Solenergi, vindkraft och bränsleceller

Transkript

1 Koldioxidneutrala tillförselsystem III: Solenergi, vindkraft och bränsleceller Föreläsning 14 Maria Grahn

2 Solenergi Solen har lyst i 4 miljarder år och kommer att lysa i ytterligare 6 miljarder år Värme Vattenkraft Vindkraft Vågkraft Fotosyntes Biomassa Strålning Solceller/El Den årliga solinstrålningen mot jorden är EJ/yr, ca gånger mer än dagens globala energianvändning

3 Sol och vind - intermittenta

4 Total installed global capacity GW

5 Härledning Vindkraftsformeln A= πr 2 Arean som rotorbladen cirkulerar i (m 2 ) v vindens hastighet (antas här konstant) (m/s) A R dv/dt= Av Den volym luft som passerar rotorbladen under ett tidsintervall (m 3 /s) ρ Luftens densitet (kg/m 3 ) dm/dt= ρ dv/dt Den massa som passerar rotorbladen under ett tidsintervall (kg/s) v W k =mv 2 /2 Kinetisk energi (J) P k =dw k /dt Effekt i vinden (J/s) η vindkraftverkets verkningsgrad (-) dwk dmv dvρv ρav Pel = Pk η = η = η = η = η = dt dt 2 dt 2 2 ρπr 2 2 v 3 η

6 Solceller historia 50-tal Första effektiva solcellerna 60-tal Rymdprogram 70-tal Energikris, fyrar, nödtel,, avsides hus 80-tal Miniräknare, klockor, trafikskyltar 90-tal Subventionsprogram för solceller och solfångare i Japan och Tyskland 00-tal Ersätter glasfasader och takmaterial vid nybyggnation, solskydd, bullerplank osv

7 Solceller i Sverige GlashusEtt Stockholm IKEA Älmhult Göteborg Energi

8 Diverse användningsområden NASAs solcellsdrivna flygplan Solceller utefter motorväg i Schweiz Kungälv m 2 solvärme ~ 4 GWh/år Kungälv Energi AB har kompletterat Munkegärde fjärrvärmecentral med en solvärmeanläggning Källa:

9 Heliostater Koncentrerar solljus med speglar Ger hög temperatur på en liten yta Kan producera ånga vid högt tryck Kan smälta metaller i processindustri Kan driva kemiska processer producera vätgas. 350 MW finns installerad i Kalifornien.

10 Tre sorters solfångare Plana glasade, lågt pris, driftsäkra Pool-solfångare solfångare,, enkla oisolerade, billiga, ger låg temperaturvärme Vakuumrör, högre pris, högre omv.eff. Se sid 211 i kurskompendiet

11 Solfångare vakuum 2) solfångare 1) lufttomma glasrör hindrar värmen från att tränga ut. 5) tunt rör med alkohol, förångasngas och stiger till toppen av röret. 3) kondensator tar upp värmen från alkoholångorna och leder värmen,, via en torr värmeväxling,, till rörsystemet. Alkoholångorna i solfångaren kyls ned, kondenseras och rinner åter ner i röret. 4) Rörsystem med vätska bestående av vatten och frostskyddsmedel leder till varmvattenbehållaren och värmer upp tappvatten. Så länge temperaturen hos solfångaren är högre än temperaturen i tanken fortsätter tter cirkulationen i rörsystemetrsystemet och värme förs till vattentanken.

12 Solceller miljöeffekter Ger inte upphov till några utsläpp när de används Livslängd år Betalar tillbaka den energi som används vid tillverkningen på år. Tunnfilmsolceller innehåller sällsynta och giftiga metaller (ex. indium, tellur, kadmium) Verkningsgrad = el-effekt effekt ut/ljuseffekt in Teoretisk verkningsgrad ca 30% Praktisk verkningsgrad ca 15 % Se sid 106 i kurskompendiet

13 Solceller laboratorieverkningsgrader Se sid 220 i kurskompendiet

14 Sällsynta metaller i solceller Indium i CIS (koppar( koppar-indium-diselenid) - Medelhalten i jordskorpan 0,000005% (Finns inte konc i malm) - Utvinns som biprodukt vid zinkbrytning - idag utvinns endast 200 ton per år Tellurid i CdTe (kadmium-tellurid) - Medelhalten i jordskorpan 0, % (Finns inte konc i malm) - Utvinns som biprodukt vid kopparbrytning - idag utvinns endast 300 ton per år Tunnfilmer behöver endast några gram per m 2 men dagens brytningstakt begränsar tillverkningen av CIS till GW/år och GW/år av CdTe.. (dagens tot solcellsprod är end 120 MW/år) Både CIS och CdTe kan bli betydande men ändå bara några få % av eltillförseln. Behöver andra metaller i framtiden. Vill vi ha stora mängder giftiga metaller i samhället? Se sid 234 i kurskompendiet

15 Kostnad Snittpriset för solcellsmoduler är ca 50 kr/w och ner till 25 kr/w vid avtal om mycket stora volymer 1. Snittpriset på solel är idag ggr högre än konventionellt producerad el 1 på platser med 5 h eff. soltid/dag (södra Europa, USA etc). Uppskattningsvis 8 ggr högre pris i södra Sverige 1

16 Kostnaderna på solceller, per Watt, har minskat med 20% vid varje fördubbling av installerad effekt Solar Generation, European Photovoltaic Industri Association & Greenpeace, 2001

17 Ny-installation : Japan 155MW Tyskland 85MW USA 45MW Nederländerna 5MW Spanien 5MW Italien 3MW Storbritannien 1.5MW Planerad utbyggnad 1 : Japan 4.8GW år 2010 Tyskland 1GW år 2008/2010 USA 1.2GW år 2012 Nederländerna250MW år 2007 Spanien 135MW år 2010 Italien 300MW år 2010 Storbritannien 200MW år BP Solar,

18 Barriärer småskalig användning av solenergi Hög kostnad per kwh (el) Kostsam bygglovsprocess (ibland >20% av investeringskostnaden) Besvärliga regler (bygglov har blivit stoppat av estetiska skäl) Se sid 210 i kurskompendiet

19 Räkneuppgift Solceller för hushållsel Solinstrålningen i Sverige är ca 1000 kwh/m2 per år. Anta en omvandlingseffektivitet på 10%. Normal förbrukning av hushållsel i Sverige är ca 1000 kwh per person och år. 1) Hur mycket el ger en kvadratmeter solcell? 2) Hur många m 2 solceller per person behövs för att täcka hushållselen (ej uppvärmning av bostäder)? 100 kwh/m2 och år ger 10 m 2 solceller per person för att täcka hushållselen. Kuriosa: om alla svenska använde solceller för sin hushållsel blir det 90 km 2 solceller som ger 9 TWh el vilket ung motsvarar en kärnkraftsreaktor (eller ca. 6% av Sveriges elförbrukning).

20 Hur fungerar en solcell?

21 Fotoner i solstrålning Magnetfält Elektriskt fält E=Energi (J) h=plancks konstant (Js( Js) λ=våglängd (m) ν=frekvens (Hz) c=λν λν=ljusets hastighet (m/s) λ E=hν Källa: Carl Hägglund, Kemisk Fysik, Chalmers

22 En kiselatom Si 14 protoner 2 elektroner i det innersta skalet Si 8 elektroner i det andra skalet Bara de fyra valenselektronerna är intressanta 4 elektroner i det tredje skalet (valensband) Ledningsband (tomt)

23 Foton-elektron växelverkan hν - Elektron-energi +hν -hν hν - Källa: Carl Hägglund, Kemisk Fysik, Chalmers

24 Elektronskal Elektronenergi Bandgap Ledningsband Valensband Avstånd Källa: Carl Hägglund, Kemisk Fysik, Chalmers

25 En halvledare har precis lagom stort bandgap så att energin i en solstråle kan lyfta elektronen. Elektronenergi Avstånd

26 Odopad kiselsolcell Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Kiselatomerna lånar varandras valenselektroner och bildar fullt skal

27 En boratom B 5 protoner 2 elektroner i det innersta skalet B 3 elektroner i valensbandet Bara de tre valenselektronerna är intressanta

28 En fosforatom P 15 protoner 2 elektroner i det innersta skalet P 8 elektroner i det andra skalet Bara de fem valenselektronerna är intressanta 5 elektroner i det tredje skalet (valensband)

29 N och P-Dopning i en kiselsolcell P P-sida N-sida Si Si Si Si Si Si B Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si B Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si B Si Si Si Si Si P Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 5 valenselektroner 3 valenselektroner B

30 N och P-Dopning i en kiselsolcell P-sida N-sida e - P-sidan är riktad mot solen. Frigjorda elektroner på P-sidan dras till N-sidan och vill inte tillbaka. Kopplas en ledare till N-sidan så rusar elektronerna in i den.

31 PN-övergång Elektronenergi Avstånd Källa: Carl Hägglund, Kemisk Fysik, Chalmers

32 Steget till en solcell p n Elektronenergi Avstånd Källa: Carl Hägglund, Kemisk Fysik, Chalmers

33 Och nu en snabbrepris

34 Elektroner i bokhylla hν Potentialskillnad (Bandgap) Energiökning = Potentialskilln. hν Källa: Carl Hägglund, Kemisk Fysik, Chalmers

35 Energin absorberas en stund hν Källa: Carl Hägglund, Kemisk Fysik, Chalmers

36 Lutande bokhylla Stabiliserat tillstånd Källa: Carl Hägglund, Kemisk Fysik, Chalmers

37 Nyttigt arbete Arbete! Källa: Carl Hägglund, Kemisk Fysik, Chalmers

38 Vätgas och bränsleceller

39 Lagra solenergi I biomassa I varmvatten eller saltsmältor I batteri I vätgas - elektrolys (sönderdeln - termolys(sönderdelntermolys - fotolys (direkt sönderdeln - biofotolys - katalytisk fotolys - fotoelektrolys (solcell och sönderdeln.. av vatten med elektrisk spänning) (sönderdeln.. av vatten med höggradig värme) sönderdeln.. av vatten med solens energi) biofotolys (bakterier och alger producerar vätgas) fotolys (molekyler katalyserar sönderdeln.. av vatten) (solcell och elektolysör i ett steg) Se sid 210 i kurskompendiet

40 Vätgas och bränsleceller Vätgas Energilagring Produceras från vatten med el Ångreformering av gasformiga fossila bränslen Bränsleceller Hög omvandlingseffektivitet Utsläpp av vattenånga Kräver dyra metaller Ej kommersiell idag

41 Bränslecell Anod: Katod: Total: 2H 2 4H + + 4e O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O 2H + O 2 2 2H 2 O

42 Barriärer för storskalig användning av vätgas och bränsleceller Storskalig CO 2 -neutral H 2 -framställning ex. - Solceller dyra och/eller innehåller sällsynta metaller - Vindkraft svårplacerad, krävs stora arealer - Förgasning av biomassa och CO 2 -lagring (vid förgasning av kol) ej ännu kommersiellt färdiga tekniker Lagring och distribution Bränsleceller dyra och kort livslängd

43 Exempel på solcells- priser, 2003 Fortum Kompletta solcellspaket: : 50W, 63W, 75W, 100W, 120W innehållande allt Du behöver för att producera Din egen solenergi. Batterier 75Ah - 115Ah, batteritillbehör, regulatorer ställningar för montage på hus och husvagn. Vattensystem, installationstillbehör. Prisexempel: 50W Standardpanel, glaslaminat med aluminiumram och kopplingsbox på baksidan: 4200 kr Standardpaket 50W med regulator: 8350 kr