Sammendrag 2007-03-23



Like dokumenter
Energien kommer fra sola Sola som energikilde. Espen Olsen Førsteamanuensis, dr. ing. Institutt for matematiske realfag og teknologi - IMT

NORSK LOVTIDEND Avd. I Lover og sentrale forskrifter mv. Utgitt i henhold til lov 19. juni 1969 nr. 53.

URBAN MINING GJENNVINNING AV METALLER FRA EE-AVFALL. Rolf Tore Ottesen Norges geologiske undersøkelse

2 He F Ne Cl Ar Br Kr Lv Ts. 118 Og. 69 Tm. 70 Yb. 71 Lu. 102 No. 101 Md. 103 Lr

ПРИЛОЖЕНИЕ к критериям отнесения твердых, жидких и газообразных отходов к радиоактивным отходам

Forskrift om forurensningslovens anvendelse på radioaktive stoffer og radioaktivt avfall

Hvorfor hydrogen? Bjørg Andresen Spesialrådgiver Institutt for energiteknikk

Emnenavn: Faglærer: Oppgavesettet består av 3 oppgaver. Alle spørsmål på oppgavene skal besvares, og alle spørsmål teller likt til eksamen.

Forskrift om forurensningslovens anvendelse på radioaktiv forurensning og radioaktivt avfall

Solceller. Manual til laboratorieøvelse for elever. Skolelaboratoriet for fornybar energi Universitetet for miljø- og biovitenskap

Tore Methlie Hagen, Divsjon Samfunn og miljø, Miljø- og avfallsavdelingen

Kjøpsveileder Solceller. Hjelp til deg som skal kjøpe solcelleanlegg.

GETEK AS G E T E K e n e r g i f o r m i l j ø e t

NTNU Skolelaboratoriet Elevverksted Solceller Side 1 av 9. Laboppgave. Elevverksted Solceller. Navn elever

Manual til laboratorieøvelse. Solceller. Foto: Túrelio, Wikimedia Commons. Versjon

Færder energifabrikk. Presentasjon dialogkonferanse Skagerak arena

Foreløpig rapport over oppfølging av PGE anomale prøver i Seilandprovinsen

EKSAMEN. Oppgavesettet består av 3 oppgaver. Alle sporsnuil på oppgavene skal besvares, og alle spors111d1teller likt til eksamen.

Fasit oppdatert 10/9-03. Se opp for skrivefeil. Denne fasiten er ny!

Konseptutredning EL Fornebu - WS3 energi og effekt. Utnyttelse av solenergi på Fornebu. Peter Bernhard, Asplan Viak AS.

Lokal energiutredning Setesdal regionråd, 20/11-13

Solceller. Josefine Helene Selj

Kursdagene 2010 Sesjon 1, Klima, Energi og Miljø Nye krav tekniske installasjoner og energiforsyning

Vil du være fri og nyte strømkomfort som om du er hjemme?

Introduksjon til solenergi

Fakultet for naturvitenskap og teknologi. EKSAMEN I KJ 2050, GRUNNKURS I ANALYTISK KJEMI (7,5 sp) Fredag 21. desember 2012 kl

Fremtidige energibehov, energiformer og tiltak Raffineridirektør Tore Revå, Essoraffineriet på Slagentangen. Februar 2007

Solenergi og solceller- teori

Aluminium og spormetaller i Kaldvellfjorden - tilstandsformer og opptak i fisk

Vil du være fri og nyte strømkomfort som om du er hjemme?

Lørenskog Vinterpark

Hydrogen Den neste norske suksesshistorien? Martin Kirkengen IFE

Terralun. - smart skolevarme. Fremtidens energiløsning for skolene. Lisa Henden Groth. Asplan Viak 22. Septemebr 2010

Framtiden er elektrisk

Egil Lillestøl, CERN & Univ. of Bergen

Manual til laboratorieøvelse. Solfanger. Foto: Stefan Tiesen, Flickr.com. Versjon:

NO/EP P a t e n t k r a v

Landbruket vil trolig stå for 30-40% av det totale solcellemarkedet i Norge Felleskjøpet er den viktigste leverandøren av produkter til landbruket i

Forholdet mellom nullenergi og nullutslipp

Storsatsing på fornybar energiforsyning fører til mange mindre lokale kraftprodusenter. Christine Haugland, BKK

Kjøpsveileder solceller. Hjelp til deg som skal kjøpe solcelleanlegg.

SAMSPILL MELLOM ELEKTRISITET OG FJERNVARME PÅ LOKAL- OG SYSTEMNIVÅ

Vil du være fri og nyte strømkomfort som om du er hjemme?

Prinsipp; analytten bestemmes som følge av for eksempel måling av spenning, strøm, motstandmålinger. Det finnes flere metoder blant annet:

Solenergi i Energimeldingen

John Rekstad Leder Aventa AS

Lokal energiutredning

EP0100 Energiframtider og miljøvisjoner Øving torsdag 30/ Solceller

SCENARIOER FOR FRAMTIDENS STRØMFORBRUK VIL VI FORTSATT VÆRE KOBLET TIL STRØMNETTET?

KOSMOS. Energi for framtiden: 8 Solfangere og solceller Figur side 161. Solfangeranlegg. Forbruker. Solfanger Lager. Pumpe/vifte

HVORFOR SKAL VI FORTSATT HA FOKUS PÅ MILJØGIFTER? Rolf Tore Ottesen Norges geologiske undersøkelse

FRÅ NULLUTSLEPPSBYGG TIL NULLUTSLEPPSBYDELAR

Solvarme i kombinasjonssystemer

- Vi har enda ikke greid å oppfinne en evighetsmaskin, som konstant genererer like mye energi som den bruker.

SYSTEMER FOR SOLCELLER BauderSOLAR for flate tak og beplantede tak

Kjemiske bindinger. Som holder stoffene sammen

Utvikling av priser og teknologi

Solenergi for varmeformål - snart lønnsomt?

Fremtidens bygg hva er status

Solenergi for landbruk

Solcellekonsepter for høy virkningsgrad. Cleantech Agder 2015 Rune Strandberg, UiA

Powerhouse + Hydrogen = Sant

KOSMOS. 5: Elektroner på vandring Figur side Modell av et heliumatom. Elektron. Nøytron. p + Proton. Protoner

ASKO er en del av NorgesGruppen

1561 Newton basedokument - Newton Engia Side 53

1. Oppgaver til atomteori.

Mineraler til mjølkeku, ammeku og sau

Egil Lillestøll, Lillestøl,, CERN & Univ. of Bergen

Bruk av gass som energibærer i kollektivtrafikken i Oslo og Akershus. Pernille Aga, Prosjektleder, Ruter

3 1 Strømmålinger dag 1

Positiv materialidentifikasjon (PMI)

Terralun - energilagring i grunnen - brønner

Introduksjon til solenergi. Ragnhild Bjelland-Hanley, Norges Vel og Norsk solenergiforening Landbrukshelga 2018, 21. januar 2018

NORGES TEKNISK NATURVITENSKAPELIGE UNIVERSITET INSTITUTT FOR KJEMI

Rapportslipp: Solcellesystemer og sol i systemet

SIMIEN Resultater årssimulering

SIMIEN Resultater årssimulering

Bygningsintegrerte installasjoner Fremtidens kinderegg eller bygningsfysisk mareritt?

Ved er en av de eldste formene for bioenergi. Ved hogges fortsatt i skogen og blir brent for å gi varme rundt om i verden.

Solcellen. Nicolai Kristen Solheim

ALTERNATIV STRØMFORSYNING

Studie av overføring av kjemisk energi til elektrisk energi og omvendt. Vi snakker om redoks reaksjoner

Fornybare energikilder og energilagringssystem basert på nanoteknologi. Faglig-pedagogisk dag, Februar 2018

FLERVALGSOPPGAVER REDOKS-/ELEKTORKJEMI

Solceller i forsvaret VIRKEMÅTE OG BRUKSOMRÅDER

NOTAT ETABLERING AV BRØNN NR. 3

Lewis struktur for H20 og CO2 er vist under. Begge har polare bindinger, men H20 er et polart molekyl mens CO2 er upolart. Forklar hvorfor.

Solenergi muligheter i nord. Clara Good Postdoktor, Institutt for fysikk og teknologi Leder, Norsk Solenergiforening lokallag Nord-Norge

Per Arne Kyrkjeeide, Forsker, Teknova AS: Eyde Biokarbon. NCE Eyde - FoU Forum Elkem AS, Kristiansand

Kjemi og miljø. Elektrokjemi Dette kompendiet dekker følgende kapittel i Rystad & Lauritzen: 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 og 10.5

Ord, uttrykk og litt fysikk

Auditorieoppgave nr. 1 Svar 45 minutter

Transkript:

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?

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

JA!

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

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

Innstrålt mengde solenergi kwh/m 2 per år. Planning and Installing Photovoltaic Systems, ISBN 1-84407-131-6

Innstrålt energi i Bergen (månedssnitt) Month Irradiation at 36 inclination: (kwh/m 2 /day) Jan 0.406 Feb 1.174 Mar 2.368 Apr May Jun Jul Aug 3.872 4.684 5.311 4.682 3.628 Bergen: Ca 950 kwh/m 2 per år Sør-Europa: ca 1700 kwh/m 2 per år Sep Oct Nov Dec 2.590 1.278 0.551 0.263 Sahara: Ca 2500 kwh/m 2 per år http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

Strøm produsert med solceller 732kWh per år per 1kW p panel, inkludert værforhold og systemtap (= tap i tilkobling til last, DC-AC omforming, batteri). http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

Solcellers virkemåte og effektivitet

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

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)

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

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

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.)

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.

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.

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

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).

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%

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.

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%.

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%.

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.

Historisk utvikling solcelle effektivitet

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

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

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!

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.

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

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.

Hvor mye strøm genereres globalt?

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)

For å dekke hele verdens el-forbruk 2003: ca 15 000 TWh = 15 10 12 kwh 2030: ca 30 000 TWh Sahara: innstrålt energi på 2500 kwh/m 2 / år Trenger 15 10 12 / 2500 / 15% m 2 = 40 000 km 2 = 1,6% av Sudan (Sudans areal 2,5 10 6 km 2 ) Totalt energiforbruk på jorda nå: ca 120 10 12 kwh Trenger ca 13% av Sudan (320 000 km 2, dvs hele Norges areal)

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 (?)

Markedets utvikling Virkelig markedsutvikling >> 1500 2100 MW p installert

Er det nok silisium på jorda?

Hvor mye silisium trengs (for verdens el bruk i 2030)? Trenger et areal på 80 000 km 2 Anta at solcellene er 0,15mm tynne: Nødvendig volum: 80 000 km 2 x 0,15 mm = 12 000 m 3 = 1,2 10 4 m 3 Si Hvor mye silisium finns på jorda? 25 % av jordskorpa er silisium Volum jordskorpa: 5,1 10 14 m 2 x (40km x 0,3 + 7km x 0,7 ) = ca 9 10 18 m 3 Silisium utgjør ca 25% av dette, dvs ca 2 10 18 m 3, dvs 10 14 (titusen millioner) ganger mer enn det som trengs.

0.0001 Rh 1.2 Tb 9.0 B 99.95 136 V 0.0001 Ru 1.2 W 9.1 Pr 99.93 162 Zr 0.0007 Re 1.2 Mo 13 Pb 99.92 180 C 0.001 Te 1.3 Ho 18 Li 99.90 340 S 0.001 Ir 1.5 Ge 19 Ga 99.86 384 Sr 0.004 Au 1.7 Ta 19 N 99.83 390 Ba 0.005 Os 1.8 As 20 Nb 99.79 544 F 0.008 Bi 2.0 Be 25 Sc 99.73 1 060 Mn 0.010 Pt 2.1 Eu 29 Co 99.63 1 120 P 0.015 Pd 2.1 Sn 31 Y 99.51 1 520 H 0.05 Se 2.3 U 35 La 99.36 6 320 Ti 0.08 Hg 2.5 Br 40 Nd 98.73 18 400 K 0.08 Ag 2.6 Cs 66 Ce 96.89 22 700 Na 0.16 Cd 2.8 Hf 68 Cu 94.62 27 640 Mg 0.20 Sb 3.1 Yb 76 Zn 91.86 46 600 Ca 0.24 In 3.5 Er 78 Rb 87.20 62 000 Fe 0.46 I 6.1 Gd 99 Ni 81.00 83 000 Al 0.5 Tm 7.0 Sm 122 Cr 72.70 272 000 Si 0.7 Tl 8.1 Th 126 Cl 45.50 455 000 O Weigth ppm Element Weigth ppm Element Weigth ppm Element % Weigth ppm Element Toxic

Hvor mye energi går med til å produsere solcellesystemer?

Energitilbakebetalingstid Alsema, de Wild-Scholten and Fthenakis,

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

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

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.

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

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.

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)

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

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.

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%.

Takk for oppmerksomheten!