Solenergi, vindkraft och bränsleceller



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

Biobränsle. Effekt. Elektricitet. Energi. Energianvändning

Biobränsle. Biogas. Effekt. Elektricitet. Energi

Klimatsmartare bilar och bränslen ett försök att bringa reda bland möjligheter och begränsningar med olika bränslen och fordonstekniker.

Biobränsle. Biogas. Biomassa. Effekt. Elektricitet

Bergvärme. Biobränsle. Biogas. Biomassa. Effekt. X är värmen i berggrundens grundvatten. med hjälp av värmepump.

Grundläggande energibegrepp


Sol, vind och vatten möjligheter till egen energiproduktion. MEN FÖRST Peter Kovács, SP Energiteknik

Studiebesök årskurs 6 Kraftvärmeverket

VÅR ENERGIFÖRSÖRJNING EN VÄRLDSBILD

ENERGIKÄLLOR FÖR- OCH NACKDELAR

Energisituation idag. Produktion och användning

Sebastian Häggström, EE1c, El- och Energiprogrammet, Kaplanskolan, Skellefteå.

Förnybara energikällor:

Strategier för minskade koldioxidutsläpp inom energisystemet exempel på framtidens drivmedel

Solceller i dag och i framtiden

2-1: Energiproduktion och energidistribution Inledning

Kan sol-el spela någon roll i det svenska energisystemet? Linus Palmblad Handläggare, Energimyndigheten

Repetition energi. OBS. repetitionen innehåller inte allt Mer info finns på

Solenergi; solkraft, solvärme & solel. Emil Avander EE1B Kaplanskolan

S o lceller Framtidens energikälla på Sveriges soligaste öar.

SOLENERGI. Solvärme, solel, solkraft

SOLENERGI Verklighet eller önskedröm..!?

25:th European Photovoltaic Solar Energy Conference

Materia Sammanfattning. Materia

Välkomna till Så producerar du din egen el. En del av Mölndal Stads Hållbarhetsvecka mars

Alternativa drivmedel ett försök att bringa reda bland möjligheter och begränsningar med olika drivmedel och tillhörande fordonstekniker.

Vindkraft. Sara Fogelström

Bränslecell. Av: Petter Andersson Klass:EE1b Kaplanskolan, Skellefteå

Solpaneler. Solpanelssystem: Solpanelssystemet består av: Solpanel Regulator Batteribank

Räkneövning/Exempel på tentafrågor

Hållbar utveckling Vad betyder detta?

6 Högeffektiv kraftvärmeproduktion med naturgas

S o lceller En strålande energikälla

Miljöfysik. Föreläsning 1. Information om kursen Miljöfysik Viktiga termodynamiska storheter Jordens energibudget

Solenergi - Ett lysande energialternativ

Hur ska vi ha det i framtiden?

Farväl till kärnkraften?

Vår främsta energikälla.

WORKSHOP: EFFEKTIVITET OCH ENERGIOMVANDLING

Perifal Sol Solen som energikälla

ELLÄRA. Denna power point är gjord för att du ska få en inblick i elektricitet. Vad är spänning, ström? Var kommer det ifrån? Varför lyser lampan?

ETE331 Framtidens miljöteknik

Kylvattenutsläpp i Bottenviken leder till algblomning

Agenda. Vad är vad? Solfångarsystem - solvärme Typer av solfångare Sol-värme-ekonomi

Vindenergi. Holger & Samuel

Var lyser solen bäst?

Bränsleceller - Framtid eller återvändsgränd?

Miljöfysik vt2009. Mikael Syväjärvi, IFM

SOL TILL ELEKTRICITET

Vilka förväntningar kan vi ha på solceller? Sara Bargi Energimyndigheten

Energibalans för kroppen, jorden och samhället

Laborationer i miljöfysik. Solcellen

Lagring av energi. Hanna-Mari Kaarre

Jino klass 9a Energi&Energianvändning

Vindkraftteknik F1. Disposition. Varför vindkraft

solenergi Tim Holmström EE1B, el och energi kaplanskolan, skellefteå

Vindkraft. Sara Fogelström

Energibegrepp och deras relationer, i fysiken och i samhället

Solel och solvärme i villan. Lisa Ossman, SP Energiteknik

VÅR SOL VÅR ENERGI VÅR SOL. Batterier som laddas av solen i Askersund

1.1 STARTSIDA. Kenneth Mårtensson

SOLCELLER ETABLERAD OCH EN AV FRAMTIDENS ELPRODUCENTER? SOLCELLER

Hållbarhet i tanken klimathot, energiomställning och framtidens drivmedel?

Morgondagens elgenererande villapanna

Miljöfysik. Föreläsning 1. Information om kursen Miljöfysik Viktiga termodynamiska kvantiteter Jordens energibudget

GÖTEBORG 2050 GÖTEBORG Energiremisseminarium 30/

Vätgas-infrastruktur nu och i framtiden

Förnybarenergiproduktion

Vindpark Töftedalsfjället

Biogas. Förnybar biogas. ett klimatsmart alternativ

Dalenbäck. Professor Profilledare Styrkeområde Energi. i skolfotboll Påskbergsskolan 1970

Solenergi i planering

ETE331 Framtidens miljöteknik

Naturgasens roll ur ett samhällsperspektiv

Värme och väder. Solen värmer och skapar väder

Solkraft. Solceller och värmepump ger noll värmekostnad. Projekt i partnerskap:

Energibok kraftvärmeverk. Gjord av Elias Andersson

Observera att uppgifterna inte är ordnade efter svårighetsgrad!

Föreläsning 6: Opto-komponenter

Solel för & av privatpersoner.

ENKEL Geografi 7-9 ~ del 2 25

Egenproducerad energi - så funkar det

Energikällor Underlag till debatt


Solenergi som framtiden älskar.

Solelserbjudande från Södra. Egen solel

Bränslecell. Kaplanskolan Klass: EE1B Av: Hannes Laestander

Vilka mål ska programmet för förnybar energi innehålla?

1.1 STARTSIDA. Kenneth Mårtensson

Solenergi. en del av framtiden! Sol & Energiteknik ingår i NIBE-koncernen

Laborationer i miljöfysik. Solcellen

Världens primärenergiförbrukning & uppskattade energireserver

Seminarium - Geoenergi

Förutsättningarna för solenergi har aldrig varit bättre! Johan Nyqvist, verksamhetsledare Solar Region Skåne

Koldioxidneutrala eller energineutrala?

Bränsleceller. Av: Simon Marklund EE1a Kaplanskolan Skellefteå

Solceller. Producera egen el - en lysande idé!

A 1. Totalt tillförd energi fördelad på olika energibärare

Transkript:

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

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 5 000 000 EJ/yr, ca 10 000 gånger mer än dagens globala energianvändning

Sol och vind - intermittenta

Total installed global capacity 35 30 25 GW 20 15 10 5 0 1980 1990 2000

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 (-) 2 2 3 dwk dmv dvρv ρav Pel = Pk η = η = η = η = η = dt dt 2 dt 2 2 ρπr 2 2 v 3 η

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

Solceller i Sverige GlashusEtt Stockholm IKEA Älmhult Göteborg Energi

Diverse användningsområden NASAs solcellsdrivna flygplan Solceller utefter motorväg i Schweiz Kungälv 10 000 m 2 solvärme ~ 4 GWh/år Kungälv Energi AB har kompletterat Munkegärde fjärrvärmecentral med en solvärmeanläggning Källa: http://main.hvac.chalmers.se/cshp/kungalv_se.htm

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.

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

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.

Solceller miljöeffekter Ger inte upphov till några utsläpp när de används Livslängd 20-25 25 år Betalar tillbaka den energi som används vid tillverkningen på 3-73 7 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

Solceller laboratorieverkningsgrader Se sid 220 i kurskompendiet

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 0,0000005% (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 5-105 GW/år och 5-5 10 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

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 4-54 5 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 http://www.solarbuzz.com

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

Ny-installation 2002 1 : 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 2010 1 BP Solar, www.bpsolar.com

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

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).

Hur fungerar en solcell?

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

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)

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

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

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

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

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

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)

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

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.

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

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

Och nu en snabbrepris

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

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

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

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

Vätgas och bränsleceller

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

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

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

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

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