www.trouw.nl, 25 april 2013.
Wetenschappers hebben een methode ontwikkeld om zonnestraling 2000 keer te concentreren en 80 procent daarvan direct om te zetten in bruikbare energie. Maar er is meer: het systeem kan ook drinkwater en koele lucht produceren op afgelegen locaties waar daar juist een tekort aan is.
Na een project van drie jaar en 2,4 miljoen dollar verder is er eindelijk de beloning voor de samenwerkende wetenschappers, die zich lieten inspireren door een onderzoek van de Europese Solar Thermal Electricity Association en Greenpeace International.
Volgens dat onderzoek is er slechts 2 procent van de zonne-energie uit de Sahara nodig om de wereld te voorzien in zijn energiebehoefte. Helaas waren de technieken voor het opvangen en distribueren van zonne-energie nog niet voldoende ontwikkeld. Het was te duur, te traag en er waren fossiele brandstoffen voor nodig. Kortom: zonne-energie miste efficiency om het op grote schaal praktisch haalbaar te maken.
Het prototype van het HCPVT-systeem maakt gebruik van een grote parabolische schotel die bestaat uit meerdere spiegelfacetten die zijn verbonden met een zon-traceersysteem dat de schotel precies in de juiste hoek plaatst om de zonnestralen optimaal te kunnen vangen. De stralen worden vervolgens gereflecteerd op meerdere ontvangers, die elk zijn voorzien van speciale fotovoltaïse chips die worden gekoeld met vloeistof. Elke chip van 1×1 centimeter groot kan 200 tot 250 watt converteren op een gemiddelde dag in een zonnige regio met acht uur zon.
Innovatief koelsysteem
De volledige ontvanger combineert honderden chips en genereert 25 kilowatt elektriciteit. Het innovatieve zit hem met name in de chips en het koelsysteem dat bestaat uit meerde lagen waarbij vloeistof stroomt door een systeem met minileidingen. Daarmee kan de hitte die er ontstaat tien keer meer efficiënt worden afgevoerd dan met het passieve luchtkoelsysteem waar nu gebruik van wordt gemaakt. Door de vloeistofkoeling blijft de chip vrijwel op dezelfde temperatuur, ondanks dat de concentratie van zonnekracht 2000 keer hoger ligt dan normaal. Het systeem is zelfs veilig bevonden tot een concentratie van 5000 keer hoger dan normaal.
Het vloeistofkoelsysteem verbruikt maar weinig energie, is geïnspireerd op het vatensysteem van het menselijk lichaam en werd al eerder getest door IBM in high performance computers. “We zijn van plan om met de fotovoltaïse chips met het koelsysteem een installatie te bouwen waarmee 30 procent van de zonnestraling direct kan worden geconverteerd tot bruikbare energie en additioneel 50 procent van de resthitte” aldus Bruno Michel, manager bij IBM Research. “We denken het te kunnen doen met een praktisch ontwerp dat is gemaakt van het extra sterke lichtgewicht beton dat wordt gebruik bij de constructie van bijvoorbeeld bruggen en goedkope pneutmatische spiegels”.
Kostenefficient
“Het ontwerp van het systeem is elegant simpel” zegt Andrea Pedretti, hoofd technologie bij Airlight Energy. “We vervangen het dure staal en glas door goedkoop beton en eenvoudige geperste metalen folie. De kleine high-tech componenten van het systeem worden gemaakt in Zwitserland. De overige delen in de landen waar de installatie komt te staan. Dat maakt het systeem kostenefficiënt en levert banen op in beide regio's. Een perfecte win-win-situatie”
De wetenschappers hopen met het ontwerp de kosten zo laag te houden dat het genereren van de energie minder dan 10 cent per kilowattuur (KWh) gaat kosten. Ter vergelijking: tarieven voor elektriciteit in Duitsland liggen rond de 25 ct per KWh.
Verkoeling en drinkwater
De hitte die de vloeistof aan de chips ontrekt, geeft ook weer energie die kan worden hergebruikt. IBM gebruikt nu al vloeistofgekoelde processors in computers en met de hitte die daarvan af komt worden overige ruimtes in het gebouw verwarmt. Het is ook mogelijk om met het water, dat 90 graden Celsius is, zoutwater te verwarmen en het door een poreus membraam te sturen om het te destilleren. De wetenschappers denken dat het systeem 30 tot 40 liter drinkbaar water per vierkante meter zonne-installatie per dag kan genereren. Een grote installatie zou een stad van voldoende drinkbaar water kunnen voorzien.
Opmerkelijk genoeg kan dat dezelfde gebruikte koelvloeistof de omgeving voorzien van koele lucht door gebruik te maken van een 'adsorption chiller'. Dat is een apparaat dat warmte converteert naar koeling met behulp van materiaal zoals, bijvoorbeeld, silicagel. Adsorption chillers worden nu al ingezet om airconditioners te vervangen die gebruikmaken van de energieverslindende compressiemethode waarbij gebruik wordt gemaakt van koeling met behulp van (schadelijke) vloeistoffen.
Er is drie jaar gewerkt aan het project dat werd mogelijk gemaakt door een beurs van 2.4 miljoen dollar van de Zwitserse Commissie voor Technologie en Innovatie die werd gegeven aan een samenwerking tussen wetenschappers van IBM Research (NYSE: IBM); Airlight Energy (leverancier van techniek voor zonne-energie), ETH Zurich (Studie voor dragers van Hernieuwbare Energie) en de Interstate University of Applied Sciences Buchs NTB (Instituut for Micro- en Nanotechnology MNT).