9789144108865

FÖRNYBAR ENERGI

Göran Sidén

Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och studenters begränsade rätt att kopiera för undervisningsändamål enligt Bonus Copyright Access kopieringsavtal är förbjuden. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller Bonus Copyright Access.

Vid utgivning av detta verk som e-bok, är e-boken kopieringsskyddad.

Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman eller rättsinnehavare.

Studentlitteratur har både digital och traditionell bok­utgivning. Studentlitteraturs trycksaker är miljöanpassade, både när det gäller papper och tryckprocess.

Art.nr 33000 ISBN 978-91-44-10886-5 Upplaga 2:1 © Författaren och Studentlitteratur 2009, 2015 www.studentlitteratur.se Studentlitteratur AB, Lund Omslagslayout: Francisco Ortega Omslagsbild: Göran Sidén Printed by Graficas Cems S.L., Spain 2015

INNEHÅLL

Förord till första upplagan 9 Förord till andra upplagan 11 1 Förnybar energi – då och nu 13

Energihistoria 15 Energikris på 1700-talet 16 Den fossila energins guldålder 18 Oljekris på 1970-talet 20 Förnybar energi kommer åter 21 Fracking förlänger den fossila eran 22 2 Värme från solen 25

Solfångare 26 Solfångarnas produktion 27 Solvärmesystem 28 Solvärme till varmvatten 30 Kombisystem 31 Termosifonsystem 31 Luftsolvärme 32 Solvärme i flerbostadshus 33 Solhus med energilagring 35 Solenergi för fjärrvärme 37 Camping- och fritidsanläggningar 39 Simbassänger 40 Energilagring 41 © F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

3

Innehåll

Kvalitetsprovning 42 Solvärmekalkyler 43 1. Annuitetsmetoden eller årskostnadsmetoden 43 2. Pay-off-metoden eller återbetalningsmetoden 44 Passiv solvärme 45 Marknaden för solvärme 47 Internationella utblickar 49 Solstrålningens egenskaper 51 Solhöjden 52 Solenergi – tillgångar 52 3 Elenergi från solen 55

Kisel – riklig tillgång eller bristvara? 58 Solcellens uppbyggnad 59 Solens energi 61 Solcellens funktion 62 Elektriska egenskaper 64 Typer av solceller 65 Användningsområden 68 Det idealiska stand-alone systemet 70 System för nätanslutning 71 Stödsystem för solceller 72 Forskning i Sverige 73 Svensk tillverkare 76 Storskaliga kraftverk 77 Solcellens historik 79 Solceller i utvecklingsländer 81 Termisk solel 84 4 Vindkraft 87

Krafter på bladen 94 Vindkraft enligt danskt koncept 96 Serietillverkade verk 97 Ett vindkraftverks uppbyggnad 98

4

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

Innehåll

Ett tekniskt generationsskifte 100 Megawattverk 101 Vindkraft i Sverige 102 MIUU-modellen och ny vindkartering 105 Vindkraft i världen 107 5 Vindkraft till havs 109

Sverige pionjärland 110 Smart elnät på Öland 111 Stora havsparker 112 Ekonomi för offshore 114 Planerade parker 114 6 Vattenkraft 117

Historik 117 Det vita kolet 119 Fallhöjd ger kraft 121 Reglering av vattenkraften 122 Dammar och magasin 123 Pumpkraftverk 125 Vattenkraft i Sverige 126 Vattenkraft i världen 127 Miljö 129 Landskapsbild och naturupplevelser 131 Drabbade djurarter 131 Åtgärder hittills 132 Småskalig vattenkraft kontroversiell 133 Ändrade krav 134 Nya krav om miljöprövning 135 7 Bioenergi 137

Typer av biomassa 138 Potential i Sverige 139 Miljöpåverkan 140

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

5

Innehåll

Bioenergi från skogen 142 Ved 143 Miljöpåverkan vid vedeldning 147 Träflis 150 Pellets, briketter och träpulver 151 Avfallsförbränning 154 Energi från torv 156 Bioenergi från jordbruksmark 160 Bioenergins framtid 161 8 Biodrivmedel 165

Bioetanol 167 Biogas 169 Biometan i Göteborg 172 Fordonsgas 173 Gasbussar i Linköping 175 Biodiesel – FAME 176 Syntetisk diesel – HVO 177 Metanol 178 Dimetyleter – DME 179 Energiåtgång för biodrivmedel 181 9 Geotermisk energi 183

Förnybar energi? 185 Direktanvändning av geotermisk värme 186 Geoenergi 187 Geotermisk kraftproduktion 188 Geotermisk energi på Island 190 Geotermi i Lund och Amager 192 Miljöpåverkan 195 10 Vågkraft 197

Vågornas egenskaper 198 Utmaningar 200 6

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

Innehåll

Tekniska lösningar 200 Vågkraft i Danmark 201 Wavestar – ett danskt vågkraftkoncept 202 Wave Dragon 203 Pelamis 205 Limpet 205 Boj med linjärgenerator 206 Waveroller 208 Vågenerginavet – The Wave Hub 209 Miljöpåverkan 211 Vågkraftens ekonomi 212 11 Tidvatten- och strömningsenergi 213

Metoder för energiinsamling 215 Barriärkraftverket i Rance 216 Tidal Lagoon Power’s tidvattenkraftverk 217 Tidvattenkraft utanför Skottland 219 Deep Green – svensk tidvattenkraft 220 Ekonomin för tidvattenkraft 222 12 Vätgas och bränsleceller 223

Vätgasuniversum 224 Produktion och lagring 224 Vätgas med naturens egna metoder 225 Bränslecellen 226 Vätgasbilen 227 Utmaningen 229 13 Framtidens energiförsörjning i Sverige 233

Växthusgaserna 235 Utsläppsmål på sikt 236 Danmarks energistrategi 236 Tysklands energiomställning – Energiewende 238 Kostnader för subventioner 238

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

7

Innehåll

Energieffektivisering i företag 240 Energi för transporter 241 Energi i Sverige år 2030 243 Vad kostar det? 245 14 Energilära 247

Kraft och signal 247 Enheter och effekt 249 Huvudsatserna 249 Energiformer 250 Energikällor 251 Energibärare 254 Exergi 256 15 Formler 259

Energienheter 259 Effektenheter 259 Omvandlingstal och energiinnehåll 259 Omvandlingstabell energi 260 Energiinnehåll i bränslen 260 Energiformer 261 Effekt – energi 262 Energiproduktion 263 Vindkraft 263 Solenergi 264 Solfångarnas verkningsgrad 265 Värmepump 266 Energikvalitet 266 Litteratur och länkar 267 Sakregister 271

8

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

KAPITEL 3

Elenergi från solen

I solcellen (engelska: photovoltaic (PV) cell eller solar cell) omvandlas fotonerna, solljusets energibärare, direkt till elektrisk energi. Solcellstekniken är en verkligt småskalig energiproduktion. Solcellen som försörjer ett armbandsur kan ge effekten några milliwatt medan de största modulerna ändå bara ger rätt blygsamma 300 W. Stora solcellskraftverk är uppbyggda av tiotusentals moduler. Men tekniskt sett är ett solcellskraftverk på taket i ett tyskt enfamiljshus lika effektivt som ett stort fält med tusentals solcells­ moduler, och när elenergin produceras nära förbrukarna blir förlusterna i överföringarna små. Solceller kan bli grunden till ett nytt elsystem med decentraliserad kraftförsörjning med tusentals producenter – konsumenter som köper och säljer energi. Elnätet behövs ändå, som transportör, lager och reservkraftkälla när solelen inte räcker.

Solcellen är ingen ny teknik, men det är först på senare år som tillverkningen skjutit i höjden. Elenergi från solceller har ansetts som dyr energi men kostnadsmässigt närmar sig den sig nu konventionell kraftteknik. I många sammanhang är priset fullt konkurrenskraftigt. Elen från knappcells­ batteriet som försörjer armbandsuret är inte billig. I små produkter kan solcellen minska behovet av batterier och bidra till lägre kostnader.

I utvecklingsländer, där elnät saknas (hos en femtedel av jordens befolkning och mer än hälften av Afrikas befolkning) och där solstrålningen ofta är bättre än i Norden, är decentraliserad elförsörjning med solceller ett konkurrenskraftigt alternativ. En enkel solcellanläggning kan täcka elbehovet till vissa basfunktioner, till exempel belysning, TV och laddning av mobiltelefon och bärbar dator. Infrastrukturen för att bygga och underhålla elnät saknas ofta och man blir också oberoende av bränsletillförsel. Solceller kan bidra till en snabbare elektrifiering och utveckling i dessa fall. © F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

55

3 Elenergi från solen

Verkningsgraden för solceller brukar anses låg. Bara 10–20 procent av solstrålarnas energiinnehåll blir elenergi. Men det behöver inte vara ett hinder för en storskalig användning. Lämpliga placeringar för solceller kan vara ytor som redan används, t.ex. tak och fasader på byggnader. Solcells­ moduler kan samtidigt tjänstgöra både som tak- eller fasadbeläggning och energiproducent.

I Sverige har de små lyktorna för trädgårdsbelysning varit de verkliga storsäljarna. Vi får ljuspunkter i trädgårdarna utan vare sig el-anslutning eller yttre elförbrukning. Men solceller är användbara i många sammanhang, och som konstruktionselement för innovatören/designern är vi bara i början av utvecklingen. Solceller kan försörja mätstationen på fjälltoppen med el eller ladda mobiltelefonen för ökenvandraren. Efterfrågan och produktionen av solceller i världen har varit stor och har ökat kraftigt de senaste åren.

Hur solcellskapaciteten utvecklats visas i figur 3.1. Ökningen av de årliga nyinstallationerna har varit 54 procent i medeltal för perioden 2000–2013.

Huvuddelen av de nya solmodulerna har anslutits till elnäten.

De senaste åren har en förskjutning skett från Europa till Asien och USA av solinstallationerna. Hur fördelningen mellan de tio störa länderna var 2013 visas i figur 3.2. För total installerad effekt är det fortfarande europeiska länder i täten. Tyskland fick 6,9 procent sin elförsörjning från solceller 140 120

GWp

100 80 60 40 20

12

11

13 20

20

20

10 20

09 20

08 20

07 20

06 20

05 20

04 20

03 20

01

02 20

20

20

00

0

Figur 3.1 Ackumulerade installationer av solceller i världen 2000–2013. I slutet av 2013 uppgick de till 134 GWp (gigawatt toppeffekt). Källa: Report IEA-PVPS T1-24:2014.

56

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

3 Elenergi från solen

(av totalt 31 procent förnybar el). Men nyinstallationerna har sjunkit mycket de senaste åren. Förklaringen ligger främst i att ersättningen för inmatning av solenergi till nätet har sjunkit från i det stödsystem, inmatningstariffer, som man tillämpar i Tyskland.

I juli 2014 är stödet för ny solcellsel från 12,88 eurocent per kWh för små takplacerade system ned till 8,92 eurocent per kWh för stora allmännyttiga solpanelsparker. Dessutom är stödet begränsade till solcellssystem med en maximal effekt på 10 MW. Stödet för solceller minskar också snabbare än för någon annan förnybar teknik. Minskningstakten är en procent per månad.

Allra högst andel solcellsel har Italien. De fick 7,5 procent av elförbrukningen från solen 2014. Till Italiens fördel talar också att man har mer soltimmar än Nordeuropa. En solcell i Palermo producerar 50 procent mer än en solcell i Halmstad. Även Grekland har en hög andel solel, 7 procent år 2014. Men med nuvarande nybyggnadstakt kommer de europeiska länderna snart att passeras av Kina.

Sverige har fram till nu inte varit bland de mer framträdande på solcellsområdet. En orsak kan vara att vi inte har lika bra tillgång på solenergi som länder i Mellan- och Sydeuropa. Vi har också haft betydligt bättre tillgång till andra förnybara energikällor, t.ex. vattenkraft och bioenergi än många länder, så pressen på att vi ska utveckla nya energikällor har kanske varit lägre

Övriga 11 % Australien 2 % Storbritannien 3 %

Kina 30 %

Grekland 3 % Rumänien 3 % Indien 3 % Italien 4 %

Tyskland 9 % Japan 19 % USA 13 %

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

Figur 3.2 Fördelning av nyinstallationer av solceller i olika länder 2013. Källa: Report IEA-PVPS T1-24:2014.

57

3 Elenergi från solen 80 70 60

MWp

50 40 30 20 10

14 20

13

12

20

11

20

20

10

09

20

20

08

07

20

20

06

05

20

04

20

20

03

02

20

20

01 20

20

00

0

Figur 3.3 Ackumulerade installationer av solceller i Sverige 2000–2014.

I slutet av 2014 uppgick de till 79,4 MWp (megawatt toppeffekt).

hos oss. De senast åren har intresset ökat markant. Installationerna har ökat med 44 procent årligen i medeltal för perioden 2007–2014. Drygt 80 procent av de nya installationerna är nätanslutna.

Kisel – riklig tillgång eller bristvara?

Den vanligaste solcellen är tillverkad av en några tiondels millimeter tunn platta av kisel (Si), som är ett halvledarmaterial. Tjockleken är främst styrd av tillverkningstekniska skäl. När cellerna tillverkas skär man ut en ca 0,2 millimeter platta ur ett kiselblock. Skäret är ungefär lika brett så det åtgår ca 0,4 millimeter av kiselblocket. En viktig utveckling av solcellsproduktionen har varit att minska behovet av kisel genom att tillverka tunnare solceller.

Kiselförbrukningen per watt toppeffekt (Wp) vid tillverkningen har sjunkit från 14 g/Wp år 2003 till 8 g/Wp år 2013.

Kiselförsörjningen var solcellsindustrins största flaskhals fram till 2008.

Det kan förefalla underligt, eftersom kisel är ett av de vanligaste grund­ ämnena i jordskorpan. Varje grushög vi ser, representerar en möjlighet till en betydande energiproduktion, om kislet i den används till solceller. Men kislet måste genomgå en dyrbar renings- och förädlingsprocess. För tillverkare av elektronikkomponenter (halvledarindustrin), som också är beroende av 58

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

3 Elenergi från solen

kisel, är det inget problem, eftersom kiselmängden i en elektronikkomponent är mycket liten. Solcellsindustrin har till stor del försörjts med rester från halvledarindustrin. Kraven på kislet är något mindre för solceller, så till stor del har rester från elektronikindustrin kunnat användas. Ungefär år 2004 blev efterfrågan till kisel för solceller större än tillgången på restkisel. Nya fabriker för renat kisel för solceller var inte byggda, samtidigt som efterfrågan på solceller var hög. Bristsituationen ledde till höga kiselpriser.

Kring år 2008 skedde en dramatisk förändring av kiselförsörjningen.

Genom lågkonjunkturen med minskad efterfrågan och en snabb uppbyggnad av tillverkningskapacitet i Kina och Taiwan löstes bristsituationen och priserna började sjunka. Under fyra år efter januari 2008 föll priset på solcellsmoduler i Tyskland från 3 € till 1 € per watt toppeffekt. Produktionskapaciteten byggdes ut. Kinas marknadsandel ökade från 8 procent år 2008 till över 55 procent under det sista kvartalet 2010. Över en längre tidsperiod har kostnaden för solceller sjunkit kontinuerligt. Man har funnit att vid en fördubblad ackumulerad produktion har priserna sjunkit 20 procent. Fenomenet brukar kallas lärkurva. Mönstret bröts 2004–2008 med kiselbristen, men sen har priserna åter börja sjunka och följa den långsiktiga trenden. Väntar vi tillräckligt länge så bör solceller bli en billig metod för att generera elektricitet. Enligt vissa prognoser väntas solcellselen kunna konkurrera ekonomiskt med all annan ny elproduktion inom en tioårsperiod i de soligaste delarna av världen. I våra solfattigare delar av världen kan det ta ytterligare ett årtionde innan den blir konkurrenskraftig.

Solcellens uppbyggnad Kiselatomen har fyra valenselektroner. Atomen kan dela elektroner med fyra andra atomer och packas ihop i en tät kristall, se figur 3.4. Bilden är förenklad genom att den är tvådimensionell. I verkligheten är kristallen och bindningarna tredimensionella. Elektronerna är fast bundna till sina atomer och ledningsförmågan är låg. Därför kallar vi denna typ av material för halvledare. När kislet ska användas till en solcell förändras egenskaperna genom att små mängder av ett annat grundämne tillförs och inordnas i kristallstrukturen. Förfarandet kallas dopning. Tillsätts en atom med fem valenselektroner, fosfor, infogas atomen i strukturen (figur 3.5 a) men vi får en elektron över som är mindre fast bunden. Ledningsförmågan ökar med lösa © F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

59

3 Elenergi från solen

a)

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

P

Si

Figur 3.4 Rent kisel (Si) sammanfogat i en tät kristallstruktur.

b)

Si

Si

Si

B

eSi

Si

Si

Si Hål

Si

Si

Si

Si

Figur 3.5 a) Kiselkristall som dopats med fosfor och fått negativa laddningsbärare, elektroner (n-kisel). b) Kiselkristall som dopats med bor och fått positiva laddningsbärare, hål (p-kisel).

negativa laddningsbärare. Vi kallar detta n-kisel. Dopar vi istället med bor, som bara har tre elektroner i det yttersta skalet får vi en brist på elektroner.

Det uppstår vad som brukar kallas ett ”hål” (figur 3.5 b). Även detta hål kan flyttas mellan olika positioner i kristallen. Ledningsförmågan ökar genom att vi får positiva laddningsbärare, hålen. Vi benämner detta kisel för p-kisel.

Figur 3.6 visar solcellens uppbyggnad. Överst finns en framkontakt som består av ett kontaktnät som ska samla upp de laddningar som solens strålning bildat på solcellen. Nätet ska samla in alla laddningar på ovansidan men samtidigt täcka så liten yta som möjligt för att inte hindra fotonerna att nå kiselkristallen.

60

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

3 Elenergi från solen

Framkontakt n-kisel p-kisel Bakkontakt

Figur 3.6 En solcells uppbyggnad.

Under nätet finns ett relativt tunt skikt av n-dopat kisel. Under detta finns ett något tjockare skikt av p-kisel. Underst i cellen fins ett heltäckande metallskikt, en bakkontakt, som samlar upp och leder bort laddningarna från undersidan. Lasten som ska motta energin kopplas alltså in mellan fram- och bakkontakten.

Solens energi Den energi som solcellen ska fånga transporteras med solstrålningen. Solens yta har en temperatur av ca 5 900 K och utsänder elektromagnetisk strålning, fotoner, som karakteriseras av våglängd, frekvens och energi. Figur 3.7 visar den spektrala fördelningen av solstrålning, dels utanför atmosfären och dels på jordytan.

Formeln nedan ger sambandet mellan fotonernas våglängd, frekvens och energiinnehåll: E = hν = hc/λ E = energi, h = 6,63 · 10–34 Js (Plancks konstant), ν = frekvens λ = våglängd, c = 3 · 108 m/s (ljushastigheten i vakuum) Solenergin som når jordytan ligger i våglängdsområdet 300–2 500 nm (nanometer) som motsvaras av energiinnehållet 0,5–4 eV (elektronvolt). Strålning med våglängd under 300 nm absorberas av ozonskiktet på 20–40 km höjd (stratosfären). Är våglängden över 2 500 nm absorberas strålningen av koldioxid och vattenånga i atmosfären.

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

61

3 Elenergi från solen

Energitäthet [W/m2,nm]

2,5

2

Utanför jordens atmosfär 1,5

1

Vid jordytan 0,5

0 0

500

1 000

1 500

2 000

2 500

3 000

Våglängd [nm]

Figur 3.7 Solljusets spektralfördelning vid jordytan.

Solcellens funktion De relativt fast bundna elektronerna i kiselatomernas yttersta elektronskal sägs ligga i valensbandet. Tillförs de en tillräckligt stor energimängd kan en viss energikvantitet absorberas och elektronerna lyfts upp till en högre energinivå som benämns ledningsbandet. Elektronerna exciteras och blir rörliga i kiselkristallen. Den energi som behöver tillföras för att flytta en elektron från valensbandet till ledningsbandet kallas bandgapet och är för kisel 1,1 eV. Det motsvaras av ljuskvanta, fotoner, med våglängden 1 100 nm.

Cirka 23 procent av solljusets fotoner ligger över den energinivån.

När en foton träffar solcellens valenselektroner kan tre situationer uppstå.

Figur 3.8 illustrerar de tre fallen. Är energiinnehållet mindre än bandgapet kan den inte utnyttjas alls, elektronen blir kvar i valensbandet. Är energi­ innehållet lika stort som bandgapet 1,1 eV exciteras elektronen och blir rörlig i ledningsbandet. Större energiinnehåll än bandgapet ger också en rörlig elektron, men överskottet blir värme i kristallen. För varje elektron som exciteras uppstår även ett hål, en positiv laddningsbärare, i kiselkristallen.

62

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

3 Elenergi från solen Foton E<1,1 eV

Foton E=1,1 eV

Foton E>1,1 eV Ledningsband

Bandgap

Valensband

Figur 3.8 Energidiagram som visar elektronernas energi när de träffas av fotoner med olika våglängd och energiinnehåll.

De exciterade elektronerna i ledningsbandet attraheras av n-kislet (figur 3.6) och samlas på ovansidan av solcellen. Hålen attraheras av p-kislet och samlas på undersidan av cellen. En spänning uppstår över solcellen. Kopplas en yttre elektrisk förbindelse med en last in mellan fram- och bakkontakten uppstår en ström och solcellen avger den upptagna solenergin som elektrisk energi till lasten.

Förhållandet att bara energimängden 1,1 eV kan tas upp av en elektron förklarar varför solcellens verkningsgrad är relativt begränsad. Fotoner med energi under bandgapet ger inget bidrag alls. Är energin lika stor som bandgapet eller större tas endast 1,1 eV upp. Överskottet förloras som värme i kristallen. Den teoretiska verkningsgraden för en kiselcell är 29,4 procent.

Med försöksceller i laboratorier har 25,6 procent uppnåtts.

Fakta: Typcellen

Storlek 1 dm 2 Spänning 0,5 V Strömstyrka 3A Effekt 1,5 W Verkningsgrad 15 % Ger i Sverige 1,5 kWh/år Kostnad nyckelfärdigt system 15–30 kr Observera att detta är genomsnittliga värden för dagens solceller.

För varje typ finns mer exakta data.

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

63

3 Elenergi från solen

Andra halvledarmaterial har andra bandgap och därmed varierar den teoretiska verkningsgraden. För bandgap mellan 1,0 och 2,0 ligger den teoretiska verkningsgraden på minst 25 procent.

I tandemceller har man placerat solceller av olika halvledarmaterial ovanpå varandra. Det undre halvledarmaterialet har ett mindre bandgap och kan fånga upp fotoner som passerat genom det första materialet. Då kan en större del av strålningen utnyttjas. Teoretiskt kan man uppnå över 50 procent verkningsgrad och i laboratorieförsök har 46 procent uppnåtts.

Det är solceller med stor genomskinlighet, så kallade tunnfilmsceller, som är aktuella för tekniken. De har ofta rätt låg verkningsgrad som då kan höjas till samma nivå som för kristallina kiselceller.

Elektriska egenskaper Den spänning som en solcell (se faktaruta ”Typcellen”) ger är cirka 0,5 V. Det är en spänning som rent praktiskt är oanvändbar. För att skapa en användbar spänning kopplas ett lämpligt antal celler ihop i serie till en modul. Ofta kopplas 33 eller 36 celler till en ”12-volts-modul”. Modulen täcks av härdat glas och monteras i en aluminiumram. Önskas en något böjlig modul, populärt i båtsammanhang, är modulen i stället täckt av plast.

Tomgångsspänningen för 12-volts-modulen är ca 20 volt men sjunker vid belastning till ca 15 volt, vilket passar bra för laddning av 12-volts-batterier.

Figur 3.9 visar ström–spännings-karakteristiken för en solcell eller modul.

Kurvor för två olika intensiteter av solstrålning visas, 1 000 W/m2, som är den högsta intensitet vi har i Sverige, och 500 W/m2. Karakteristiska värden för en solcellsmodul är spänningen vid obelastad modul UOC (open circuit voltage) och kortslutningsströmmen ISC (short circuit current). Spänningen UOC är i stort sätt oberoende av strålningens intensitet. Maximala strömmen ISC däremot är direkt beroende av intensiteten. Ur diagrammet kan vi också se att det inte är så farligt att kortsluta en solcell. Strömmen ökar endast obetydligt vid kortslutning. Men finns ett batteri inkopplat är risken desto större. De har inga problem med att avge några hundra ampere som kan orsaka brännskador och smältskador på material. Har vi ett system med batterier är det också viktig att det finns en backdiod inkopplad, annars kan batteriet laddas ut genom solcellen när den inte producerar.

I figuren har också belastningslinjen för en optimal resistiv last, ROPT, 64

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

3 Elenergi från solen

Ström (A) ISC

1 000 W/m2

ROPT

500 W/m2

Spänning (V)

Figur 3.9 Den elektriska karakteristiken för en solcellmodul med belastningslinje för maximalt effektuttag.

UOC

ritats in. Det är viktigt att lasten anpassas till aktuell produktion. Denna last skulle ge maximalt effektuttag vid fullt solsken. Strömmen och spänningen är höga samtidigt. Men vid halv solintensitet skulle full ström men endast ungefär halva spänningen erhållas med denna last.

Laddning av batterier är ett exempel på last som också brukar ge ett bra uttag av effekt från solceller.

När strömmen ska matas in i ett elnät används en växelriktare som höjer spänningen och omvandlar den till nätets 230 volt växelspänning. Omriktaren anpassar uttaget till belastningslinjen så att det blir optimalt.

Blir solcellerna varma förändras karakteristiken och effektiviteten sjunker. Temperaturen bör inte överstiga 60° C. Därför att det viktigt att sol­ cellerna monteras så att man får en luftström som kyler cellen. Ett alternativ som föreslagits är att kombinera med produktion av varmvatten, där vattnet får kyla cellen. Har man ett system med batterilager är det viktigt att detta också ställs upp i ett utrymme med måttlig värme. Batteriernas livslängd förkortas väsentligt vid hög temperatur.

Typer av solceller Över 90 procent av dagens solceller är gjorda av kristallint kisel. Cellerna har lång livslängd och fungerar i minst 25 år. Leverantörer brukar lämna 20 års effektgaranti. © F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

65

3 Elenergi från solen

Monokristallina celler är den typ som har högst effektivitet. Här sitter atomerna med perfekt symmetri i kristallen.

Polykristallina celler har kiselatomerna ordnade mindre symmetriskt. Tillverkningen blir billigare, men oregelbundenheterna i kristallen ger också en något lägre verkningsgrad än för monokristallina celler.

För kristallina kiselceller har verkningsgrader på mer än 25 procent uppmätts i laboratorium och på marknaden finns moduler med verkningsgraden 19 procent. Vanligen ligger verkningsgraden för moduler i intervallet 14–19 procent.

Tunnfilmsceller är den nya typen som börjat komma ut på marknaden. Cellen består av en glasskiva täckt av ett mycket tunt lager av ett ljuskänsligt material. Tunnfilmsceller kan tillverkas till lägre kostnad men har också avsevärt lägre verkningsgrad och osäkerhet råder om livslängden.

För närvarande finns tre typer av tunnfilmsceller kommersiellt tillgängliga.

De är tillverkade av: • kisel där atomerna inte är inordnade i en kristallstruktur,

så kallat amorft kisel (aSi) • koppar indium gallium diselenid, CuInGaSe2 (CIGS eller CIS utan gallium) • kadmium tellurid, (CdTe).

Det aktiva lagret hos alla dessa är mindre än 5 mikrometer som kan jämföras med det kristallina kislets 200 mikrometer. När produktionen blir storskalig kan den automatiseras i hög grad och cellerna kan göras i stora genomskinliga stycken som ger nya möjligheter i arkitekturen. År 2013 svarade tunnfilmsceller för ca 10 procent av den totala produktionen av solceller i världen.

Hur en CIGS-cell är uppbyggd visas i figur 3.10. Cellen bärs upp av den tunna glasskivan. Negativt ut miljösynpunkt är att det i CIGS-cellen liksom i CdTe-cellen finns kadmium som är skadligt för miljön. Problemet kan lösas med en strikt återvinning. Det ljusupptagande skiktet i CIGS-cellen består bland annat av indium som är ett sällsynt grundämne. Blir det stora tillverkningsvolymer kan brist uppstå.

66

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

3 Elenergi från solen 120 nm MgF2 500 nm ZnO 10 nm CdS

Antireflexskikt Genomskinlig ledare Buffertlager Absorbatorskikt

2 500 nm CuInGaSe2

Bakkontakt

1 500 nm Mo

Substrat

Figur 3.10 CIGS-cellens uppbyggnad.

0,6 mm glas

I tabell 3.1 visas produktionen i världen av tunnfilmsceller år 2013. De bästa verkningsgraderna för kommersiella celler av de tre typerna visas också.

Verkningsgraderna har förbättrats avsevärt de senaste åren.

Marknadsandelen ökade länge för tunnfilmscellerna, men de senaste åren har det vänt genom de kristallina kiselcellerna ökat mer.

Nanostrukturerade solceller, även kända som Grätzelceller, är en annan typ av solceller som länge förväntats uppnå framgång på den kommersiella marknaden. Det är en våt solcell med en elektrolyt och två elektroder. Den ena beläggs med ett färgämne som samlar upp solljuset. Celltypen anses ha goda utsikter att få en mycket låg tillverkningskostnad. Stora frågetecken finns dock om hållbarheten på lång sikt.

Tandemceller (multi junction cells) har flera ljusabsorberande skikt ovanpå varandra. De undre cellerna har lägre bandgap. En foton som passerat det första skiktet kan absorberas av nästa och omvandlas till elektricitet. När flera lager kan utnyttjas sker energiupptagningen över ett bredare spektrum och verkningsgraden ökas. Teoretiskt kan den bli över 50 procent för en Tabell 3.1 Produktion och marknadsandelar år 2013 för tunnfilmsceller samt bästa verkningsgrad för kommersiella moduler.

Produktion

Marknadsandel (%)

Bästa verkningsgrad (%)

Amorft kisel

690 MWp

2

10

CdTe

1 740 MWp

5

11,8

CIS/CIGS

680 MWp

2

14,6

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

67

3 Elenergi från solen

tandemcell, men man kan bara lägga högst tre celler ovanpå varandra på grund av optiska förluster och reflektion i de olika skikten.

Ett exempel på aktiva skikt i tandemceller är InGaP/GaAs eller GaInP/ GaAs/Ge. Ämnet GaAs (gallium–arsenid) är ett halvledarmaterial med mycket hög verkningsgrad.

I forskningsmiljö har man nått en verkningsgrad på över 30 procent. En nackdel är att det är ett dyrt material och avancerad produktionsteknik ger en hög kostnad för dessa celler.

Användningsområden Solcellspanelerna avger likström. En last avsedd för detta med rätt märkspänning kan kopplas direkt till panelen. Systemet har dock sina svagheter. Det förutsätter att driften bara behöver ske vid solljus. Lasten måste också klara sig på den varierande uteffekt, som panelen ger alltefter solljusets variationer.

Det finns laster som klarar detta. Speciellt lämpligt är det om man har en funktion som har ett samband med solinstrålningen. Ett exempel kan vara en elektrisk fläkt som ventilerar ett växthus för att övertemperatur inte ska uppstå. Här blir solcellen både kraftkälla och styrning för funktionen.

Motorn i en vattenpump är ett annat exempel på en last som kan drivas direkt från en solcellsanläggning. I soliga utvecklingsländer där vattenförsörjning ofta är ett problem, kan soldrivna pumpar bidra till en lösning.

Vatten pumpas dagtid upp till en reservoar som sen kan tappas när man vill använda vatten. I stället för att lagra energin lagrar man produkten och behoven kan tillfredställas dygnet runt.

För de flesta laster vill vi att försörjningen ska fungera oberoende av tillgång på sol. Det kan vi uppnå genom att använda batterilager enligt figur 3.12a. Solcellen laddar batterierna och vi får el från dessa när vi behöver.

Men även detta system har stora brister, som hänger samman med batterierna. Dessa kan förstöras snabbt både av överladdning och av djup­ urladdning. Därför måste systemet kompletteras med en laddningsregulator enligt figur 3.12b. Den förhindrar att batteriet överladdas om uttaget har varit lägre än laddningskapaciteten under en solig period. Även djupurladdning förhindras, genom att lasten kopplas bort när batteriets spänning sjunker under en viss nivå, till exempel 11,5 V. 68

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

3 Elenergi från solen

Figur 3.11 Det enklaste solcellsystemet.

DC-last

Om bortkopplingen sker i ett spännande skede i en film, som man ser på sin batteridrivna TV, är det nära till hands att koppla bort regulatorn. Spänningen räcker ändå till för att TV:n ska fungera tills filmen är slut. Men då riskerar man batteriet. Många batterier har förstörts på detta sätt. Det är viktigt att man har förståelse för regulatorns betydelse om man använder ett solcellssystem. Med regulatorn (ofta kallad batterivakt eller elcentral) har man ett system som kan användas i många sammanhang. Man kan ha en försörjning för belysning, TV och kylbox i sin segelbåt, husvagn eller sommarstuga. Solpanelerna och batteriet måste förstås dimensioneras så att kapaciteten svarar mot lasternas behov.

Batterierna är de kanske mest kritiska delarna i systemet. Oftast används bly/syrabatterier. Det finns andra typer som är bättre, som nickel/kadmium­ batterier (som bör undvikas av miljöskäl), nickel/metallhydridbatterier och litiumjonbatterier. Priserna på alternativen är höga, så vi får nog räkna med att använda bly/syrabatterier.

DC-last

a)a) Batterier

b) b)

Regulator

DC-last

Figur 3.12 Förbättrade solcellsystem.

Batterier

© F ö r fa t t a r e n oc h S t ud e n t li t t e r a t u r

69

Göran Sidén, universitetslektor i elkraftteknik, har ansvarat för att utveckla en ingenjörsutbildning inriktad på förnybar energi vid Högskolan i Halmstad. Redan 1995 startade han den första kursen i vindkraftteknik och den har sedan följts av kurser som Solenergi och Förnybar Energi – nätkurs.

FÖRNYBAR ENERGI Förnybar energi är ett område i snabb utveckling, inom EU finns målet 27 % förnybar energi år 2030, vilket innebär en fördubbling från 2012. I världen har den årliga ökningen varit mer än 20 % åren 2004–2014 för solceller och vindkraft. Utvecklingen är driven av klimatfrågan, där övergång till förnybar energi ger en minskning av klimatgaserna. Den starka efterfrågan har gett en kraftig industriell och ekonomisk tillväxt. Globalt räknar man med att 6,5 miljoner arbetstillfällen hade skapats fram till 2014, de flesta inom solenergi, bioenergi och vindkraft. Förnybar energi är även långsiktigt hållbar och kan öka tryggheten samt begränsa kostnadsökningarna, när tillgången av ändliga fossila energikällor minskar.

Förnybar energi ger en bred översikt över den teknik som finns för olika förnybara energikällor och vilka möjligheter det finns att uppfylla samhällets mål. Bokens inledande kapitel ger ett historiskt perspektiv på förnybar energi, därefter behandlas följande energislag: • • • • •

Vindkraft Vattenkraft Solvärme Solel Bioenergi

• • • • •

Biodrivmedel Geotermisk energi Vågkraft Tidvattenenergi Vätgas

Boken är avsedd för högskolestudier i energi- och miljöteknik.

Den riktar sig även till professionella aktörer inom energi- och samhällssektorn, fördjupningsarbeten på gymnasiet samt den intresserade allmänheten.

Andra upplagan

www.studentlitteratur.se

Art.nr 33000