Solenergi & vindkraft. Solenergi. Sol och vind - intermittenta. Koldioxidneutrala tillförselsystem. Maria Grahn Fysisk resursteori, Energi och Miljö

Transkript

1 Koldioxidneutrala tillförselsystem Solenergi & vindkraft Solenergi Solen har lyst i ca 4 miljarder år och kommer att lysa i ytterligare ca 6 miljarder år Maria Grahn Fysisk resursteori, Energi och Miljö Värme Vattenkraft Vindkraft Vågkraft Fotosyntes Biomassa Strålning Solceller/El Den årliga solinstrålningen mot jorden är EJ/yr, ca gånger mer än dagens globala energianvändning Sol och vind intermittenta Total installerad global capacitet GW

2 Härledning Vindkraftsformeln A v R 1 A= πr Arean som rotorbladen cirkulerar i (m ) v vindens hastighet (antas här konstant) (m/s) 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) 4 W k =mv / Kinetisk energi (J) 5 P k =dw k /dt Effekt i vinden (J/s) η vindkraftverkets verkningsgrad () ofta 3540% 5 3 dw 4 dmv 3 dvρv ρav 1 k Pel = Pkη = η = η = η = η = dt dt dt 3 ρπr v 3 η (J/s) Solceller sedan 50talet 50tal Första F effektiva solcellerna 60tal Rymdprogram 70tal Energikris, fyrar, nödtel,, avsides hus 80tal Miniräknare, klockor, trafikskyltar 90tal Subventionsprogram för f r solceller och solfångare i Japan och Tyskland 00tal Ersätter glasfasader och takmaterial vid nybyggnation, solskydd, bullerplank osv Exempel påp solceller i Sverige Diverse användningsomr ndningsområdenden NASAs solcellsdrivna flygplan GlashusEtt Stockholm Solceller utefter motorväg i Schweiz IKEA Älmhult Kungälv m solvärme ~ 4 GWh/år Göteborg Energi Kungälv Energi AB har kompletterat Munkegärde fjärrvärmecentral med en solvärmeanläggning Källa:

3 Heliostater Concentrated Solar Power (CSP) Koncentrerar solljus med speglar. Ger hög h g temperatur påp en liten yta. Ånga driver turbin, genererar el. Kan kompletteras med saltlagning av högtemperaturvärmerme och generera el dygnet runt (non( nonintermittent solar energy). Kan smälta metaller i processindustri. Kan producera vätgasv 350 MW finns installerad i Kalifornien. Låga produktionskostnader. Kräver tillgång påp vatten. Mer CSP Nevada, 64MW California, Mojave Desert 1. The solar tower is 115m tall and surrounded by 600 steel reflectors (heliostats).. The receiver converts concentrated solar energy into steam. 3. Steam is stored in tanks and used to drive turbines. Spain, Seville, currently 11 MW (600 mirrors) but will be expanded. Spain, Granada, 50MW Incl. high temperature thermal storage system utilizing molten salt to extend the daily electricity generation to over 1 hours in winter and up to 0 hours in summer Spain s policy: 00 MW of solar thermal electricity. Tre sorters solfångare Solfångare vakuum Plana glasade, lågt l pris, driftsäkra Poolsolf solfångare,, enkla oisolerade, billiga, ger låg l g temperaturvärme rme Vakuumrör, r, högre h pris, högre h omv.eff. ) solfångare 1) lufttomma glasrör hindrar värmen från att tränga ut. 5) tunt rör med alkohol, förångas 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 ende av vatten och frostskyddsmedel leder till varmvattenbehållaren och värmer upp tappvatten. Se sid 11 i kurskompendiet Så länge temperaturen hos solfångaren är högre än temperaturen i tanken fortsätter tter cirkulationen i rörsystemetrsystemet och värme förs till vattentanken. 3

4 Solceller miljöeffekter Ger inte upphov till några n utsläpp när n r de används nds Livslängd 05 5 år r (kristallina) Betalar tillbaka den energi som används nds vid tillverkningen påp 37 år r för f r kristallina (ca år r för f tunnfilmssolceller). Tunnfilmsolceller innehåller sällsynta s och giftiga metaller (ex. indium, tellur, kadmium) Forskning pågår r för f r att byta ut dessa metaller. Teoretisk verkningsgrad ca 30% (eleffekt effekt ut/ljuseffekt in) Praktisk verkningsgrad ca 15 % Efficiency (%) Solceller laboratorieverkningsgrader Best ResearchCell Efficiencies Multijunction Concentrators Threejunction (terminal, monolithic) Twojunction (terminal, monolithic) Crystalline Si Cells Single crystal Multicrystalline Thin Si Thin Film Technologies Cu(In,Ga)Se CIGS CdTe Amorphous Si:H (stabilized) Emerging PV ARCO Organic cells Westinghouse Masushita Monosolar University of Maine 1980 Kodak No. Carolina State University Kodak Solarex Spire 1985 Solarex Stanford ARCO AstroPower Varian AMETEK Spire Georgia Tech University So. Florida Photon Energy 1990 =National Renewable Energy Laboratory, USA =University of New South Wales, Australien (Martin Green) Sharp EuroCIS Japan Energy 1995 Georgia Tech United Solar University Konstanz / Spectrolab Cu(In,Ga)Se 14x concentration AstroPower United Solar Spectrolab 000 Spectrolab University California Berkeley Princeton Lars Stoltz, Ångströmslaboratoriet, världsrekord CIGS 16,6% Sällsynta metaller i solceller Indium i CIS (koppar( kopparindiumdiselenid) Medelhalten i jordskorpan 0,000005% (Finns inte konc i malm) Utvinns som biprodukt vid zinkbrytning idag utvinns endast 00 ton per år Tellurid i CdTe (kadmiumtellurid) 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 n gram per m men dagens brytningstakt begränsar tillverkningen av CIS till 5105 GW/år r och GW/år r av CdTe.. (dagens tot solcellsprod är r end 10 MW/år) Både CIS och CdTe kan bli betydande men ändå bara några n få f % av eltillförseln. Behöver andra metaller i framtiden. Vill vi ha stora mängder m giftiga metaller i samhället? Kostnaderna påp solceller, per Watt, har minskat med 0% vid varje fördubbling f av installerad effekt Solar Generation, European Photovoltaic Industri Association & Greenpeace, 001 Snittpriset ändå fortfarande ca 455 ggr högre h än n konventionell el 4

5 Mest solkraft i Tyskland Av världens 100 största solcellsanläggningar ligger 70 i Tyskland.. De tio största hittills är: Arnstein, Tyskland, 1 MW Pocking, Tyskland, 10 MW Milagro, Spanien, 9,51 MW Mühlhausen, Tyskland, 6,3 MW Miegersbach, Tyskland, 5,7 MW Kameyama,, Japan, 5,1 MW Bürstadt, Tyskland, 5 MW Espenhain, Tyskland, 5 MW Tucson Arizona, USA, 4,59 MW Sembach, Saarbrücken cken, Merseburg, Göttelborn och Hemau, Tyskland, 4 MW vardera Källa till tabellen: Världens största solkraftverk 40 MW Vanlig fotbollsplan Gammalt militärflygf rflygfältlt utanför Leipzig Yta motsv.. 00 fotbollsplaner. Klart 009 Leverera 40 MkWh per år till elnätet tet kadmiumtellurid tunnfilmsceller Beräknade byggkostnaden 30 kr per W (låg( men inte orimlig,, enl Lars Stoltz) ) Tot. cirka 1, miljarder kronor.,10 kr per producerad kwh (avskrivningstid( på 0 år) Solpanelerna täcker kvadratmeter Det tyska bidragssystemet fast pris för el. ca 3,153,60 3,60 per kwh, (beroende på när man kan börja leverera el), => årligt överskott minst 40 miljoner kronor. Källa: Barriärer rer småskalig skalig användning ndning av solenergi Hög g kostnad per kwh (el) Kostsam bygglovsprocess (ibland >0% av investeringskostnaden) Besvärliga regler (bygglov har blivit stoppat av estetiska skäl) Vätgas och bränsleceller lagra intermittent elektricitet 5

6 Lagra solenergi I biomassa I varmvatten eller saltsmältor ltor I batteri I vätgas v Vätgas och bränsleceller Vätgas produceras Bränsleceller vanligtvis genom Hög omvandlingseff. Elektrolys av vatten Låga lokala utsläpp från (med elektricitet) avgaserna (endast vatten Ångreformering av ånga vid användning ndning av H ) naturgas I dagsläget get kort livslängd Förgasning av kol, eller kräver dyra metaller olja eller biomassa Ej kommersiell idag Anod: H 4H + + 4e Katod: O + 4H + + 4e H O Total: H + O H O Barriärer rer för f r storskalig användning ndning av vätgas v och bränsleceller Hydrogen (H ) fuel H Nonutilized hydrogen (H ) Oxygen (O ) from the air O Heat (85 O C) Emissions: Air and water vapor H O Storskalig CO neutral vätgasframstv tgasframställning Solceller dyra och/eller innehåller sällsynta s metaller Förgasning av biomassa och CO lagring (vid förgasning av kol) ej ännu kommersiellt färdiga tekniker Lagring i fordon ej löstl Bränsleceller sällsynta s metaller och/eller kort livslängd Anode Proton conducting membrane Cathode Adapted from: Scientific American 6

7 Fotoner i solstrålning lning Hur fungerar en solcell? 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, H Kemisk Fysik, Chalmers En kiselatom Si Fotonelektron växelverkan hν Si Elektronenergi +hν hν hν 4 elektroner i det tredje skalet (valensbandet) Lednings bandet (tomt) Källa: Carl Hägglund, H Kemisk Fysik, Chalmers 7

8 En halvledare har precis lagom stort bandgap sås att energin i en solstråle le kan lyfta elektronen. Elektronenergi Odopad kiselsolcell Kiselatomerna lånar l varandras valenselektroner och bildar fullt skal Avstånd En boratom B En fosforatom P B P 3 valens elektroner 5 valens elektroner 8

9 N och PDopning i en kiselsolcell Psida Nsida 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 B Si Si Si Si P 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 N och PDopning i en kiselsolcell Psida Nsida e Psidan är r riktad mot solen. Frigjorda elektroner påp Psidan dras till Nsidan och vill inte tillbaka. Kopplas en ledare till Nsidan så rusar elektronerna in i den. PNöverg vergång Steget till en solcell Elektronenergi Elektronenergi Avstånd + p n Avstånd + Källa: Carl Hägglund, H Kemisk Fysik, Chalmers Källa: Carl Hägglund, H Kemisk Fysik, Chalmers 9