Except Integrated sustainability.
Flourish in a changing world.
Multi-disciplinary consulting, innovation and development organization working on advanced sustainability projects around the globe.

Zonnewindtoren opwaardering

Article > Improving vertical updraft towers for renewable energy

Dit artikel bekijkt hoe zonnewindtorens naast duurzame energie ook andere gebruiken mogelijk kunnen maken, zoals agricultuur, stedelijke luchtzuivering en andere innovaties.

h1. Introductie Het idee om zonnestraling te gebruiken om een convectiestroom op gang te brengen en deze te gebruiken voor energieopwekking stamt al uit 1903, toen de Spaanse kolonel Isidoro Cabayenes deze voorstelde in een wetenschappelijk tijdschrift. Zonnewindtorens, ofwel 'solar updraft towers', voorzien in hernieuwbare energieopwekking met hele simpele middelen, met constante en betrouwbare resultaten. Veel andere duurzame energiebronnen lijden onder hoge etmaal wisselingen of onvoorspelbare opwekpatronen. Voor energiecentrales is zekerheid en voorspelbaarheid van aanlevering van groot belang. Vanwege de hoge initiële investering benodigd, gebrek aan kennis van het systeem en de zonnewindtoren's relatief lage opwek efficiëntie is er enkel één prototype gebouwd, in de jaren tachtig in Spanje. Dit prototype volbracht zijn taak zo goed dat hij nog zeven jaar na de looptijd van drie jaar van het experiment heeft gedraaid. De zonnewindtoren blijft vaak in de la liggen vanwege de vermeende relatief lage opbrengst, wat tot op zekere hoogte onterecht is. De efficiëntie van de toren is lager dan die van een zonne collector of een zonnecel, en daardoor word vaak niet verder gekeken naar het systeem. In de meeste onderzoeken word het land waar de toren op staat beschouwd als zijnde bebouwd, en meegerekend als de kosten post. Except Architectuur & Consultancy onderzoekt de mogelijkheid om creatief om te gaan met deze technologie en deze te combineren met andere vormen van gebruik, om zo de efficiëntie, return on investment en bijkomende positieve effecten te verhogen.

Het klassieke zonnewindtoren scenario    

De kleine experimentele proeftoren gebouwd in Manzanares, Spanje in 1982 door Schlaich Bergermann & partners, kan gezien worden als de klassieke zonnewindtoren opstelling. Het systeem vraagt een groot stuk ongebruikt land om daarop een transparant membraan te plaatsen, van glaspanelen of een sterke transparante polymeer, enkele meters van de grond af, van 500m tot 10km in diameter. In het midden daarvan bevind zich een schoorsteen van 100m tot 1 km in hoogte. Zonlicht raakt door het membraan heen de grond en wordt geconverteerd naar warmte. De lucht onder het membraan warmt snel op door het broeikaseffect en door de gegenereerde overdruk stroom de lucht naar de schoorsteen toe, wat een lage druk gebied is. De continue luchtstroom die zo ontstaat drijft een turbine aan die aan de voet van de schoorsteen is geplaatst. 's Nachts zorgt het temperatuurverschil tussen de warme grond en de koude lucht voor een beperkte voortzetting van dit effect, wat nog versterkt kan worden door het toevoegen van thermische opslag. Zoals met alle zonneenergiesystemen neemt de efficiëntie af naarmate de locatie van de toren een hogere latitude heeft.

Pilot Plant Solar Updraft Tower Pilot Plant Manzanares Solar Updraft Tower
Proeftoren in Manzanares (image source)

De grootste kostenpost van het systeem is de initiële investering. Daartegenover staat dat het onderhoud en opereren van een toren zeer goedkoop en eenvoudig is. Het systeem is simpel, met als enige bewegende component de turbine, en dus zeer betrouwbaar. De enige elementen die onderhoud behoeven bevinden zich dicht bij de grond en zijn gebaseerd op eenvoudige middelen die overal te zijn verkrijgen. Een van de grootste uitgaven is de prijs van het land waarop de toren staat, wat betekent dat het rentepercentage van de lening waarmee de initiële investering is gedaan voor een groot deel de kosten van de geproduceerde energie bepaalt. Dit maakt de zonnewindtoren een erg geschikte energievorm voor afgelegen gebieden nabij de evenaar waar land goedkoop is.

Een schatting voor de prijs van geproduceerde energie varieert van 5 eurocent per kWh tot 25 euroct/kWh, afhankelijk van de kosten voor de grond en het financieringsscenario. Een normale centrale draaiend op aardgas kan in vergelijk energie leveren voor 5ct/kWh. Except's onderzoek naar mogelijkheden om het land onder de collector tegelijkertijd te benutten voor alternatieve doelen kan de efficiëntie van de zonnewindtoren drastisch verhogen, en laten toepassen als betaalbare derde wereld technologie of betrouwbare high-tech energieopwekking voor de eerste wereld.

 
Solar Updraft Tower Diagram
Klassieke zonnewindtoren diagram

 

Fysieke parameters:
Power Output Diameter / Area Height
     
50kW (Exp. Tower Manzanares) 0.25 / 0.05 km2 195 m
40MW 1 / 3.5km2 750 m
100MW 2.5km / 20km2 1000 m
200MW (200k households) 3.4km / 38 km2 1000 m
     

Uitbreidingsscenario 1: Agricultureel gebruik

   

Een belangrijk bijeffect van het plaatsen van een transparant membraan over een stuk land is de opvang van verdampt grondwater en de terugkeer daarvan naar de bovenlaag van de vruchtbare grond. Deze plaatselijke stijging van de grondvochtigheid kan het land onder de collector geschikt maken voor landbouw, waar het zonder de collector niet zou kunnen. Dit betekent dat sommige onvruchtbare gronden gebieden dubbel gebruikt kunnen worden door het toepassen van een zonnewindtoren, en dat de efficiëntie van grondgebruik van de toren omhoog gaat. Ook kan de collector dienen als regenwateropvang, dat opgeslagen kan worden voor gelijkmatige irrigatie.

De vrije ruimte onder de collector kan makkelijk landbouwmachines toelaten, en de ondersteuningspunten kunnen ver genoeg van elkaar af staan om er tussendoor te rijden. Verschillende gewassen kunnen verbouwd worden afhankelijk van de grond soort en klimaatcondities, als er rekening mee word gehouden dat nabij het centrum van de zonnewindtoren de wind te sterk is voor de meeste gewassen. Met substantiële plantengroei komt ook een remmende werking op de luchtstroom. Dit kan wellicht worden verminderd door een hogere afstand van het membraan tot de grond.

Een volgende mogelijkheid voor de zonnewindtoren in combinatie met landbouw is het plaatsen van algenproductietanks onder het membraan. De algen kunnen gebruikt worden voor voedsel in open kweek (eg Spirulina) of voor olievervangers (eg Botryococcus) in gesloten kweek . Deze waterhoudende tanks dienden dan tegelijkertijd als thermische massa om het verloop van dag tot nacht van de toren tegen te gaan. De soort algenkweek is afhankelijk van het lokale klimaat, de afzetmogelijkheden en beschikbaar water. Voor woestijnen, waar vaak brak of zout grondwater aanwezig is, zouden eenvoudige zonne ontzilters het water op de juiste zoutgraad kunnen brengen (veel algen houden van brak water). De controle systemen voor beheersing en meting van de bassins kunnen centraal worden geplaatst bij de turbine, die de energie genereert voor de agitators in de bassins. Zo krijgt men een gesloten elektrisch systeem, wat zonder dit vaak voor algenfabrieken in de woestijn een grote kostenpost is.

Landbouw gebruikend in combinatie met de zonnewindtoren kan een goed systeem zijn voor zowel duurzame economische strategieën als gemeenschapsrestauratie in ontwikkelende gebieden.

 
Solar Updraft Tower Agriculture Farming Diagram
Agriculturele Zonnewindtoren
     

Uitbreidingsscenario 2: Cogeneratie

   

Zonne-energie technologieën zoals zonnecollectoren of photovoltaics genereren een substantiële hoeveelheid hitte, omdat maar een deel van de zonne-energie word omgezet in elektriciteit, de rest manifesteert zich als warmte. Bij zonnecellen is het zelfs zo dat hogere temperaturen de efficiëntie schaadt, en in voldoende koeling aan te raden is. De ruimte onder het membraan van een zonnewindtoren kan gebruikt worden voor andere zonne technologie, en zo kan de efficiëntie van beide systemen verbeterd worden. De convectiestroom kan zo de zonnecellen luchtkoelen. Zaken om rekening mee te houden zijn het verlies van een kleine hoeveelheid directe zonnestraling door reflectie van het membraan, en de hoeveelheid koeling die gehaald kan worden. De zonnecellen verergeren het verschil in opbrengst tussen dag en nacht wel, waar rekening mee gehouden moet worden bij de planning van het project.

Deze strategie kan ook gecombineerd worden met agricultureel gebruik. Nabij het midden van de toren waar plantgroei niet mogelijk is door de sterke win kunnen zonnecollectoren of cellen worden geplaatst.

 
Solar Updraft Tower Solar Collector Cogeneration Diagram
Cogeneratie Zonnewindtoren
     

Uitbreidingsscenario 3: Stedelijk gebruik

   

Een zeer afwijkende vorm van gebruik kan bestaan uit het toepassen van een zonnewindtoren voor stedelijk gebruik, waarbij de nadruk op elektriciteitsopwekking wordt verlegd naar klimaatverbetering, energiebesparing en luchtreiniging. Een zonnewindtoren in een stad kan moeilijk de grootte van een toren in het veld bereiken, dus het opwekkend vermogen is gereduceerd. Echter, drie voordelen kunnen met een stedelijke toren worden gehaald:

Als eerste zou de toren uitgerust kunnen worden met NOx, fijnstof en andere luchtfilters. De continue convectie van de toren zou zo de stedelijke lucht kunnen reinigen, en tegelijkertijd een bepaalde hoeveelheid energie kunnen opwekken. Zo'n soort systeem zou erg goed toepasbaar zijn voor zeer vervuilde steden.

Een tweede effect is dat in koude klimaten de hittedissipatie van de stedelijke omgeving gebufferd kan worden. De gevangen lucht onder het membraan (veel hoger opgesteld dan in andere gevallen) zorgt voor de energieopwekking maar verlaagt ook de temperatuurgradient met omringende objecten, waardoor er minder warmteverlies is uit gebouwen.

Als derde kan in warme klimaten het systeem uitgerust worden met een tweede membraan, bestaande uit gedeeltelijk lichtdoorlatende photovoltaics. Zo komt er minder directe zonnestraling op het grondoppervlak en koelt de stad af. De convectie tussen de eerste en tweede laag zorgt voor de afdracht van de grootste hoeveelheid zonnewarmte, die dan energie opwekt in de schoorsteen. De zonnecellen dragen bij aan de warmte in deze laag en leveren een beperkte hoeveelheid extra energie op. De constante convectie opgewekt door de toren draagt bij aan het beperken van het hitte-eiland effect, een grootstedelijk klimatologisch probleem in warme gebieden.

 
Solar Updraft Tower Agriculture Farming Diagram
Stedelijke Zonnewindtoren

 

 

 

Conclusie    
Zonnewindtorens hoeven niet op een bepaald type grond geplaatst te worden en zijn flexibel in de hoogte van het geplaatste membraan. De efficiëntie van de toren kan veranderen afhankelijk van de weerstand van de grond, maar het voordeel van het land dubbel gebruiken voor zowel elektriciteitsgeneratie als een andere functie is zo groot dat dit economisch teniet gedaan kan worden, en zo een zeer aantrekkelijk voorstel wordt. De zonnewindtoren is een van de eenvoudigste en rechtdoorzee oplossingen voor duurzame energieopwekking, en indien juist ontworpen kan het toegepast worden in een groot aantal situaties. Het leent zichzelf goed voor herontwikkeling van economisch achtergestelde gebieden en voor de generatie van elektriciteit in afgelegen gebieden zonder de noodzaak voor grote onderhoudsploegen of materieel.

Except onderzoekt momenteel een aantal andere gebruiken en mogelijkheden voor zonnewindtorens, zowel voor landelijke energieopwekking als stedelijk gebruik.

 

   
     
Meer informatie    
Wikipedia: Solar Updraft Tower
Schlaich, Bergermann & Partner
Planned Australian Solar Updraft Tower in Mildura
Solar Nozzle Physics page
Solar Updraft Tower in Namibia For Food & Energy
   
     

Author

Except Integrated Sustainability

Tom Bosschaert
Director

Email  [javascript protected email address]
Phone   +31 10 7370215