Onderzoekers uit Spanje en de VS hebben een materiaal ontwikkeld dat zó zwart is dat het bijna alle invallende zonnestraling absorbeert, en dat onder omstandigheden die tot nu toe alle ultrazwarte materialen onbruikbaar maakten. Hierdoor kan een 40 jaar oude zonne-techniek plots weer een serieuze rol spelen in de energietransitie.
Onderzoekers van de Universiteit van Baskenland (EHU) hebben samen met UC San Diego een doorbraak bereikt in de materiaalwetenschap voor zonnetorens (concentrated solar power, CSP).
Volgens de studie, gepubliceerd in Solar Energy Materials and Solar Cells, kunnen hun nieuwe nanonaalden tot 99,5 procent van het invallend zonlicht absorberen – méér dan traditionele carbon nanotubes. Die laatste stonden jarenlang bekend als de ‘zwarte standaard’, maar bleken uiteindelijk thermisch en klimatologisch te instabiel voor toepassing in CSP.
Oud idee, nieuwe kans
CSP bestaat al sinds de jaren ’80. Het principe: honderden spiegels richten zonlicht op een hoge toren, waar dat wordt omgezet in warmte. Met gesmolten zouten kan die warmte vervolgens uren worden opgeslagen. Zo is zelfs ’s nachts is stroomopwekking mogelijk.
Tot nu toe bleef CSP vooral een niche. Materiaaldegradatie in de absorber was een cruciale reden. Carbon nanotubes haalden weliswaar absorptiewaardes tot ongeveer 99 procent, maar degradeerden snel bij hoge temperatuur in combinatie met vocht.
“Carbon nanotubes zijn niet stabiel bij hoge temperaturen en in de aanwezigheid van hoge luchtvochtigheid,” zegt onderzoeker Iñigo González de Arrieta. “Daarom zijn ze in de praktijk nooit een echte optie geweest voor torenabsorbers.”
Industrieel toepasbaar
Wat de onderzoekers nu laten zien, is een fundamenteel nieuw prestatieniveau. de 99,5% lichtabsorptie werd niet in een simpele optische bench gehaald, maar onder condities die representatief zijn voor een operationele zonnetoren.
De Baskische onderzoekers onderzochten copper cobaltate nanonaalden, verticaal gealigneerd en voorzien van een laagje zinkoxide. Dat bleek de sweet spot: extreem hoge lichtabsorptie en stabiliteit onder de temperaturen en vochtcycli die in CSP-torens optreden.
De structuren bleven stabiel bij temperaturen hoger dan 600 graden, en er werd geen degradatie bij vocht waargenomen. Dat maakt deze coating voor het eerst ook écht industrieel relevant.
Vult gaten die zonnepanelen laten vallen
CSP heeft één cruciale eigenschap die PV-panelen niet hebben: dispatchability. Warmte is op te slaan. Elektriciteit uit zonnepanelen niet. Daarom wordt CSP gezien als één van de weinige hernieuwbare opties die gascentrales in de pieklast écht kan vervangen.
In Spanje levert CSP nu ongeveer 5 procent van de elektriciteit. Maar dat percentage bleef jarenlang vlak doordat de absorbermaterialen te snel degradeerden. In de praktijk werd CSP kostbaar omdat absorber-oppervlakken te vaak vervangen moesten worden.
Als deze nanonaalden in field-tests net zo stabiel blijken als in het lab, kan die bottleneck verdwijnen.
Praktijktests
De volgende stap is het testen op echte zonnetorens. UCSD-onderzoeker Renkun Chen werkt hiervoor samen met het Amerikaanse Department of Energy. De Baskische groep benadrukt dat er in Europa slechts een handvol labs zijn die deze hoge-temperatuur meting onder gecontroleerde condities kunnen uitvoeren.
Daarnaast is het onderzoeksteam al bezig met vervolgstappen: coatings die niet alleen optisch beter zijn, maar ook de thermische geleidbaarheid verbeteren. Warmte transport in de absorber zelf wordt dan efficiënter – en dat kan het totale rendement van CSP nóg verder opkrikken.
‘Onoplosbaar’ probleem opgelost?
De nieuwe nanonaalden brengen ultrazwarte coatings voor het eerst richting operationele robuustheid: ultrazwart dat niet alleen in het laboratorium goed scoort, maar ook onder condities die representatief zijn voor een zonnetoren.
Mocht dit ook in develdtesten worden bevestigd, dan krijgt een oud zonneconcept, dat decennialang werd afgeremd door materiaalgrenzen, alsnog de kans om strategisch relevant te worden.
