedje van 4 cm x 4 cm komt wordt geconcentreerd op een kleine zonnecel van 2 mm diameter.

Figuur: zijaanzicht van de module, het concentreren van de zonnestraling op de zonnecel

De voordelen zijn de volgende:

• Er is maar een kleine zonnecel nodig om veel energie te ontvangen en om te zetten; deze zonnecel ontvangt nu de lichtenergie van 500 x de oppervlakte van zichzelf. Omdat de kosten van de zonnecel hoog zijn, en omdat er hier maar weinig van nodig is, drukt deze technologie dus de modulekosten. In de plaats hiervan komen lens (glas) kosten en deze zijn veel lager.
• De zonnecel blijkt efficiënter te werken bij hele hoge concentraties zonne-instraling. Dat verbetert dus in totaal ook de module efficiëntie.

De III-V materiaal technologie
Er kan gebruik gemaakt worden van verschillende celmateriaal-technologiëen. Een voorbeeld zijn de producten op silicium gebaseerd zoals van bedrijven als Amonix of Solarsystems Australia. Het Fraunhofer instituur heeft het geld ingezet op de III-V technologie – die al gebruikt werd voor zonnecellen gebruikt in de ruimte voor satellieten – want zij stellen dat hier hogere efficiënties mee gehaald kunnen worden.

Figuur: Historische ontwikkeling van efficiënties van III-V samengestelde zonnecellen

Koeling
De zonnecel krijgt een hele hoop zonne-energie te converteren, waardoor deze erg warm wordt. Voor voldoende koeling wordt gezorgd door de cel te monteren op een koperen plaatje. Deze passieve manier van koelen blijkt voldoende om de temperatuur van de zonnecel intern onder de 90 graden te houden bij normale buitentemperaturen.
Je kunt op de volgende detailfoto goed de koperen plaatjes zien. Trouwens ook het vele metaal om de modules te dragen.

Figuur: achteraanzicht, met de koperen plaatjes en het frame om alle modules te dragen

Tracker: volgsysteem voor de zon
Het is belangrijk dat de module goed gericht is op de zon, zodanig dat de zonnestralen loodrecht binnenkomen en daarmee afgebeeld worden op de kleine zonne-cel; want bij een iets scheve inval, komen de zonnestralen al vlug deels naast de cel terecht en hiermee wordt energie niet opgevangen en omgezet naar elektriciteit. Er wordt gebruik gemaakt van een volgsysteem dat kennis heeft van de geografische geïnstalleerde positie en een astronomisch algoritme gebruikt om zich te richten, en het gebruikt ook een optische sensor om de lichtinval te meten en te corrigeren voor kleine afwijkingen.

Figuur: de optische sensor. Bron Peter Segaar 2007

Samengestelde zonnecellen
In het Engels “compound solarcells”, wat betekent dat de zonnecellen bestaan uit op elkaar gestapelde afzonderlijke cellen, in dit geval drie verschillende typen cellen (in het Engels “triple-junction solarcells”.

Figuur: een tandemzonnecel deelt het lichtspectrum in tweëen en zet het dan om in elektriciteit”)
Ieder type cel heeft een eigen gevoeligheid voor een specifiek deel van het spectrum van het zonlicht dat erop valt. Uiteindelijk wordt zo een groot gedeelte van het zonlicht geabsorbeerd en omgezet in elektriciteit, wat dus de efficiëntie verhoogt.

De ervaringen met het product

In Lorca, Spanje, is ervaring opgedaan met een FLATCON systeem. Dit systeem had een vermogen onder standaard condities van 5.67 kW en een systeem-efficiëntie van 23 %.

Figuur: de energie-centrale bestaande uit drie trackers, in Lorca, Spanje
Men had van te voren bepaald dat een fout in uitlijning met de zon een groot effect heeft op de opbrengst, zoals onderstaand figuur laat zien.

Figuur: de hoekafwijking in uitlijning met de zon en de impact op de performance
In Spanje is zodoende bepaald wat de positionerings-fouten waren als gevolg van (1) de nauwkeurigheid van de tracker en (2) het buigen van de plaat waarop alle 120 modules zaten. Middels het integreren van extra meetsensoren is bepaald dat de maximale fout kleiner was dan 0,1 graad, dus de impact op de performance is klein. Men heeft de invloed van wind wel genoemd als zijnde van mogelijke invloed, maar niet gemeten (althans niets gerapporteerd).
Concentrix heeft inmiddels een pilot productielijn van 1 MW per jaar, en is deze aan het uitbouwen naar 25 MW.

Energie terugverdientijd

De energiebalans of de energie-terugverdientijd geeft aan hoe lang het duurt voordat het product zijn eigen energie terug heeft opgewekt. Met de eigen energie wordt bedoeld:

1. de energie die het kost om het product te produceren. Hierbij bepaalt men de energie nodig voor de grondstoffen en halffabrikaten voor de modules, evenals de energie nodig voor de assemblage en productieprocessen (veelal elektrische energie).
2. de energie die het kost om het product te onderhouden (vooral de energie opgenomen door de tracker om de zon te volgen)
3. de energie te wellicht teruggewonnen wordt wanneer men tot recycling overgaat

Zie verder ook dit artikel over de energiebalans.

Alle energiëen worden uiteindelijk omgerekend naar een primaire energiebehoefte. Deze relatie is in ieder land wat anders en afhankelij van hoe de elektrische energie wordt opgewekt. Bijvoorbeeld in Duitsland is deze 2,9 en in Spanje 2,5, dit wil zeggen dat in Duitsland voor iedere elektrische kWh er wordt verbruikt, er 2,9 x 1 kWh aan primaire energie nodig is. In Spanje is er minder primaire energie nodig, waarschijnlijk omdat de energiecentrales daar efficiënter zijn.

Wat mij betreft is deze energiebalans veel belangrijker dan de economische, daar alleen energiegenererende producten met een positieve energiebalans in staat zijn om in onze honger naar energie blijvend te kunnen voorzien. Ook heeft een korte energie-terugverdientijd een relatie met het vermogen CO₂ uitstoot te reduceren;hoe korter de terugverdientijd des te meer CO₂ wordt bespaart die anders zou zijn gegenereerd door de huidige fossiele verbranding.

Men heeft deze analyse uitgevoerd voor een FLATCON module zoals die in 2005 werd geproduceerd, met een vermogen van 6 kW_p. De energie terugverdientijd is te berekenen door gebruik te maken van de volgende formule:
, waarbij:
EPBT de terugverdientijd is in jaren
CED_system [J] de totale primaire energievraag is voor de productie
E_el [J] is de elektrische energie die in 1 jaar wordt geproduceerd
E_tracking is de energieconsumptie van het trackingsysteem, per jaar
R_prim is de conversie van elektriciteit naar primaire energie, geldend voor het land waar de module werkt.

Productie-energie

Figuur: de bijdrage van de verschillende onderdelen aan de benodigde (primaire) energie voor de productie van een FLATCON module
Men kan duidelijk zien dat het tracker systeem veel energie vraagt. Dit komt omdat bijna 1000 kg aan staal nodig is voor de tracker. Ook de glazen behuizing is van belang, die hier een tweede plaats inneemt. Men heeft goed gekeken naar de onnauwkeurigheid in de bepaling van de energie benodigd voor deze onderdelen en rekening gehouden met een best en een worst-case. In het totaal komt dit neer op 80.266 MJ aan primaire energie voor de productie (rekening houdend met een factor 2,9 omdat de unit in Duitsland is geproduceerd).

Energie in het gebruik
In operatie gebruikt de module energie voor het tracking systeem. Dit is gesteld op 12 uur tegen 50 W, dus een 219 kWh per jaar. De hoeveelheid opgewekte energie is bepaald van een systeem dat heeft gewerkt in Tabernas, Spanje. Hier leverde een 25,6 m² module tegen een efficiëntie van 26 % een totaal van 11.888 kWh per jaar. De netto opbrengst is hiermee 11.669 kWh per jaar. Ook deze wordt omgerekend naar de primaire energie en omdat we in Spanje zijn, is deze een factor 2,5 keer hoger, komende op 105.021 MJ (1 kWh is gelijk aan 3,6 MJ).

Energie bij recycling
Vanwege het niet aanwezig hebben van betrouwbare informatie over het recycleproces, is deze fase niet meegenomen in de berekening. Er is in het design wel gelet op het makkelijk recycleerbaar maken van de module, dus er zou energie terugverdiend moeten worden bij recyclage (omdat de materialen hergebruikt kunnen worden).

Resultaat

Er komt dus driekwart jaar uit, oftewel 9 maanden. Houdt men rekening met enige onnauwkeurigheid in de productie-energie berekening dan komt men op 8 à 10 maanden energie-terugverdientijd.

Wanneer het systeem in Duitsland zou worden gebruikt, dan valt de transport-energie grotendeels weg, maar is de opbrengst ook minder vanwege de lagere zonne-instraling. Men heeft de berekening opnieuw uitgevoerd en komt dan op 12 à 16 maanden.

In mijn energiebalans artikel heb ik deze FLATCON toegevoegd in de tabel met energie terugverdientijden. Om de extra parameter EPR uit te rekenen ben ik uitgegaan van een technische levensduur van 25 jaar, vergelijkbaar met overige CSP systemen.

Conclusies

In dit artikel heb ik verteld over een CSP product dat inmiddels in verre ontwikkeling is. De kostenanalyse geeft aan dat het product meer potentie heeft dan de huidige zonnecellen. Veldtesten laten zien dat opbrengsten zodanig zijn dat van energie-terugverdientijden kan worden gesproken van ongeveer 9 maanden bij installatie in Spanje of 14 maanden bij installatie in Duitsland. Dus, energetisch gezien, is het in Duitsland al interessant om dit systeem te installeren en te gebruiken voor de elektriciteitsvoorziening. Men zou kunnen denken langs snelwegen bijvoorbeeld.
Tot slot hoop ik dat we binnenkort meer kunnen horen en zien van dit product en anderen die middels dezelfde technologie werken.

Referenties

Bijna alle referenties kunnen worden gevonden op de website van Concentrix.

De publicatie over de energie-terugverdientijd is middels deze link te verkrijgen.