1

KoldioxidneutralaKoldioxidneutrala tillftillföörselsystemrselsystem

SolenergiSolenergi & & vindkraftvindkraft

Maria GrahnMaria GrahnFysisk resursteori, Energi och MiljFysisk resursteori, Energi och Miljöö

SolenergiSolenergi

VattenkraftVindkraftVågkraft

Värme

Biomassa

Fotosyntes

Solceller/El

Strålning

Den årliga solinstrålningen mot jorden är 5 000 000 EJ/yr,ca 10 000 gånger mer än dagens globala energianvändning

Solen har lyst i ca 4 miljarder år och kommer att lysa i ytterligare ca 6 miljarder år

Sol och vind Sol och vind -- intermittentaintermittenta

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

1 9 8 0 1 9 9 0 2 0 0 0

G W

Total installerad global Total installerad global capacitetcapacitet

2

HHäärledning rledning ””VindkraftsformelnVindkraftsformeln””

R

v

AA

A= πR2 Arean som rotorbladen cirkulerar i (m2)

v vindens hastighet (antas här konstant) (m/s)

dV/dt= Av Den volym luft som passerar rotorbladen under ett tidsintervall (m3/s)

ρ Luftens densitet (kg/m3)

dm/dt= ρ dV/dt Den massa som passerar rotorbladen under ett tidsintervall (kg/s)

Wk=mv2/2 Kinetisk energi (J)

Pk=dWk/dt Effekt i vinden (J/s)

η vindkraftverkets verkningsgrad (-) ofta 35-40%

ηρπηρηρηηη2222

32322 vRAvdt

vdVdt

dmvdt

dWPP kkel ======

55 22 113344

11

22

33

44

55

(J/s)

Solceller sedan 50Solceller sedan 50--talettalet5050--tal Ftal Föörsta effektiva solcellerna rsta effektiva solcellerna 6060--tal Rymdprogramtal Rymdprogram7070--tal Energikris, fyrar, tal Energikris, fyrar, nnöödteldtel, avsides hus, avsides hus8080--tal Minirtal Minirääknare, klockor, trafikskyltarknare, klockor, trafikskyltar9090--tal Subventionsprogram ftal Subventionsprogram föör solceller r solceller och solfoch solfåångare i Japan och Tysklandngare i Japan och Tyskland0000--tal Erstal Ersäätter glasfasader och tter glasfasader och takmaterialtakmaterialvid nybyggnation, solskydd, bullerplank vid nybyggnation, solskydd, bullerplank osvosv

Exempel pExempel påå solceller i Sverigesolceller i Sverige

GGööteborg Energiteborg Energi

IKEA IKEA ÄÄlmhultlmhult

GlashusEttGlashusEtt StockholmStockholm

Diverse anvDiverse anväändningsomrndningsområådenden

KungKungäälv 10 000 mlv 10 000 m2 2

solvsolväärme ~ 4 GWh/rme ~ 4 GWh/åårr

Kungälv Energi AB har kompletterat Munkegärde

fjärrvärmecentral med en solvärmeanläggning

Solceller utefter motorväg i Schweiz

NASAs solcellsdrivna flygplan

Källa: http://main.hvac.chalmers.se/cshp/kungalv_se.htm

3

HeliostaterHeliostaterConcentratedConcentrated Solar Solar Power (CSP)Power (CSP)Koncentrerar solljus Koncentrerar solljus med speglar. med speglar. Ger hGer höög temperatur pg temperatur pååen liten yta.en liten yta.ÅÅnga driver turbin, nga driver turbin, genererar el.genererar el.Kan kompletteras med Kan kompletteras med saltlagningsaltlagning av av hhöögtemperaturvgtemperaturväärmermeoch generera el dygnet runt (och generera el dygnet runt (nonnon--intermittentintermittent solar solar energyenergy).).Kan smKan smäälta metaller i processindustri. Kan producera vlta metaller i processindustri. Kan producera väätgastgas350 MW finns installerad i Kalifornien.350 MW finns installerad i Kalifornien.LLååga produktionskostnader. Krga produktionskostnader. Krääver tillgver tillgåång png påå vatten.vatten.

Mer Mer CSPCSP

Nevada, 64MW

California, Mojave Desert

Spain, Seville, currently 11 MW (600 mirrors) butwill be expanded.

Spain, Granada, 50MW Incl. high temperature thermal storage system utilizing molten salt to extend the daily electricity generation to over 12 hours in winter and up to 20 hours in summerSpain’s policy: 200 MW of solar thermal electricity.

1. The solar tower is 115m tall and surrounded by 600 steel reflectors (heliostats). 2. The receiver converts concentrated solar energy into steam.

3. Steam is stored in tanks and used to drive turbines.

Tre sorters solfTre sorters solfåångarengare

Plana glasade, lPlana glasade, låågt pris, driftsgt pris, driftsääkrakraPoolPool--solfsolfåångarengare, enkla oisolerade, billiga, , enkla oisolerade, billiga, ger lger lååg temperaturvg temperaturväärmermeVakuumrVakuumröör, hr, höögre pris, hgre pris, höögre gre omv.effomv.eff..

Se sid 211 i kurskompendiet

4)4) RRöörsystemrsystem med med vväätskatska bestbestååendeende avavvattenvatten ochoch frostskyddsmedelfrostskyddsmedel lederleder till till varmvattenbehvarmvattenbehåållarenllaren ochoch vväärmerrmer uppupptappvattentappvatten..

2)2) solfsolfåångarengare1)1) lufttommalufttomma glasrglasröörr hindrarhindrarvväärmenrmen frfråånn attatt trträänganga utut..5)5) tunttunt rröörr med med alkoholalkohol, , fföörråångasngas ochoch stigerstiger till till toppentoppenavav rrööretret..3)3) kondensatorkondensator tar tar uppuppvväärmenrmen frfråånn alkoholalkoholåångornangornaochoch lederleder vväärmenrmen, via en , via en torrtorrvväärmevrmevääxlingxling, till , till rröörsystemetrsystemet. . AlkoholAlkoholåångornangorna i i solfsolfåångarenngarenkylskyls nedned, , kondenseraskondenseras ochochrinnerrinner ååterter nerner i i rrööretret..

SolfSolfåångare vakuumngare vakuum

SSåå lläängenge temperaturentemperaturen hoshos solfsolfåångarenngaren äärr hhöögregre äänn temperaturentemperaturen i i tankentankenfortsfortsäättertter cirkulationencirkulationen i i rröörsystemetrsystemet ochoch vväärmerme fföörsrs till till vattentankenvattentanken..

4

Solceller miljSolceller miljööeffektereffekterGer inte upphov till nGer inte upphov till nåågra utslgra utslääpp npp näär de anvr de anväändsndsLivslLivsläängd 20ngd 20--25 25 åår (kristallina)r (kristallina)Betalar tillbaka den energi som anvBetalar tillbaka den energi som anväänds vid nds vid tillverkningen ptillverkningen påå 33--7 7 åår fr föör kristallina (ca 2 r kristallina (ca 2 åår fr föör r tunnfilmssolceller).tunnfilmssolceller).Tunnfilmsolceller innehTunnfilmsolceller innehååller sller säällsynta och giftiga llsynta och giftiga metaller (ex. indium, tellur, kadmium) Forskning metaller (ex. indium, tellur, kadmium) Forskning ppååggåår fr föör att byta ut dessa metaller.r att byta ut dessa metaller.Teoretisk verkningsgrad ca 30% Teoretisk verkningsgrad ca 30% (el(el--effekt ut/ljuseffekt in) effekt ut/ljuseffekt in) Praktisk verkningsgrad ca 15 % Praktisk verkningsgrad ca 15 %

20

24

Best ResearchBest Research--Cell EfficienciesCell Efficiencies

Effic

iency

(%)

Universityof Maine

Boeing

Boeing

Boeing

BoeingARCO

NREL

Boeing

Euro-CIS

200019951990198519801975

NREL/Spectrolab

NRELNREL

JapanEnergy

Spire

No. CarolinaState University

Multijunction ConcentratorsThree-junction (2-terminal, monolithic)Two-junction (2-terminal, monolithic)

Crystalline Si CellsSingle crystalMulticrystallineThin Si

Thin Film TechnologiesCu(In,Ga)Se2 CIGSCdTeAmorphous Si:H (stabilized)

Emerging PVOrganic cells Varian

RCA

Solarex

UNSW

UNSW

ARCO

UNSWUNSW

UNSWSpire Stanford

Westing-house

UNSWGeorgia TechGeorgia Tech Sharp

AstroPower

NREL

AstroPower

Spectrolab

NREL

MasushitaMonosolar Kodak

Kodak

AMETEK

PhotonEnergy

UniversitySo. Florida

NREL

NREL

Princeton UniversityKonstanz NREL

NRELCu(In,Ga)Se2

14x concentration

NREL

UnitedSolar

United Solar

RCA

RCARCA

RCARCA

RCA

026587136

Spectrolab

University CaliforniaBerkeley

Solarex12

8

4

0

16

28

32

36

Solceller laboratorieverkningsgraderSolceller laboratorieverkningsgrader

NREL=National Renewable Energy Laboratory, USA UNSW=University of New South Wales, Australien (Martin Green)

Lars Stoltz, Ångströmslaboratoriet, världsrekord CIGS 16,6%

SSäällsynta metaller i solcellerllsynta metaller i solcellerIndium i CIS (Indium i CIS (kopparkoppar--indiumindium--diseleniddiselenid))-- Medelhalten i jordskorpan 0,000005% (Finns inte Medelhalten i jordskorpan 0,000005% (Finns inte konckonc i malm) i malm) -- Utvinns som biprodukt vid zinkbrytningUtvinns som biprodukt vid zinkbrytning-- idag utvinns endast 200 ton per idag utvinns endast 200 ton per åårrTelluridTellurid i i CdTeCdTe ((kadmiumkadmium--telluridtellurid))-- Medelhalten i jordskorpan 0,0000005% (Finns inte Medelhalten i jordskorpan 0,0000005% (Finns inte konckonc i malm) i malm) -- Utvinns som biprodukt vid kopparbrytningUtvinns som biprodukt vid kopparbrytning-- idag utvinns endast 300 ton per idag utvinns endast 300 ton per åårr

Tunnfilmer behTunnfilmer behööver endast nver endast nåågra gram per mgra gram per m2 2 men dagens men dagens brytningstakt begrbrytningstakt begräänsar tillverkningen av CIS till 5nsar tillverkningen av CIS till 5--10 GW/10 GW/åår och 5r och 5--10 GW/10 GW/åår av r av CdTeCdTe. (dagens . (dagens tottot solcellsprodsolcellsprod äär end 120 MW/r end 120 MW/åår)r)

BBååde CIS och de CIS och CdTeCdTe kan bli betydande men kan bli betydande men äändndåå bara nbara nåågra fgra fåå % av % av eltillfeltillföörseln. Behrseln. Behööver andra metaller i framtiden.ver andra metaller i framtiden.

Vill vi ha stora mVill vi ha stora määngder giftiga metaller i samhngder giftiga metaller i samhäället? llet?

Kostnaderna pKostnaderna påå solceller, per Watt, har minskat med solceller, per Watt, har minskat med 20% vid varje f20% vid varje föördubbling av installerad effektrdubbling av installerad effekt

Solar Generation,European

Photovoltaic Industri Association

& Greenpeace, 2001

Snittpriset Snittpriset äändndååfortfarande ca fortfarande ca 44--5 ggr h5 ggr höögre gre ään konventionell n konventionell elel

5

MestMest solkraftsolkraft i i TysklandTysklandAv Av vväärldensrldens 100 100 ststöörstarsta solcellsanlsolcellsanlääggningarggningar liggerligger70 i 70 i TysklandTyskland. De . De tiotio ststöörstarsta hittillshittills äärr::

ArnsteinArnstein, , TysklandTyskland, , 12 MW12 MWPocking, Pocking, TysklandTyskland, , 10 MW10 MWMilagroMilagro, , SpanienSpanien, , 9,51 MW9,51 MWMMüühlhausenhlhausen, , TysklandTyskland, , 6,3 MW6,3 MWMiegersbachMiegersbach, , TysklandTyskland, , 5,27 MW5,27 MWKameyamaKameyama, Japan, , Japan, 5,21 MW5,21 MWBBüürstadtrstadt, , TysklandTyskland, , 5 MW5 MWEspenhainEspenhain, , TysklandTyskland, , 5 MW5 MWTucson Arizona, USA, Tucson Arizona, USA, 4,59 MW4,59 MWSembachSembach, , SaarbrSaarbrüückencken, , MerseburgMerseburg, , GGööttelbornttelborn ochochHemauHemau, , TysklandTyskland, , 4 MW4 MW varderavardera

KKäällalla till till tabellentabellen: : www.pvresources.comwww.pvresources.com

VVäärldens strldens stöörsta rsta solkraftverk 40 MWsolkraftverk 40 MW

GammaltGammalt militmilitäärflygfrflygfäältltutanfutanföörr Leipzig Leipzig YtaYta motsvmotsv. 200 . 200 fotbollsplanerfotbollsplaner..KlartKlart 20092009LevereraLeverera 40 40 MkWhMkWh per per åårr till till elnelnäätettet..550 000 550 000 kadmiumkadmium--telluridtellurid tunnfilmscellertunnfilmscellerBerBerääknadeknade byggkostnadenbyggkostnaden 30 30 krkr per W (per W (llåågg men men inteinte orimligorimlig, enl , enl Lars Lars StoltzStoltz) Tot. ) Tot. cirkacirka 1,2 1,2 miljardermiljarder kronor.kronor.2,10 2,10 krkr per per produceradproducerad kWh (kWh (avskrivningstidavskrivningstid ppåå 20 20 åårr) ) SolpanelernaSolpanelerna ttääckercker 400000 400000 kvadratmeterkvadratmeterDetDet tyskatyska bidragssystemetbidragssystemet -- fast fast prispris fföörr el. ca 3,15el. ca 3,15--3,60 per kWh, 3,60 per kWh, ((beroendeberoende ppåå nnäärr man man kankan bböörjarja levereraleverera el), => el), => åårligtrligt ööverskottverskottminstminst 40 40 miljonermiljoner kronor.kronor.

Vanlig fotbollsplan

Källa: http://www.nyteknik.se/art/49589

BarriBarriäärer rer smsmååskalig anvskalig anväändning av solenergindning av solenergi

HHöög kostnad per kWh (el)g kostnad per kWh (el)Kostsam bygglovsprocess (ibland >20% av Kostsam bygglovsprocess (ibland >20% av investeringskostnaden)investeringskostnaden)BesvBesväärliga regler (bygglov har blivit rliga regler (bygglov har blivit stoppat av estetiska skstoppat av estetiska skääl) l)

VVäätgas och brtgas och bräänslecellernslecellerlagra intermittent elektricitetlagra intermittent elektricitet

6

Lagra solenergiLagra solenergiI biomassaI biomassaI varmvatten eller saltsmI varmvatten eller saltsmäältorltorI batteri I batteri I vI väätgas tgas

VVäätgas och brtgas och bräänslecellernslecellerVVäätgas produceras tgas produceras vanligtvis genomvanligtvis genom•• Elektrolys av vatten Elektrolys av vatten (med elektricitet)(med elektricitet)•• ÅÅngreformeringngreformering av av naturgasnaturgas•• FFöörgasning av kol, rgasning av kol, olja eller biomassaolja eller biomassa

BrBräänslecellernsleceller•• HHöög g omvandlingseffomvandlingseff..•• LLååga lokala utslga lokala utslääpp frpp fråån n avgaserna (endast avgaserna (endast vattenvatten--åånganga vid anvvid anväändning av Hndning av H22) ) •• I dagslI dagslääget kort livslget kort livsläängd ngd eller kreller krääver dyra metallerver dyra metaller•• Ej kommersiell idagEj kommersiell idag

AnodeAnode Proton conducting membraneProton conducting membrane CathodeCathode

Hydrogen (HHydrogen (H22) ) -- fuelfuel

NonNon--utilized hydrogen utilized hydrogen (H(H22) )

Oxygen (OOxygen (O22) ) from the airfrom the air

Emissions: Air and Emissions: Air and water vaporwater vapor

Heat (85Heat (85OOC)C)

Adapted from: Scientific AmericanAdapted from: Scientific American

Anod: 2H2 → 4H+ + 4e–

Katod: O2 + 4H+ + 4e– → 2H2OTotal: 2H2 + O2 → 2H2O

2H2

O2

2H2O

BarriBarriäärer frer föör storskalig anvr storskalig anväändning ndning av vav väätgas och brtgas och bräänslecellernsleceller

Storskalig COStorskalig CO22--neutral vneutral väätgasframsttgasframstäällningllning-- Solceller dyra och/eller innehSolceller dyra och/eller innehååller sller säällsynta llsynta

metallermetaller-- FFöörgasning av biomassa och COrgasning av biomassa och CO22--lagring (vid lagring (vid

fföörgasning av kol) ej rgasning av kol) ej äännu kommersiellt nnu kommersiellt ffäärdiga teknikerrdiga tekniker

Lagring i fordon ej lLagring i fordon ej lööststBrBräänsleceller snsleceller säällsynta metaller och/eller kort llsynta metaller och/eller kort livsllivsläängdngd

7

Hur fungerar en solcell?Hur fungerar en solcell?Elektrisktfält

Magnetfält

λ

E=hν

Fotoner i solstrFotoner i solstråålninglning

E=EnergiE=Energi (J)(J)h=Plancksh=Plancks konstant (konstant (JsJs))λ=vvååglgläängdngd (m)(m)ν=frekvensfrekvens (Hz)(Hz)c=c=λνλν=ljusets=ljusets hastighet (m/s)hastighet (m/s)

KKäälla: Carl Hlla: Carl Häägglund, Kemisk Fysik, Chalmersgglund, Kemisk Fysik, Chalmers

En kiselatom SiEn kiselatom Si

Si

4 elektroner i det 4 elektroner i det tredje skalet tredje skalet (valensbandet)(valensbandet)

LedningsLednings--bandetbandet (tomt)(tomt)

-

FotonFoton--elektronelektron vvääxelverkanxelverkan

Elek

tron-

ener

gi

hν -

+hνhν

-hν

KKäälla: Carl Hlla: Carl Häägglund, Kemisk Fysik, Chalmersgglund, Kemisk Fysik, Chalmers

8

En halvledare har precis lagom stort En halvledare har precis lagom stort bandgap sbandgap såå att energin i en solstratt energin i en solstrååle le

kan lyfta elektronen.kan lyfta elektronen.

Avstånd

Elek

trone

nerg

i

Si Si Si Si Si Si Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si Si

OdopadOdopad kiselsolcellkiselsolcell

Kiselatomerna lKiselatomerna låånar nar varandras valenselektroner varandras valenselektroner och bildar fullt skaloch bildar fullt skal

En En boratomboratom BB

B 3 3 valensvalens--elektronerelektroner

En fosforatom PEn fosforatom P

5 5 valensvalens--elektronerelektroner

P

9

N och N och PP--DopningDopning i en kiselsolcelli en kiselsolcellSi Si Si Si Si Si B Si Si SiSi P Si Si Si Si Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si BSi Si Si Si P Si Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si B Si Si SiSi Si P Si Si Si Si Si Si SiSi Si Si Si Si Si Si Si Si Si

PP--sidasida NN--sidasida

- - - - - + + + + + - - - - - + + + + +- - - - - + + + + +- - - - - + + + + +- - - - - + + + + + - - - - - + + + + +- - - - - + + + + +- - - - - + + + + + - - - - - + + + + +

N och N och PP--DopningDopning i en kiselsolcelli en kiselsolcell

PP--sidansidan äär riktad mot solen. r riktad mot solen.

PP--sidasida NN--sidasida

ee--

Frigjorda elektroner pFrigjorda elektroner påå PP--sidansidan dras till dras till NN--sidansidan och vill inte och vill inte tillbaka. Kopplas en ledare till tillbaka. Kopplas en ledare till NN--sidansidan ssåå rusar elektronerna in rusar elektronerna in i den.i den.

PNPN--öövergvergåångng

Avstånd

Elek

trone

nerg

i

KKäälla: Carl Hlla: Carl Häägglund, Kemisk Fysik, Chalmersgglund, Kemisk Fysik, Chalmers

Steget till en solcellSteget till en solcell

+ -

-

--

-+

+

+

+

p n

Avstånd

Elek

trone

nerg

i

KKäälla: Carl Hlla: Carl Häägglund, Kemisk Fysik, Chalmersgglund, Kemisk Fysik, Chalmers