Sammendrag

Transkript

1 Sammendrag For oss på jorda er sola en nærmest uutømmelig energikilde som er relativt jevnt fordelt over hele kloden. I løpet av ca. 30 minutter sender solstrålene inn like mye energi som vi i dag får i løpet av ett år fra tradisjonelle energikilder (fossilt brensel, kjernekraft og vannkraft). Potensialet for elektrisitetsproduksjon ved hjelp av solceller er altså stort. Allikevel er bidraget fra solstrøm forsvinnende lite i dag, selv om veksten er nær sagt eksponentiell. Er det realistisk å tro at solceller noen sinne vil kunne bidra til energibehovet så det monner? Hvor effektive er dagens solceller og hva er teoretisk mulig? Hvor mye energi går med i produksjonen av solcellene, og hvilke andre begrensninger og utfordringer finnes?

2 Kan solceller bidra til framtidas energiforsyning? Turid Worren Institutt for fysikk NTNU

3 JA!

4 Innhold Hvor mye energi mottar vi fra sola? Hvordan virker ei solcelle? Hvor effektive kan solceller bli? Utfordringer? Råvaretilgjengelighet Energitilbakebetalingstid Forurensning i produksjonen Utslipp av drivhusgasser

5 Sola og andre energikilder I løpet av ca. 30 minutter sender solstrålene inn like mye energi som vi i dag får i løpet av ett år fra tradisjonelle energikilder (fossilt brensel, kjernekraft og vannkraft). Årlig mengde innstrålt solenergi Total mengde kjente reserver av uran og fossilt brensel Uran Gass Olje Kull Årlig energiforbruk

6 Innstrålt mengde solenergi kwh/m 2 per år. Planning and Installing Photovoltaic Systems, ISBN

7 Innstrålt energi i Bergen (månedssnitt) Month Irradiation at 36 inclination: (kwh/m 2 /day) Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Bergen: Ca 950 kwh/m 2 per år Sør-Europa: ca 1700 kwh/m 2 per år Sep Oct Nov Dec Sahara: Ca 2500 kwh/m 2 per år

8 Strøm produsert med solceller 732kWh per år per 1kW p panel, inkludert værforhold og systemtap (= tap i tilkobling til last, DC-AC omforming, batteri).

9 Solcellers virkemåte og effektivitet

10 Virkemåte Ei solcelle fungerer som et evighetsbatteri som kan levere strøm så lenge den belyses. strøm I Halvleder, f.eks. silisium Kontakter + -

11 Fotovoltaisk effekt Absorpsjon av sollys genererer en elektrisk strøm, som flyter mot de ytre elektrodene i solcella. I tillegg settes det opp en spenning på elektrodene på utsiden av solcella, når lyset absorberes: en fotospenning. Denne spenningen driver strømmen gjennom lasten (det som solcella er koblet til). Dette kalles den fotovoltaiske effekt. (Engelsk: photovoltaic effect, PV)

12 Analogi: folk på rocke-konsert Folkene er elektronene i solcella. Rockemusikken eksiterer folk akkurat som sollyset eksiterer elektronene i solcella når det absorberes.

13 U2 konsert Eksitering En ledig plass: et hull U2 fans som kan eksiteres av musikken

14 Vi vil hindre at folkene ramler ned igjen, for å sikre at de kan gjøre nytte for seg på utsiden av konsertlokalet: Vi introduserer en kraft som skiller personen fra den ledige tilstanden. Pizza og øl Lav potensiell energi Eksitering Folkene gjør noe nyttig mens de hopper ned, for eksempel moser epler til eplemos. Høy potensiell energi I solcella vil det være et innebygd elektrisk felt, som skiller elektronet fra den ledige tilstanden. (Dette feltet skyldes IKKE fotospenningen.)

15 Størrelsen på fotospenningen Høydeforskjellen mellom starttrinn og sluttrinn bestemmer hvor stor fotospenning man kan få. Jo større høydeforskjell, desto større fotospenning, og desto større potensiell energi. I analogien: jo større høydeforskjell, desto mer fallhøyde (potensiell energi) tilgjengelig for å mose epler.

16 Lav potensiell energi Høy potensiell energi Stor fotospenning, men høy eksitering kreves for å folk/elektroner opp. Lite strøm. Lav potensiell energi Middels potensiell energi Husk: elektrisk effekt er strøm ganger spenning P = I x U Liten fotospenning. Et oppvarmingsband er nok eksitering. Mye strøm.

17 For mye eksitering er sløsing med energi Energi mistes som varme (og lyd) og kan ikke brukes til å lage eplemos Bang! men det må altså være NOK eksitering

18 Effekt levert av ei typisk silisium solcelle Elektrisk effekt = strøm ganger spenning P = I U Ei typisk silisium solcelle leverer I = 250 ampere per kvadratmeter (A/m 2 ) strøm, men bare U = 0,6V spenning, for en solinnstråling på 1000 watt per kvadratmeter (W/m 2 ) sollys med ca 42 innfall (AM1,5).

19 Silisium-solcellas effektivitet η : levert elektrisk effekt η = innstrålt soleffekt = U I P sol = 0,6V 250A / m 1000W / m 2 2 = 0,6 250W 1000W = 0,15 = 15%

20 Silisium og solspektret 5% 43% 52% av innstrålt solenergi Energitap på grunn av for høy eksitering. Energitap på grunn av for liten energi i sollyset til å eksitere elektronene.

21 Teoretisk øvre grense for effektiviteten Ut fra fysikkmodeller kan man beregne en øvre grense for effektiviteten til ei vanlig solcelle (som beskrevet til nå). Øvre grense er beregnet til å være η=31%. De beste laboratoriecellene av oppnådd ca 80% av denne øvre grensa, dvs ca η=25%. Dersom man bruker linsesystemer for å forsterke sollyset, så er øvre grense η = 41%.

22 Hvordan kan man øke den øvre grensa? Ved å velge andre oppbyggingsmåter for solcellene. Med disse nye måtene å bygge solceller på, så vil øvre grense for effektiviteten være på η = 87% for maksimalt forsterket sollys, sammenlignet med 41% for dagens solcelleteknologi. Om vi kan oppnå 80% av dette, vil framtidas solceller ha en effektivitet på nær η = 70%.

23 Tredje generasjon solceller Silke høyeffektive solceller kalles tredje generasjon solceller. Første generasjon er de som dominerer markedet i dag: basert på dyrt krystallinsk silisium. (Panelpris ca 20kr per watt). Andre generasjon er basert på billigere materialer av lavere kvalitet. (Panelpris 6kr per watt) For tredje generasjon håper man på en panelpris per watt på 50 øre.

24 Historisk utvikling solcelle effektivitet

25 Lønnsom bruk av solceller Installasjoner (fyr, hytter, observatorier) langt fra elnett Strømforsyning til elektriske gjerder Katodisk beskyttelse av rørledninger Vanningsanlegg Medisinsk kjøling (nødhjelp) Telekommunikasjonssystemer Utendørsbelysning Bærbare elektriske eller belysningssystemer Utstyr for å måle stråling Signalanlegg for jernbane el lign. Strømforsyning til (fjerntliggende) hytter og landsbyer Strømforsyning til vannpumper (brønner, damanlegg) Bygningsintegrert PV

26

27 Hvordan er de nye solcelletypene bygget opp? Ekstra trinn ( intermediate band solar cells ) Høy potensiell energi Mellomtrinn 2 Stor fotospenning, og mye strøm. Mellomtrinn 1 Lav potensiell energi

28 Fange inn de som er veldig eksitert før de ramler ned ( hot carrier solar cells ) Energi mistes som varme (og lyd) og kan ikke brukes til å lage eplemos Bang!

29 Fange inn de som er veldig eksitert før de ramler ned Spesielle kontakter, som fanger inn de veldig eksiterte før de rekker å ramle ned.

30 Bruke overskuddenergien til de som ramler ned til å sparke opp en annen.

31 Celler, paneler, systemer En enkelt silisiumsolcelle gir bare ca 0,6V For å øke spenningen kobles de i serie til et solcellepanel, som gir 12-15V Panelene kan kobles sammen i parallell for å øke strømmengden. Panelene leverer likestrøm (DC) via en regulator til et batteri og utstyret som trenger strøm. Strømmen kan også gå via en inverterer for å omformes til vekselstrøm (AC) som kan kobles til strømnettet via en transformator.

32 Hvor mye strøm genereres globalt?

33 Solstrømproduksjon globalt Totalt innstallert til og med 2006: ca 6-8 GW p Produsert solstrøm i 2006 Anta: 6 h sol pr dag i 365 dager : ca 2000 timer/år 7 Gigawatt x 2000 timer = 14 TWh i 2006 (Ca 10% av den totale norske elektrisitetsproduksjonen)

34 For å dekke hele verdens el-forbruk 2003: ca TWh = kwh 2030: ca TWh Sahara: innstrålt energi på 2500 kwh/m 2 / år Trenger / 2500 / 15% m 2 = km 2 = 1,6% av Sudan (Sudans areal 2, km 2 ) Totalt energiforbruk på jorda nå: ca kwh Trenger ca 13% av Sudan ( km 2, dvs hele Norges areal)

35 Installert solcellepaneler (globalt) Målt i hvor mye solcellene kan produsere hvis de belyses med 1000 W/m 2 (AM1.5) 2005: 1500 MW p 2006: 2100 MW p 2010: 8000 MW p (?)

36 Markedets utvikling Virkelig markedsutvikling >> MW p installert

37 Er det nok silisium på jorda?

38 Hvor mye silisium trengs (for verdens el bruk i 2030)? Trenger et areal på km 2 Anta at solcellene er 0,15mm tynne: Nødvendig volum: km 2 x 0,15 mm = m 3 = 1, m 3 Si Hvor mye silisium finns på jorda? 25 % av jordskorpa er silisium Volum jordskorpa: 5, m 2 x (40km x 0,3 + 7km x 0,7 ) = ca m 3 Silisium utgjør ca 25% av dette, dvs ca m 3, dvs (titusen millioner) ganger mer enn det som trengs.

39 Rh 1.2 Tb 9.0 B V Ru 1.2 W 9.1 Pr Zr Re 1.2 Mo 13 Pb C Te 1.3 Ho 18 Li S Ir 1.5 Ge 19 Ga Sr Au 1.7 Ta 19 N Ba Os 1.8 As 20 Nb F Bi 2.0 Be 25 Sc Mn Pt 2.1 Eu 29 Co P Pd 2.1 Sn 31 Y H 0.05 Se 2.3 U 35 La Ti 0.08 Hg 2.5 Br 40 Nd K 0.08 Ag 2.6 Cs 66 Ce Na 0.16 Cd 2.8 Hf 68 Cu Mg 0.20 Sb 3.1 Yb 76 Zn Ca 0.24 In 3.5 Er 78 Rb Fe 0.46 I 6.1 Gd 99 Ni Al 0.5 Tm 7.0 Sm 122 Cr Si 0.7 Tl 8.1 Th 126 Cl O Weigth ppm Element Weigth ppm Element Weigth ppm Element % Weigth ppm Element Toxic

40 Hvor mye energi går med til å produsere solcellesystemer?

41 Energitilbakebetalingstid Alsema, de Wild-Scholten and Fthenakis,

42 Energibruk for de ulike delene av solcellepanelet Alsema, de Wild-Scholten and Fthenakis,

43 Tynnfilm-solceller Alsema, de Wild-Scholten and Fthenakis,

44 Solcellers levetid og energitilbakebetaling Systemene har en levetid på 30 år + Med en energitilbakebetalingstid på under 1,5 år produserer systemene mer enn 20 ganger mer enn energien som gikk med i produksjonen av systemet.

45 Utslipp av drivhusgasser Alsema, de Wild-Scholten and Fthenakis,

46 Forurensning fra solcelleproduksjon Noen silisium solcellerprosesser (men ikke alle) bruker eller resulterer i potensielt helse-/miljøfarlige kjemikalier (HCl, HF, HNO 3, KOH, NaOH, SiF 4, POCl 3, B 2 H 3, SiH 4, NH 3, pluss noen flere). For slike prosesser er oppsamling, rensing og resirkulering av utslipp nødvendig, som for all annen elektronikk-, kjemisk- eller prosessindustri. Det fins i dag gode tekniske løsninger, slik at utslipp kan minimeres eller elimineres helt. Ingen av de nevnte kjemikaliene ender opp i de ferdige silisiumsolcellene. Det eneste giftige stoffet i solcellene er bly i loddetinnet, men mange bruker blyfritt loddetinn, eller med å lage solceller som ikke trenger loddetinn i det hele tatt.

47 Største utfordringer Lagring og evt transport av strømmen til tider og steder sola ikke skinner Muligheter/løsninger Batterier Svinghjul ( flywheel ) Hydrogen Pumpe vann opp i vannkraft-dammer Superledende ledninger (?) Bygningsintegrerte solceller (slipper transport)

48 Fordeler med PV Ren (og grønn) energikilde Pålitelig (minimalt vedlikehold) Lang levetid Lydløst Reduksjon i drivhuseffekt-gasser Til dels konkurransedyktig overfor andre energikilder Modulbasert og utvidbart Fastpris på strøm

49 Oppsummering Solceller bidrar i dag med ca 14TWh globalt, dvs ca 1 av verdens strømforbruk i dag Det er mer enn nok solenergi og silisium og ta av for å dekke hele verdens totale energibehov Energitilbakebetalingstiden blir stadig kortere (er snart på under 5% av levetiden til solcellene) Utslipp av drivhusgasser er i hovedsak knyttet til bruk av fossile energikilder i produksjonen Lagring og transport av strømmen er kanskje den største utfordringen Forurensning fra produksjonen er som for annen elektronikk, og den (kan) håndteres på en sikker måte.

50 Effektiviteter Maksimal effektivitet for ei slik (1. og 2. generasjon) solcelle er η = 41% for maksimalt forsterket sollys. (31% for uforsterket sollys) Maksimal effektivitet for 3. generasjon solceller er til sammenligning η =ca 87% for maksimalt forsterket sollys. I praksis håper man å nå η = 60%.

51 Takk for oppmerksomheten!