Pembangkit listrik tenaga surya terkonsentrasi

Pembangkit listrik tenaga surya terkonsentrasi (bahasa Inggris: Concentrated solar power plant) (juga disebut panas surya terkonsentrasi, dan CSP) menghasilkan tenaga surya dengan menggunakan cermin atau lensa untuk memusatkan banyak sinar matahari ke area kecil. Listrik dihasilkan ketika cahaya terkonsentrasi diubah menjadi panas (energi panas matahari) yang menggerakkan mesin kalor (biasanya turbin uap) yang terhubung ke generator tenaga listrik atau menggerakkan reaksi termokimia (eksperimental Hingga 2013^[update]).

Iradiasi Normal Langsung Global.

2014 Desember  – Situs Crescent Dunes

Tiga menara dari Fasilitas Tenaga Surya Ivanpah

CSP memiliki total kapasitas terpasang dunia 5.500 MW pada 2018, naik dari 354 MW pada tahun 2005. Meskipun tidak ada kapasitas baru memasuki operasi komersial di Spanyol sejak 2013, Spanyol menyumbang hampir setengah dari kapasitas dunia, pada 2.300 MW, menjadikan negara ini pemimpin dunia pada akhir 2018. Amerika Serikat mengikuti dengan 1.740 MW. Ketertarikan juga menonjol di Afrika Utara dan Timur Tengah, serta India dan Cina. Pasar global telah didominasi oleh pembangkit cekungan parabolik, yang menyumbang 90% pabrik CSP pada satu waktu. Proyek CSP terbesar di dunia adalah Fasilitas Tenaga Surya Ivanpah (392 MW) di Amerika Serikat (yang menggunakan teknologi menara tenaga surya), Pembangkit Listrik Tenaga Surya Noor / Ouarzazate (360 MW) di Maroko (yang menggunakan cekungan parabolik) dan Dhursar (125 MW) di India (yang menggunakan reflektor Fresnel).

Dalam kebanyakan kasus, teknologi CSP saat ini tidak dapat bersaing dalam harga dengan panel surya fotovoltaik, yang telah mengalami pertumbuhan besar dalam beberapa tahun terakhir karena penurunan harga dan biaya operasi yang jauh lebih kecil. CSP umumnya membutuhkan sejumlah besar radiasi matahari langsung, dan pembangkit energinya turun secara dramatis dengan tutupan awan. Ini berbeda dengan fotovoltaik, yang dapat menghasilkan listrik juga dari pancaran difusi.

Namun, keuntungan CSP daripada konversi fotovoltaik adalah bahwa sebagai teknologi termal, pabrik CSP dapat menggabungkan penyimpanan energi termal, yang menyimpan energi baik dalam bentuk panas yang masuk akal, atau sebagai panas laten (misalnya menggunakan garam leleh) yang memungkinkan pembangkit ini untuk terus menghasilkan listrik kapan pun dibutuhkan, baik siang maupun malam hari. Ini membuat CSP menjadi sebuah sumber tenaga surya yang dapat dikirim saat dibutuhkan. Ini sangat berharga bagi tempat-tempat yang telah mengalami penetrasi PV yang tinggi, seperti California. Hal ini dikarenakan puncak kebutuhan energi saat malam hari meningkat, sedangkan output PV melemah saat matahari terbenam (sebuah fenomena yang disebut sebagai kurva bebek).

Pada 2017, CSP mewakili kurang dari 2% kapasitas terpasang pembangkit listrik tenaga surya di seluruh dunia. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, penurunan harga pabrik CSP membuat teknologi ini kompetitif dengan pembangkit listrik beban-dasar lainnya menggunakan fosil dan bahan bakar nuklir bahkan dalam kelembaban tinggi dan atmosfer berdebu di permukaan laut, seperti Uni Emirat Arab. Tarif CSP beban dasar di wilayah Atacama Chili yang sangat kering mencapai di bawah ¢ 5.0 / kWh pada lelang 2017.

Sejarah

Mesin uap tenaga surya untuk pemompaan air, di dekat Los Angeles sekitar tahun 1901

Menurut legenda, Archimedes menggunakan "kaca yang membakar" untuk memusatkan sinar matahari pada armada Romawi yang menyerang dan mengusir mereka dari Sirakusa. Pada tahun 1973, seorang ilmuwan Yunani, Dr. Ioannis Sakkas, ingin tahu apakah Archimedes benar-benar dapat menghancurkan armada Romawi pada tahun 212 SM, membariskan hampir 60 pelaut Yunani, masing-masing memegang cermin berbentuk bujur sangkar untuk menangkap sinar matahari dan mengarahkannya pada siluet kayu lapis tertutup tar sejauh 49 m (160 ft). Kapal terbakar setelah beberapa menit; namun, sejarawan terus meragukan kisah Archimedes.

Pada tahun 1866, Auguste Mouchout menggunakan cekungan parabolik untuk menghasilkan uap untuk mesin uap surya pertama. Paten pertama untuk pengumpul surya diperoleh oleh Alessandro Battaglia Italia di Genoa, Italia, pada tahun 1886. Selama tahun-tahun berikutnya, investor seperti John Ericsson dan Frank Shuman mengembangkan perangkat tenaga surya terkonsentrasi untuk irigasi, refrigasi, dan kereta api. Pada tahun 1913 Shuman menyelesaikan stasiun energi panas matahari parabolik 55 HP di Maadi, Mesir untuk irigasi. Sistem tenaga surya pertama yang menggunakan piringan cermin dibangun oleh Dr. R.H. Goddard, yang sudah terkenal dengan penelitiannya tentang roket berbahan bakar cair dan menulis sebuah artikel pada tahun 1929. Ia menegaskan bahwa semua hambatan sebelumnya telah diatasi.

Profesor Giovanni Francia (1911–1980) merancang dan membangun pembangkit tenaga surya terkonsentrasi pertama, yang mulai beroperasi di Sant'Ilario, dekat Genoa, Italia pada tahun 1968. Pembangkit ini memiliki arsitektur pembangkit menara listrik terkini dengan penerima surya di pusat lapangan yang penuh dengan pengumpul surya. Pembangkit ini mampu menghasilkan 1 MW dengan uap super panas pada kondisi 100 bar dan 500 °C. Menara Solar One 10 MW dikembangkan di California Selatan pada tahun 1981. Solar One diubah menjadi Solar Two pada tahun 1995, menerapkan desain baru dengan campuran garam leleh (60% natrium nitrat, 40% kalium nitrat) sebagai fluida kerja dan sebagai media penyimpanan. Pendekatan garam cair terbukti efektif, dan Solar Two beroperasi dengan sukses sampai dinonaktifkan pada tahun 1999.

Teknologi saat ini

Teknologi berkonsentrasi ada dalam empat jenis optik, yaitu cekungan parabolik, piringan, reflektor Fresnel linear ringkas, dan menara tenaga surya. Cekungan parabolik dan pemusat reflektor Fresnel linier diklasifikasikan sebagai jenis pengumpul fokus linier. Piringan dan menara tenaga surya sebagai jenis fokus titik. Pengumpul fokus linier mencapai konsentrasi sedang (faktor 50 kali matahari ke atas), dan kolektor fokus titik mencapai faktor konsentrasi tinggi (lebih dari 500 kali matahari). Meski sederhana, pengumpul surya ini cukup jauh dari konsentrasi maksimum teoretis. Sebagai contoh, konsentrasi termal dari cekungan parabolik memberikan tenaga sekitar 1/3 dari tenaga maksimum teoritis. Mendekati tenaga maksimum teoritis dapat dicapai dengan menggunakan pengumpul yang lebih rumit berdasarkan optik nonpencitraan.

Berbagai jenis pengumpul menghasilkan temperatur puncak yang berbeda dan efisiensi termodinamika yang berbeda-beda, karena perbedaan cara dalam melacak matahari dan memfokuskan cahaya. Inovasi baru dalam teknologi CSP mengarahkan sistem ini untuk menjadi lebih hemat biaya.

Cekungan parabolik

Cekungan parabolik di sebuah pembangkit listrik di dekat Harper Lake, California

Cekungan parabolik terdiri dari reflektor parabolik linier yang memusatkan cahaya ke penerima yang diposisikan di sepanjang garis fokus reflektor. Penerima adalah tabung yang diposisikan tepat di atas tengah cermin parabolik dan diisi dengan cairan yang bekerja. Reflektor mengikuti matahari pada siang hari dengan melacak sepanjang sumbu tunggal. Cairan yang bekerja (misalnya garam cair) dipanaskan hingga 150–350 °C (302–662 °F) saat mengalir melalui penerima dan kemudian digunakan sebagai sumber panas untuk sistem pembangkit listrik. Sistem cekungan adalah teknologi CSP paling maju. Terdapat pembangkit seperti Solar Energy Generating Systems (SEGS) di California, pembangkit parabolik komersial pertama di dunia, Nevada Solar One Acciona di dekat Boulder City, Nevada, dan Andasol, pabrik cekungan parabolik komersial pertama di Eropa, bersama dengan Plataforma Solar de Almería. Fasilitas uji SSPS-DCS di Spanyol.

Cekungan tertutup

Desain ini menempatkan sistem termal matahari di dalam rumah kaca. Rumah kaca menciptakan lingkungan yang dilindungi untuk menahan unsur-unsur yang dapat berdampak negatif terhadap keandalan dan efisiensi sistem termal matahari. Cermin yang ringan digantungkan dari langit-langit rumah kaca oleh kabel. Sistem pelacakan sumbu tunggal memposisikan cermin untuk mendapatkan jumlah sinar matahari yang optimal. Cermin memusatkan sinar matahari dan memfokuskannya pada jaringan pipa baja stasioner, yang juga digantungkan pada struktur rumah kaca. Air dibawa sepanjang pipa, yang direbus untuk menghasilkan uap ketika radiasi matahari yang intens diterapkan. Melindungi cermin dari angin memungkinkan mereka mencapai tingkat suhu yang lebih tinggi dan mencegah debu menumpuk di cermin.

GlassPoint Solar, perusahaan yang menciptakan desain cekungan tertutup, menyatakan teknologinya dapat menghasilkan panas untuk Enhanced Oil Recovery (EOR) sekitar $5 per 290 kWh (1.000.000 BTU) di daerah yang cerah, dibandingkan dengan antara $10 dan $12 untuk teknologi panas matahari konvensional lainnya.

Menara tenaga surya

Pembangkit tenaga surya PS10 di Andalusia, Spanyol, memusatkan sinar matahari dari bidang heliostat ke menara tenaga surya pusat.

Menara tenaga surya terdiri dari susunan reflektor pelacak sumbu ganda (heliostat) yang memusatkan sinar matahari pada penerima pusat di atas menara. Penerima berisi cairan transfer panas, yang dapat terdiri dari uap air atau garam cair. Secara optik menara tenaga surya sama dengan reflektor Fresnel melingkar. Cairan yang bekerja di penerima dipanaskan hingga 500-1.000 °C (773–1.273 K or 932–1.832 °F) dan kemudian digunakan sebagai sumber panas untuk pembangkit listrik atau sistem penyimpanan energi. Keuntungan dari menara tenaga surya adalah reflektor yang dapat disesuaikan, alih-alih menaranya. Pengembangan menara daya tidak semaju sistem cekungan, tetapi mereka menawarkan efisiensi yang lebih tinggi dan kemampuan penyimpanan energi yang lebih baik. Aplikasi menara Beam down dengan heliostat untuk memanaskan fluida kerja juga layak untuk dijajaki.

The Solar Two di Daggett, California dan CESA-1 di Plataforma Solar de Almeria Almeria, Spanyol, adalah pabrik percontohan yang paling representatif. Planta Solar 10 (PS10) di Sanlucar la Mayor, Spanyol, adalah menara tenaga surya skala utilitas komersial pertama di dunia. Fasilitas Tenaga Surya Ivanpah 377 MW, yang terletak di Gurun Mojave, adalah fasilitas CSP terbesar di dunia, dan menggunakan tiga menara listrik. Ivanpah menghasilkan 0,652 TWh (63%) dari energinya dari tenaga surya, dan lainnya 0,388 TWh (37%) dihasilkan oleh pembakaran Gas Bumi.

Reflektor Fresnel

Reflektor Fresnel terbuat dari banyak kepingan cermin datar yang tipis untuk memusatkan sinar matahari ke tabung di mana cairan yang bekerja dipompa. Cermin datar memungkinkan permukaan yang lebih reflektif dalam jumlah ruang yang sama dari reflektor parabolik, sehingga menangkap lebih banyak sinar matahari yang tersedia, dan mereka jauh lebih murah daripada reflektor parabolik. Reflektor Fresnel dapat digunakan dalam berbagai ukuran CSP.

Piringan Stirling

Piringan Stirling

Piringan Stirling atau sistem mesin piring terdiri dari reflektor parabolik yang berdiri sendiri yang memusatkan cahaya ke penerima yang diposisikan pada titik fokus reflektor. Reflektor melacak Matahari di sepanjang dua sumbu. Cairan kerja pada titik penerima dipanaskan hingga 250–700 °C (482–1.292 °F) dan kemudian digunakan oleh mesin Stirling untuk menghasilkan tenaga. Sistem piringan parabolik memberikan efisiensi konversi surya ke listrik yang tinggin (antara 31% dan 32%), dan sifat modularnya memberikan skalabilitas. Stirling Energy Systems (SES), United Sun Systems (USS) dan Science Applications International Corporation (SAIC) di UNLV, dan Piringan Besar Universitas Nasional Australia di Canberra, Australia merupakan perwakilan dari teknologi ini. Rekor dunia untuk efisiensi tenaga surya ke listrik ditetapkan sebesar 31,25% oleh piringan SES di National Solar Thermal Test Facility (NSTTF) di New Mexico pada 31 Januari 2008, pada hari yang dingin dan cerah. Menurut pengembangnya, Ripasso Energy, sebuah perusahaan Swedia, pada 2015 sistem Piringan Stirling yang sedang diuji di Gurun Kalahari di Afrika Selatan menunjukkan efisiensi 34%. Instalasi SES di Maricopa, Phoenix adalah instalasi daya Piringan Stirling terbesar di dunia hingga dijual ke United Sun Systems. Selanjutnya, sebagian besar instalasi telah dipindahkan ke Tiongkok sebagai bagian dari permintaan energi yang sangat besar.

Referensi

1. "Global Wind Atlas". 
2. Boerema, Nicholas; Morrison, Graham; Taylor, Robert; Rosengarten, Gary (1 November 2013). "High temperature solar thermal central-receiver billboard design". Solar Energy. 97: 356–368. Bibcode:2013SoEn...97..356B. doi:10.1016/j.solener.2013.09.008. 
3. Law, Edward W.; Prasad, Abhnil A.; Kay, Merlinde; Taylor, Robert A. (1 October 2014). "Direct normal irradiance forecasting and its application to concentrated solar thermal output forecasting – A review". Solar Energy. 108: 287–307. Bibcode:2014SoEn..108..287L. doi:10.1016/j.solener.2014.07.008. 
4. Law, Edward W.; Kay, Merlinde; Taylor, Robert A. (1 February 2016). "Calculating the financial value of a concentrated solar thermal plant operated using direct normal irradiance forecasts". Solar Energy. 125: 267–281. Bibcode:2016SoEn..125..267L. doi:10.1016/j.solener.2015.12.031. 
5. (PDF). Sandia National Laboratories. Diarsipkan dari versi asli (PDF) tanggal 2013-02-19. Diakses tanggal 11 April 2013. 
6. "Integrated Solar Thermochemical Reaction System". U.S. Department of Energy. Diakses tanggal 11 April 2013. 
7. Matthew L. Wald (10 April 2013). "New Solar Process Gets More Out of Natural Gas". The New York Times. Diakses tanggal 11 April 2013. 
8. "Concentrated Solar Power increasing cumulative global capacity more than 11% to just under 5.5 GW in 2018". Diakses tanggal 18 June 2019. 
9. Janet L. Sawin & Eric Martinot (29 September 2011). . Renewable Energy World. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2 November 2011. 
10. Boisgibault, Louis; Al Kabbani, Fahad (2020). "Peralihan Tenaga di Metropolis, Kawasan Luar Bandar dan Gurun". Wiley. ISBN 9781786304995. 
11. Morocco’s Noor II Begins Synchronization to Grid, solar paces, January 14, 2018.
12. Dhursar, concentrating solar power (CSP) project, solar paces, January 14, 2019.
13. "As Concentrated Solar Power bids fall to record lows, prices seen diverging between different regions". Diakses tanggal 23 February 2018. 
14. Chris Clarke. "Are Solar Power Towers Doomed in California?". KCET. 
15. . Diarsipkan dari versi asli tanggal 2022-09-22. Diakses tanggal 4 March 2018. 
16. "New Chance for US CSP? California Outlaws Gas-Fired Peaker Plants". Diakses tanggal 23 February 2018. 
17. Deign, Jason (24 June 2019). "Concentrated Solar Power Quietly Makes a Comeback". www.greentechmedia.com. 
18. "After the Desertec hype: is concentrating solar power still alive?". Diakses tanggal 24 September 2017. 
19. "Concentrated Solar Power Costs Fell 46% From 2010–2018". Diakses tanggal 3 June 2019. 
20. "UAE's push on concentrated solar power should open eyes across world". Diakses tanggal 29 October 2017. 
21. "Concentrated Solar Power Dropped 50% in Six Months". Diakses tanggal 31 October 2017. 
22. "SolarReserve Bids CSP Under 5 Cents in Chilean Auction". Diakses tanggal 29 October 2017. 
23. Kraemer, Susan (13 March 2017). "SolarReserve Bids 24-Hour Solar At 6.3 Cents In Chile". CleanTechnica. Diakses tanggal 14 March 2017. 
24. Thomas W. Africa (1975). "Archimedes through the Looking Glass". The Classical World. 68 (5): 305–308. doi:10.2307/4348211. JSTOR 4348211. 
25. Ken Butti, John Perlin (1980) A Golden Thread: 2500 Years of Solar Architecture and Technology, Cheshire Books, pp. 66–100, ISBN 0442240058.
26. Meyer, CM. . Eepublishers.co.za. Diarsipkan dari versi asli tanggal 7 August 2011. Diakses tanggal 22 April 2013. 
27. Cutler J. Cleveland (23 August 2008). Shuman, Frank. Encyclopedia of Earth.
28. Paul Collins (Spring 2002) The Beautiful Possibility. Cabinet Magazine, Issue 6.
29. "A New Invention To Harness The Sun" Popular Science, November 1929
30. Ken Butti, John Perlin (1980) A Golden Thread: 2500 Years of Solar Architecture and Technology, Cheshire Books, p. 68, ISBN 0442240058.
31. "Molten Salt Storage". large.stanford.edu. Diakses tanggal 2019-03-31. 
32. Types of solar thermal CSP plants. Tomkonrad.wordpress.com. Retrieved on 22 April 2013.
33. Chaves, Julio (2015). Introduction to Nonimaging Optics, Second Edition. CRC Press. ISBN 978-1482206739. 
34. Roland Winston, Juan C. Miñano, Pablo G. Benitez (2004) Nonimaging Optics, Academic Press, ISBN 978-0127597515.
35. Norton, Brian (2013). Harnessing Solar Heat. Springer. ISBN 978-94-007-7275-5. 
36. New innovations in solar thermal 2009-04-21 di Wayback Machine.. Popularmechanics.com (1 November 2008). Retrieved on 22 April 2013.
37. Chandra, Yogender Pal (17 April 2017). "Numerical optimization and convective thermal loss analysis of improved solar parabolic trough collector receiver system with one sided thermal insulation". Solar Energy. 148. Bibcode:2017SoEn..148...36C. doi:10.1016/j.solener.2017.02.051.  Parameter |access-date= membutuhkan |url= (bantuan)
38. Vignarooban, K.; Xinhai, Xu (2015). "Heat transfer fluids for concentrating solar power systems – A review". Applied Energy. 146: 383–396. doi:10.1016/j.apenergy.2015.01.125. 
39. Christopher L. Martin; D. Yogi Goswami (2005). Solar energy pocket reference. Earthscan. hlm. 45. ISBN 978-1-84407-306-1. 
40. . Plataforma Solar de Almería. Diarsipkan dari versi asli tanggal 28 September 2007. Diakses tanggal 29 September 2007. 
41. Deloitte Touche Tohmatsu Ltd, "Energy & Resources Predictions 2012" 2013-01-06 di Wayback Machine., 2 November 2011
42. Helman, "Oil from the sun", "Forbes", 25 April 2011
43. Goossens, Ehren, "Chevron Uses Solar-Thermal Steam to Extract Oil in California", "Bloomberg", 3 October 2011
44. "Three solar modules of world's first commercial beam-down tower Concentrated Solar Power project to be connected to grid". Diakses tanggal 18 August 2019. 
45. . www.brightsourceenergy.com. Diarsipkan dari versi asli tanggal 2019-11-20. Diakses tanggal 2019-11-14. 
46. "Electricity Data Browser". www.eia.gov. 
47. "Electricity Data Browser". www.eia.gov. 
48. "Electricity Data Browser". www.eia.gov. 
49. Compact CLFR. Physics.usyd.edu.au (12 June 2002). Retrieved on 22 April 2013.
50. . ese.iitb.ac.in
51. Sandia, Stirling Energy Systems set new world record for solar-to-grid conversion efficiency. Error in webarchive template: Check |url= value. Empty. Share.sandia.gov (12 February 2008). Retrieved on 22 April 2013.
52. Jeffrey Barbee (13 May 2015). "Could this be the world's most efficient solar electricity system?". The Guardian. Diakses tanggal 21 April 2017. 34% of the sun’s energy hitting the mirrors is converted directly to grid-available electric power