Energie
Ruimtegebaseerde energieoplossingen voor eindeloze schone energie
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Pushing Renewables Higher
De drang om onze energiesystemen te decarboniseren en te elektrificeren leunt momenteel op hernieuwbare bronnen, met name wind en zon. Geothermische energie en kernenergie kunnen ook helpen.
Helaas heeft elk van deze oplossingen enkele beperkingen:
- Geothermie is nog steeds tamelijk ongetest op grootschalige productie en hangt af van ongelijke lokale warmtebronnen.
- Kernenergie is impopulair, produceert kernafval en vereist veel kapitaal vooraf. Dit belemmert de adoptie, zelfs als de meeste van deze problemen opgelost zouden kunnen worden door 4thgeneratie kernenergiesystemen.
- Hernieuwbare energie lijdt onder intermitterend karakter, waardoor groene stroomnetten ook enorme bedragen moeten investeren in batterijen en andere vormen van energieopslag.
Als het om zonne-energie gaat, lijkt de intermitterende aard een onvermijdelijke eigenschap, aangezien de aarde de helft van de tijd in de nacht staat. Om dit probleem te verergeren kan bewolking de energieopbrengst weken of zelfs maanden in sommige regio’s drastisch verminderen, en dat nog vóór de problemen door stof of sneeuw worden besproken.
Wat als we, om nachtelijke en klimatologische problemen te vermijden, onze zonne-energiebasis in de ruimte zouden plaatsen? Hoe zou dat werken? En is er een andere manier om de beschavingen van de aarde vanuit de ruimte van energie te voorzien?
Space-Based Solar Power
Het eerste belangrijke kenmerk van ruimtegebaseerde zonne-energie is dat de energiesatellieten, terwijl ze de aarde omcirkelen, in een baan kunnen worden geplaatst die nooit in de schaduw van de aarde komt, waardoor ze 24/7 produceren. Dit verdubbelt niet alleen de productie, maar elimineert ook de noodzaak voor batterijen bij grondgebonden zonne-energiecentrales.
Gecombineerd met het ontbreken van verminderde productie in de winter of door bewolking, wordt intermitterende zonne-energie bijna een perfecte baseload‑energie.
Een andere factor is dat de atmosfeer een groot deel van het zonlicht absorbeert, zelfs zonder wolken. De hellingshoek van de aarde en de bolvormige vorm verminderen bovendien de hoeveelheid zon die de grond bereikt buiten de evenaar.
Ruimtesolarenpanelen hebben geen van deze beperkingen. Dankzij al deze gecombineerde factoren kan een zonnepaneel in een baan tot wel 40 × meer produceren dan één op de grond.
How Does It Work?
We weten al hoe we zonne‑energie in de ruimte kunnen opwekken, met hoogrendementspaneelen die vrijwel alle satellieten en het ISS van stroom voorzien. In theorie hoeven we alleen veel meer van zulke panelen in een baan te plaatsen en de energie terug naar de aarde te sturen.
Bron: Solar.com
Verrassend genoeg is het terugzenden van energie niet zo moeilijk als men zou denken. Het dominante concept tot nu toe is het gebruik van microgolven (2,45 GHz), die niet door wolken worden geabsorbeerd. De microgolven worden vervolgens opgevangen en terug omgezet in elektriciteit dankzij een speciaal type antenne, een zogenaamde rectenna.
Alternatief kan de energie ook met lasers worden teruggekaatst.
Het terugstralen van een enorme hoeveelheid energie naar het aardoppervlak kan wat zorgwekkend klinken. Het roept het beeld op van een science‑fiction super‑slechterik‑doodstraal. In de praktijk zou zo’n straal echter energierijk zijn, maar verre van krachtig genoeg om een gevaar voor het oppervlak te vormen.
Het moet worden opgemerkt dat een van de voordelen van dit systeem is dat de door de zonnepanelen opgewekte gelijkstroom (DC) direct kan worden gebruikt voor het stralen ervan, terwijl wisselstroom (AC) alleen op de grond wordt gegenereerd om de elektriciteit in het net te injecteren.
Why Now?
Solar Costs
Het opwekken van stroom uit orbitale zonne‑energiecentrales is een oud idee. Maar nu begint het er echt op te lijken dat het levensvatbaar kan worden.
De eerste reden is de toenemende efficiëntie en dalende kosten van zonnepanelen, dezelfde factoren die het op de grond een haalbare optie maakten.
Bron: News Channel 3
Verdere technologische vooruitgang kan de conversie‑efficiëntie nog verder laten stijgen. Momenteel hebben de gangbare grond‑zonnepanelen een efficiëntie van 20‑23 %. De panelen die in de ruimte worden gebruikt, halen vaak wel 30 %, omdat de extra kosten worden gecompenseerd door minder gewicht dat naar de baan moet worden gebracht, met nog meer winst in het vooruitzicht.
“Huidige panelen die in de ruimte worden gebruikt, behalen efficiënties van ongeveer 30 % bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit, en in de komende 20 jaar verwachten we dat ze 40 % zullen bereiken.
Launch Costs
De andere olifant in de kamer is de instortende kostprijs om de baan te bereiken, bijna volledig gedreven door de prestaties van SpaceX (SPCX ) met herbruikbare raketten. Deze kosten zijn al met een factor 10 verlaagd en zullen naar verwachting nog goedkoper worden met de lancering van Starship en de massaproductie van de grootste raket in de geschiedenis.
Bron: Ark Invest
Toen de lanceerkosten £7.716 per kilogram bedroegen, kwam dat neer op ongeveer £154 per watt aan “installatiekosten”, vergeleken met een bescheiden £2‑1,5 op de grond. Maar als de lanceerkosten laag genoeg kunnen dalen, maakt dit ruimtegebaseerde zonne‑energie economisch levensvatbaar. En Elon Musk mikt op een bescheiden $100/kg op de lange termijn, dankzij de volledige herbruikbaarheid van de enorme Starship‑payload.
Space-Based Solar Power Limitations
Price And Launch Costs
Zoals hierboven uitgelegd is ruimte‑gebaseerde zonne‑energie alleen levensvatbaar als de lanceerkosten aanzienlijk dalen. Hoewel dit gebeurt, is het onduidelijk hoe snel een verdere 10‑voudige verlaging van de orbitale lanceerkosten kan worden gerealiseerd.
Dit zou de adoptie van ruimte‑gebaseerde zonne‑energie aanzienlijk kunnen vertragen, waarbij de meeste grote prototype‑projecten (nabij de MW‑schaal) hoogstens vóór 2025‑2030 worden verwacht. Een significante impact zal pas worden bereikt wanneer dergelijke systemen 1.000‑maal groter zijn, op GW‑niveau.
Orbital cluttering
Een andere zorg is de daadwerkelijke duurzaamheid van de zonnepanelen in een baan. De ruimte is een harde, hoog‑stralingsomgeving, en de panelen zullen na verloop van tijd degraderen. Hetzelfde geldt waarschijnlijk voor elektronische componenten zoals de microgolf‑antenne.
Bovendien raakt de orbitale ruimte steeds meer vervuild. Ruimtesluis is een ernstig probleem geworden, en constellaties van Low‑Earth‑Orbit (LEO)‑satellieten laten het aantal objecten rond onze planeet exponentieel toenemen.
Ruimte‑gebaseerde zonne‑energiecentrales zouden enkele vierkante kilometer beslaan, waardoor ze regelmatig door ruimte‑slijpsel geraakt kunnen worden. Zelfs micrometeorieten worden een probleem als er voldoende oppervlak en tijd is.
In een worst‑case scenario zou een grote inslag meer puin creëren, wat op zijn beurt weer meer puin zou genereren, in een catastrofale cascade die het merendeel van de aardse satellieten vernietigt. Dit fenomeen staat bekend als het Kessler‑syndroom.
Momenteel zou het Kessler‑syndroom al genoeg schade aanrichten, door telecommunicatie, ruimte‑gebaseerde beeldvorming en wetenschap, evenals vroegtijdige nucleaire detectiesystemen, te verstoren.
Maar als een groot deel van de energie van de aarde wordt geleverd door orbitale zonne‑energiecentrales, zou zo’n gebeurtenis nog verwoestender zijn.
Durability And Recycling
Tenzij ze zich in een zeer verre baan, ver van LEO, bevinden, dalen satellietbanen vrij snel. Daarom moeten zonne‑energiecentrales naar hogere banen worden gebracht, richting geostationaire banen (GEO), wat de kosten verhoogt omdat er meer lanceercapaciteit nodig is.
Dit zet ook hun recycleerbaarheid in vraag, aangezien deze zonnepanelen veel kostbare en niet‑hernieuwbare grondstoffen verbruiken, waaronder zilver.
Op de lange termijn zal elke grootschalige zonne‑energie‑infrastructuur dus ook moeten leren de panelen te recyclen in plaats van ze te vernietigen door ze in de baan te laten blijven of terug te laten vallen op aarde.
Ten slotte is het sturen van materiaal de baan in zeer energie‑intensief. Alleen hoog‑rendement‑raketten maken het proces levensvatbaar, waardoor de orbitale zonnepanelen de “payback” kunnen leveren voor de energie die niet alleen is gebruikt om ze te vervaardigen, maar ook om ze de baan in te krijgen.
Energy Losses
Zoals gezegd ontvangen zonnepanelen in de ruimte veel meer energie dan op de grond. Ze moeten echter verschillende extra stappen doorlopen voordat ze het net kunnen voeden:
- Grond‑gebaseerd: zonlicht opvangen → DC naar AC omzetten → stroom in het net injecteren.
- Ruimte‑gebaseerd: zonlicht opvangen → microgolven omzetten → microgolven terug omzetten naar elektriciteit → DC naar AC omzetten → stroom in het net injecteren.
De meerdere extra stappen die het stralen van microgolven naar beneden omvatten, veroorzaken enorme energieverliezen, bovenop de maximale 30‑40 % zonlicht‑→‑stroom‑conversie‑efficiëntie.
“Het systeem dat we in onze demonstratie gebruikten had een end‑to‑end‑efficiëntie van ongeveer 5 %. Dat is niet operationeel levensvatbaar, zelfs niet als het zonlicht gratis is. Voor een ruimte‑gebaseerde zonne‑energiecentrale moet de efficiëntie ten minste rond de 20 % liggen.”
Stable Orbits And Solar Wind
Een laatste vraag is hoe de orbitale trajecten van de zonne‑energiecentrales te beheren.
De zonnepanelen moeten continu hun positie aanpassen om maximale zonblootstelling te krijgen. De microgolfstralen moeten continu worden bijgestuurd om het juiste gebied van het aardoppervlak te raken.
Door hun lichte gewicht en maximale blootstelling aan zonlicht, worden de zonnepanelen voortgestuwd door zonnevleugels en licht. In feite wordt deze licht‑druk al gebruikt om zonzeilen te maken die ruimteschepen voortstuwen.
In de context van een orbitale zonne‑energiecentrale die stabiel moet blijven, kan dit een probleem worden.
Overall Prospects of Space Photovoltaics
Een groot deel van de toekomst van ruimte‑gebaseerde zonne‑energie zal afhangen van de ontwikkeling van de ruimte‑industrie als geheel. Een paar cruciale factoren moeten samensmelten om dit te laten slagen:
- Groei van de industrie die schaal en innovatie mogelijk maakt om lanceerkosten tot de benodigde niveaus te verlagen.
- Ontwikkeling van een orbitale en/of cis‑lunair industriële economie, ten minste voor onderhoud en recycling van de energysatellieten.
- Goed beheer van ruimte‑puin en het behouden van een neutrale en vreedzame baan.
Alternative To Photovoltaic Space Solar
Concentrated Solar And Orbital Mirrors
Het licht → stroom → microgolf → terug naar stroom‑systeem veroorzaakt van nature enorme verliezen, die gedeeltelijk de hogere zonne‑output vanuit de ruimte compenseren.
Dit is een kernkritiek op dit concept, zelfs omarmd door niemand minder dan Elon Musk al in 2012
“Laat me je vertellen over een van mijn favoriete ideeën: ruimte‑zonne‑energie. OK, het domste wat er bestaat.
En als iemand moet denken, moet houden van ruimte‑zonne‑energie, dan moet ik het wel zijn. Ik heb een raket‑bedrijf en een zonne‑bedrijf. Ik zou er echt mee moeten bezig zijn, weet je.”
Natuurlijk is er sinds 2012 veel veranderd. De prijzen van zonnepanelen en lanceerkosten zijn ingestort. En de behoefte aan hernieuwbare baseload‑energieproductie is veel groter.
Toch zou er een alternatief kunnen bestaan: direct zonlicht weerkaatsen in plaats van het op te vangen met fotovoltaïsche panelen. Dit kan worden bereikt door een gigantische spiegel in een baan te plaatsen.
Een voordeel van deze methode is dat we weten hoe we ultralichte en ultradunne spiegels in de ruimte kunnen bouwen, met aluminiumfolie. Omdat het materiaal alleen reflecterend hoeft te zijn zonder elektronica, kan het veel goedkoper en lichter per vierkante meter zijn dan een fotovoltaïsche cel.
Het idee wordt onder meer gesteund door Ben Nowack, oprichter van Reflect Orbital, de Universiteit van Glasgow’s SOLSPACE (met een subsidie van €2,5 M van de European Research Council), en energiegigant Engie’s Laborelec.
Het idee is om grondgebonden zonne‑farms ’s nachts van stroom te voorzien door zonlicht naar hen te stralen. Het businessmodel zou dus “zonlicht verkopen” aan grond‑zonne‑utiliteiten zijn.
Zo’n systeem zou niet door bewolking heen kunnen, maar kan een uitstekende optie zijn voor zonne‑farms in droge of woestijngebieden.
Potentieel zou het concept ook “klassieke” ruimte‑gebaseerde fotovoltaïsche planten kunnen versterken, door goedkoop de totale energie die ze ontvangen te verhogen voordat ze die naar de aarde stralen.
In 2018 kondigde China plannen aan om zo’n spiegeltje te gebruiken om straatverlichting ’s nachts te vervangen tegen 2022. Hoewel dit niet is gerealiseerd, zou het een creatieve manier kunnen zijn om ruimte‑gebaseerde “zonne‑energie” te gebruiken om ons energieverbruik ’s nachts te verminderen wanneer hernieuwbare bronnen onder‑produceren.
Space Factories
Zoals hierboven uitgelegd, is een grote kostenpost van ruimte‑gebaseerde zonne‑energie het moeten sturen van honderden of duizenden tonnen materiaal de baan in. Een oplossing hiervoor zou zijn om de zonnepanelen (of spiegels) direct in de ruimte te produceren, met behulp van bronnen die al ter plaatse aanwezig zijn.
Deze methode zou de kosten van het de‑baan‑in‑brengen van de zonne‑energiecentrale volledig uit de vergelijking verwijderen. In plaats daarvan zou het de kosten vervangen door het sturen van alleen de apparatuur die nodig is om een ruimte‑gebaseerde zonne‑paneelfabriek (of spiegel‑fabriek) te bouwen.
Een manier om dit te doen is door asteroïden met de juiste hulpbronnen te vangen, ze te delven en direct in de baan de energiecentrale te produceren.
Conceptueel klinkt dit logisch, maar het blijft zeer speculatief, aangezien er nog nooit een vorm van asteroïde‑winning is gerealiseerd.
Moon Base
Zelfs als zonne‑centrales in de ruimte worden geproduceerd, blijven de problemen van het balanceren van de impact van zonnewind en ruimte‑puin en recycling bestaan.
Een alternatief zou zijn om de zonne‑stations op de maan te installeren. De energie zou worden verzameld door enorme zonne‑farms op de maan en vervolgens direct of indirect naar de aarde worden gestuurd. De microgolfstralen van de maan kunnen ook worden omgeleid door spiegels, aangezien metalen microgolven reflecteren.
Bron: Arizona State University
Vergeleken met LEO‑ en GEO‑zonne‑satellieten biedt dit enkele voordelen:
- Gravitatie: met 1/6 van de aardse zwaartekracht zou de maan veel vriendelijker kunnen zijn om aardse productieprocessen naar de ruimte over te brengen dan volledig gewichtloze omgevingen.
- Perfect voor zon: zonder atmosfeer ondervindt het maanoppervlak nooit wind, wolken, mist, ijs, stofstormen, hagel, enz. De energieproductie zal dus zeer betrouwbaar en voorspelbaar zijn.
- Menselijk onderhoud: orbitale systemen zouden volledig op robots moeten vertrouwen voor assemblage, onderhoud en recycling. In plaats daarvan zouden de komende plannen voor maanbases door de VS en China+Rusland lokaal personeel kunnen leveren wanneer robots niet voldoende zijn.
- Hulpbronnen: de maan is een massief hemellichaam dat waarschijnlijk veel hulpbronnen bevat. Dit maakt het een betere kandidaat voor een ruimte‑fabriek dan het ongeteste idee van asteroïde‑winning.
Silicium, aluminium en ijzer kunnen chemisch uit maanstof worden geëxtraheerd voor de fabricage van zonnecellen. Spoorelementen kunnen van de aarde worden meegebracht om zonnecellen te doperen.
Er wordt geschat dat één kilogram materiaal dat van de aarde naar de maan wordt getransporteerd, resulteert in de levering van 200 × zoveel elektrische energie naar de aarde als één kilogram van een zonne‑energie‑satelliet.
Het idee kent echter enkele beperkingen.
Met name heeft de maan een 28‑daagse dag‑/nacht‑cyclus, waardoor een dergelijk concept moet vertrouwen op een opeenvolging van energiecentrales verspreid over het gehele maanoppervlak (of orbitale spiegels) om een continue output te produceren.
Helium 3, Fusion, and Moon Power Plants
Een andere discussie over toekomstige energie die de maan betreft, is de aanwezigheid van Helium‑3. Het zeer zeldzame element op aarde zou theoretisch een ultra‑efficiënte vorm van kernfusie kunnen aandrijven.
In theorie zou dit ruimte‑exploratie en -winning een sleutelrol kunnen geven in onze toekomstige energievoorziening. In de praktijk bevindt fusie zich nog in een experimenteel stadium.
Vergelijkbare bronnen van zeldzame isotopen van waterstof, helium en andere elementen, bijvoorbeeld in de gasreuzen Jupiter en Saturnus, zouden op de lange termijn een soortgelijke rol kunnen spelen.
De maan zou ook kunnen worden gezien als een locatie voor een potentieel gevaarlijk maar zeer productief energiesysteem (met name kernenergie), waardoor de consequenties van een catastrofale storing van de aarde worden weggenomen. Echter, de energie‑verlies bij het terugstralen van zo’n energiebron, evenals de kosten van bouwen in de ruimte, kunnen het onrendabel maken.
Solar Space Companies
1. Space Solar
Space Solar is een Brits bedrijf dat een 2 GW ruimte‑zonne‑satelliet, CASSIOPeiA, wil ontwikkelen. Dit zou verreweg een van de grootste structuren ooit door de mens zijn, waardoor sommige van de hoogste wolkenkrabbers klein lijken in vergelijking.
Bron: Space Solar
CASSIOPeiA zou 60.000 zonnepanelen bevatten, 2.000 ton wegen en op geosynchronisatieweerhoogte draaien.
De energietransmissie zou worden uitgevoerd met een fase‑array die de energiebundel richt. Het grondstation zou een diameter van 5 km nodig hebben. De stralings‑technologie is tot nu toe op aarde gedemonstreerd met 30 kW vermogen. Dit werd bereikt dankzij HARRIER, de eerste 360° draadloze energietransmissie die geen bewegende delen vereist, een cruciale factor voor hoge betrouwbaarheid.
Het concept van de energysatelliet zou steunen op 2 zonne‑reflectoren die het zonlicht terugsturen naar het centrale collector‑segment.
Bron: Space Solar
Het programma wordt geraamd op £17 miljard voor de eerste versie, met een kostprijs van £3,6 miljard voor opvolgende iteraties. Dit brengt het op een kwart van de kosten van een gelijkwaardige kerncentrale van 2 GW capaciteit, een eerlijke vergelijking, gezien het baseload‑profiel van de centrale.
2. Reflect Orbital
Zoals eerder vermeld, streeft Reflect Orbital er niet naar om energie in een baan te genereren. In plaats daarvan is hun bedrijfsmodel om “zonlicht na zonsondergang” te “verkopen” aan grond‑gebaseerde zonne‑bedrijven.
Met piekprijzen vaak net na zonsondergang, wanneer mensen thuis zijn maar hernieuwbare energie offline is, kan dit een goede strategie zijn. Bovendien kan de satelliet‑zonstraal gemakkelijk worden omgeleid naar verschillende locaties, waardoor arbitrage tussen verschillende prijzen tussen landen of ongunstig weer in één gebied mogelijk is.
Dit maakt het een interessant bedrijf om te volgen voor het geval dat de omzetting van zonlicht naar elektriciteit, vervolgens naar microgolven, en terug naar elektriciteit, een te inefficiënt proces blijkt te zijn om te concurreren met grond‑gebaseerde zonne‑energie.
Voorlopig ontwikkelt het bedrijf zijn satellieten en werft kapitaal. Om het concept beter uit te leggen, hebben ze ook een demo gedaan met een heteluchtballon op 3 km hoogte die viraal ging.
Bron: Reflect Orbital
Het bedrijf wil tegen 2025 een prototype testen. De satelliet zou slechts 35 pond (16 kilogram) wegen en uitgerust zijn met mylar‑spiegels van 33 ft bij 33 ft (9,9 m bij 9,9 m), die zich eenmaal in de baan uitvouwen.
Reflect Orbital’s plannen kunnen minder high‑tech zijn dan een volledig orbitale of maan‑gebaseerde zonne‑satellietnetwerk. Maar misschien is dit juist een sterkte, aangezien het in wezen alleen volledig bekende technologieën op een creatieve manier gebruikt, al decennialang beheerst. Dit zou het project enigszins kunnen de‑risken.
