Kapitel 3 Solceller og samfund

Transkript

1 Kapitel 3 Solceller og samfund Solceller-kapitel 03.w pd Figur 1 viser et mindre, privat anlæg, hvor denne t y pe vur der ing k an anven des. A: Sam lede solcelleareal: ( 7,6 m 2 ) B: Solcellem od ul fakto r ( 0,085) C: Hæ ldnin gsv in kel faktor ( 1,26) D: O rien ter in gsv in kel faktor ( 1,0) E: Vekselretter fakto r ( 0,80) Indsættelse af ovenstående værdier for anlægget i Køge giver resulatet: Indledning I det følgende vil vi se på, hvilket bidrag solceller k an give til el-forsynin gen set m ed samfundets øjne og ud fra en privat persons synspunkt. Små, private anlæg Selve solcellern e er i og for sig en moden teknologi forstået på den måde, at der ikke er store, ny e teknologisk e fremsprin g i sigte. Man kan mak simalt om danne omkring 20 % af indstrålingsenergi til elektrisk energi. Solceller leverer jævnstrøm, som vi har set, og denne skal vekselrettes, hvor ved der bliver et tab. Man kan sammenfatte den årlige el- produktion i følgende praktiske formel: Simpel tilbagebetalingstid Lad os sige, at du skal betale 1000 kroner for et månedskort til f.eks. bussen, hvor du normalt skal af med 50 kroner om dagen t il bustransport. Hvor mange dage skal du køre med bussen, før din investering opvejes af dine besparelser? Man k an hurtigt regne ud, at du skal køre busturen mindst 20 gange, før din investering er tjen t hjem. Det er samm e problem stilling, man står over for, når m an foretage en investering i f.eks. et solcelleanlæg. M an skal af med et bety deligt beløb i starten, og man forventer at spare pen ge fremover i et el ler andet tidsrum. I ek s- emplet med buskortet, kunne man køre 30 dage m ed bussen i stedet fo r 20 og ligefr em få et pænt overskud af investeringen. Der er naturligvis mange faktorer, som man kunne tage med i en sådan beregning af økonomien i et energianlæ g: Figur 1: Dette mindre, private solcelleanlæg i Køge kan yde et tilskud til el-forsyningen, men anlægsprisen er desværre endnu for høj. 1) Forrentning af pengene, der skal bruges til inv esteringen. 2) Forventede energiprisstigninger. 3) Risiko for driftsstop eller skade på dit anlæg, så levetiden afkortes. 4) Eventuelle skattefordele. 5) Samfundsmæssige fordel: arbejdspladser, renere luft, mindre olie/kul-import. Ener gi og solce ller Kapitel 3 - Samfund

2 Disse faktorer er usikre og kan være svære at sætte tal på. For at få et overblik over vores investering, kan man i første omgang vælge at se bort fra disse ting. Man kan regne med, at udgifterne til forrentning bliver nogenlunde opvejet af energipri sstigninger. Vi går også ud fra, at anlægget holder, hvad det lover m ed hensyn til levetiden. Hvis man kan acceptere denne forenk ling af problem et, k an m an beregne den simple tilbagebetalingstid T for anlægget. M an antager simpelthen, at det man lægger ud, skal være lige m ed beløbet, som man i alt kan spare i løbet af det antal år T, anlægget lever. Sam let pris = T gange besparelser det første år Altså: Er der omk ostninger under driften, f.eks. et vist el-forbr ug til elek tronik eller lignende, skal disse fratrækk es anlæggets y delse, så man ku n får de fak tiske besparelser med. Ligeledes skal prisen afspejle, hvad man faktisk skal af med, når eventuelle skattefordele eller andre rabat ter medr egnes. Eksempel 1: Med en k ilowatt-tim e pris på ca. 2 kroner giver anlægget i Køge (figur 2) en årlig besparelse på ca.1300 kro ner. M ed en anlæ gsudgi ft på kr., bliver den simple tilbagebetalingstid over 30 år. Denne tilbagebetalingstid er lovlig stor, idet man hellere vil have sin penge igen på den halve tid eller hurtigere år vil gøre investeringen m ere attrak tiv. Der er således ikk e en stor gevinst med denne investering. Men der kan være andre grunde til, at m an alligevel gerne vil investere i et anlæg. Andre motivationsfaktorer ku nne vær e: 1) Et øn ske om at støtte ikke-forurenende energiproduktion, og 2) at være m ed til at fremm e udvikling af en ny energi form. 3) Signalværdi. Inv estoren vil vise, at man tager drivhuseffekten alvorligt og vil gøre noget for at m indske den. Der kan således væ re en PR-gevist eller rek - lameværdi for en virksomhed, der gerne vil markere sig som bekymret for miljø. Denne holdning er heldigvis med til at fremm e udvik lingen af solcelleenergi, så tek nologien med tiden kan blive billigere og tilgængelig for flere. O pgav e 1: Kan du næ vne andre gode grunde til, at m an investerer i et solcelleanlæ g? Hvor megen væ gt vil du læ gge p å renere l uft, flere arbejdspladser og mindsket energiimport? Både for private og firmaer vil der gæ lde, at etableringsomkostninger indtil videre er for høje i forhold til værdien af produktionen. Solcelleanlægget er dimensioneret til at virke i 20 år, m en der er m ange eksempler på, at solcelleanlæ g kan holde bety delig længere. Energiprisen for solcelleenergi Lad os gå ud fra, at man for et færdiginstalleret anlæ g skal betale ca k roner per kvadratmeter. I Dan mar k bør et optimer et anlæ g kunne y de ca. 120 k W h årligt per kvadr atmeter. Kilow att-time prisen kan beregnes ved hjælp af formlen: Med din lommeregner kan du hurtigt kontrollere, at prisen per kwh bliver over 3 kroner, hvis man regner med en levetid på 20 år. H vad sker der med k Wh prisen, hvis man regner med en levetid på 30 år for anlægget? Til sammen ligning kan vindm øller, efter Ener gi og solce ller Kapitel 3 - Samfund

3 man ge år m ed konstan te forbedrin ger i teknologien, producere elektricitet til kun ca. 30 øre per k ilowatt-tim e. Vi er altså i en ty pisk hønen og æ gget situation. For at sænke prisen skal der opbygges et stabilt og ekspanderende marked, og det k ommer først, når pr isen bliver lavere. Der er dog sk et det, at store energiselskaber som BP og Shell er gået ind i produktion af solcellepaneler. Dette skyldes formentlig virksom hedernes tro på, at der med tiden bliver et enormt mark ed for solcellestrøm. Hvis udviklingslande som Kina med 1,3 milliarder mennesker skal have en rimelig levestandard, er det netop afgørende vigtigt, at der bliver en el-produktion der er miljøneutral, dvs. med et ringe materialeforbrug, og hvor dr iften ikk e belaster omgivelserne. I Danmar k k unne det være en udbredelse af solceller i nybyggeri, hvor solceller kunne være tagbelægningen, solafskærm ning og andre bygningsintegrerede elementer. På denne måde ku nne klimaskærm en, som man kalder bygningens ydre overflade, samtidig være el-producerende, og udgifterne kunne deles mellem produk tion senheden og den nødvendige afsk ærm ning, der så spar es. Solcellers betydning for el-nettet Det første man må gøre sig klart, når man taler om el-produktion, er 1) at den elektrisk energi skal tilføres nettet i sam m e om fang som det bliv er forbru gt, og 2) at elforbruget v arierer m eget o ver dø gnets tim er. Dette bety der, at vær dien af en kilowatt-tim e er meget afhængig af behovet for elektricitet. Danmar k er med i en nordisk el-børs, der sælger og køber elektrisk energi døgnet rund. Mens prisen kan væ re høj på tidspunkter med stort forbrug og underskud af el- produktionskapacitet, kan den tilsvarende være meget lav når der er stor pro duktion fra f. ek s. vi ndmøller og forbru get er l ille. En situation kaldet el- overløb kan opstå. Figur 2: Etablering af et 50 MWp solcelleanlæg harmonerer godt med elforbrugsmønstret i forsyningsområdet på en junidag. Når m an betragter el-forbruget over et sommerdøgn i København (figur 2), ser man, at forbruget er lavt m idt om natten, og at det topper om kr ing middagstid. For bruget er således i fin overensstemm else med ydelsen fra et solcelleanlæg. Figuren viser situationen, hvis man etablerede et stort solcelleanlæg på 50 Mw p. Det vil sige, at den mak simale (eng: peak ) ydelse fra solcelleanlægget er på 50 megawatt. Opgave 2: Hvor mange kvadratmeter tagflader i København skal dæk kes m ed solceller for at opnå en produktionskapacitet på 50 M Wp? Man kan gå ud fra, at hvert kvadratmeter maksimalt yder ca. 120 watt. ( VINK: Bem æ rk, at v i her taler om den øjeblikkelige yd else i w att (effekt) på et givet tidspunkt og ikke den samlede årlige ydelse med en heden energi. ) Figur 3, der stamm er fra Energistyrelsens Solen ergi Handlingsplan , viser størrelsen af solenergiressourcen, som det gælder om at udny tte. Figuren viser med al ønskelig ty delighed, at der ikke behøver at være mangel på energi på jorden. Det uheldige er, at vi for tiden pr oducer er ener gien ved at br uge af det lager af k ul og olie der er dannet på jorden i de forgangne ca. 500 Ener gi og solce ller Kapitel 3 - Samfund

4 millioner år. H vis det bliver afbrændt over 100 år, bliver der en k olossal frigivelse af CO 2, som blev bundet fra atmosfæren da lagrene oprindelig blev dannet. Figur 3: Jordens samlede energireserver vises sammen med den samlede mængde solenergi, som jorden modtager årligt. Det er det eksperiment, som vi er midt i, og som k an få meget dramatiske konsekvenser for k ommen de generation. Y derm ere viser iskerneboringer, der giver et billede af de sidste par hundrede tusinde års vejr, at vi i denne tid ikke har haft så højt et CO 2 indhold som nu. Her kan solceller måske være en vej til at forsyne befolkningerne i de fattige - og tit også solrige - lande med el-energi uden at påvirke atmosfæren væsentligt. Hvis man betragter ligningen for årsproduktion i starten af dette kapitel, er den sidste faktor 0,8 udtry k for et tab på ca. 20% ved omdannelsen af jævnstrømmen til 230 V vekselstrøm. M ange moderne apparater, som for ek sempel com puter en, bruger jævnstrøm, så man ku nne hæve effektiviteten af solceller ved en decentral produktion af jævnstrøm, der bliver forbrugt tæt på solcelleanlægget. Eksempel 1: Vi ønsker en transport af 50 W ved hjælp af en 10 m ledning med en modstand på 1 Ohm Jævnstrøm Ved en jævnstrøm på for ek sempel 12 V giver det en strøm på I = P/U eller ca. 4 A og dermed et varmetab i ledningen på P = I 2 = 16 W eller ca. 25 % tab af effekt i lednin gen. Vekselstrøm Ved vek selstrøm på 230 V bliver der en strøm i ledningen på 50 W/230 V = ca. ¼ A og dermed et varm etab i ledningen på 1/16 W eller ca. 0,1 % tab af effekten i ledningen. Bemæ rk, at vek selstrøm let k an tr ansform eres op og ned i spænding ved hjælp af enkle og billige elektrisk e omform ere. Opgave 3: Hvilke fordele har veksel- i forhold til jævnstrøm, og hvorfor vil det netop være nødvendigt med et forbrug tæt på produktionen? Solcellers anvendelser Selv om solceller endnu er så kostbare, at de ikk e kan erstatte elektricitet fra nettet i områder, hvor nettet er veludby gget, findes der mange gode, praktiske anvendelser for fotovoltaiske celler. Her nogle eksempler: 1) Elforsyningssupplement i afsides om råder 2) Forsyn ing ved parkom etre og skiltnin g 3) Bygn ing sintegrerede solcelleanlæ g 4) Batterierstatnin g for små elektroniske apparater Elforsyningssupplement Figur 4: I afsides områder - f.eks. denne bjergtop på Grønlands Vestkyst - er fotovoltaiske anlæg kokurrencedygtige. Ener gi og solce ller Kapitel 3 - Samfund

5 Figu r 4 viser et fotovoltaisk anlæ g ved et telekommunikationsanlæg i Grønland. Elforsy nin gen ved sådan ne anlæg er ofte baseret på dieselgeneratorer, og dieselolie skal fly ves dertil med helikopter. Literprisen for brændstoffet og derm ed prisen per k ilowatt-tim e er dermed meget høj. Opgave 5: Dieselbræ ndstof koster 50 k roner literen, når det skal luftfragtes til anlæ gget i figu r 4. H ver liter kan omsættes til ca. 3 kwh elektrisk energi. H vad er kwh-timer prisen for generatordrev et el ek trisk energi? D en fo tovoltaisk e energi k oster ca. 5 kroner per kilow att-tim e. Kan solcellern e betaler sig i dette tilfæ lde? Solceller i bybilledet Udgravning og installation af elektriske kabler til parkometre, ure, skilte, telefoner og andre apparater i byer kan være kostbart. Derfor ser man solceller anvendt som energikilde ved sådanne offentlige anlæg. solceller til dette formål? H vad med i Spanien? (VINK: Se figur 6, kapitel 2.) Da solindstrålingen under dansk e forhold er meget ulige fordelt året igennem, vil et anlæg som park ometret i figur 15 (fra Spanien) næppe kunne fungere uden følgende tiltag: 1) Der skal installeres lagerbatterier, således at parkom etret v il kunne fungere pålideligt i flere uger om vinteren uden væsentligt solindfald. 2) Sol cel le m odule t skal o v er dim en sio n er es, således at batterierne kan blive godt opladet i solrige perioder, sam tidig m ed at solce lle rn e forsy n er parko m etre ts drift. Bygningsintegrerede solcelleanlæg Figur 6: Firmaet Topsils nye domicil på Amager anvender solceller, således at de tjener et formål ud over at levere energi. Figur 5: Solceller ses efterhånden hyppigt i bybilledet. Brugen af solceller kan gøre installationen af parkometre, telefoner og andre faciliteter meget billigere. Opgave 6: Et parkometer anvender konstant ca. 3 watt 24 timer hver dag. Hvor mange kilowatttim er bruger anlæ gget på et år? Et solcelleanlæg på 0,25 kvadratm eter kan y de i alt ca. 30 kwh om året under danske forhold. Vil man ku nne nøjes m ed 0,25 k vadratmeter Som fremsynet støtte til alternative energikilder har Energistyrelsen i Danmark støttet udviklingen o g bi lliggørelsen af foto voltaisk e anlæ g til by gninger. Figur 6 viser et eksem pel herpå. For at opnå rentabilitet kan man i byggeri lade solcellem odu ler tjene fl ere formål. I eksemplet fra Topsils domicil har man ladet solcellerne også tjene som persienner. Som det fremgår af billedet, giver denne løsning et Ener gi og solce ller Kapitel 3 - Samfund

6 attraktivt indemiljø. Desuden kan man i Danmar k r egne m ed, at hvert kvadratmeter bidrager med en besparelse på cirka 120 kilowatt-timer. Opgave 7: Et bygningsintegreret anlæg består af 10 kvadratm eter solceller. R egn med en y delse på 120 k W h/m 2 og en kwh pris på 2 kroner. Desu den opn ås en kontan t én gan gsbespar else på kroner, idet man ik ke skal indkøbe anden bely sningsregulerin g. Regn m ed en anlæ gslevetid p å 20 år og k onstan t elpris. Hvor mange penge giver dette anlæg by g- herren over de 20 år? Mener du, at man vil kunne forsvare en investering på kroner i dette anlæ g? Ved enkeltstående anlæg i øde områder (som eksemplet fra Grønland), er der behov for såvel batterilagring som reserveforsyning. Anlæg i danske by gninger, der også let kan modtage elektricitet fra forsyningsnettet, kobles norm alt til nettet, hvortil de nem t kan levere oversk ydende elektricitet. H erm ed spares investeringen i såvel batterilager som alternative elforsyning. Figur 8: Faktiske målinger på Silkeborganlæggets ydelse over en to-årige periode. leveret ca kw h på 5 år. Figur 8 viser driftsdata for dette anlæ g de to første år. Solceller og fremtiden Som vi har set i det foregående, kan der være en spændende fremtid for solceller: den eneste vedvarende energikilde, der kan bruges direkte integreret i bebyggelse og som producerer el-energi. Lande under kraftig økonomisk væ kst som Indien og Kina, hvor en tredjedel af jordens befolkning lever, skal finde alternativer til traditionel el-forsyning. Alene infrastrukturen til et el-net er en kolossal økonom isk belastning. I udvik lede lande som h er ville det vær e bety dningsfuldt med støtte til etablering af et stabilt og vok sende marked for solceller, så producenterne er villige til at investere i fabrikationsanlæg. I Danmark har vi en fabrik der fremstiller monokrystallinsk silicium til blandt andet solceller. Den hedder Topsil og ligger i Frederikssund. Se internet-adressen: ww w.t opsil.com Figur 7: Dette solcelleanlæg på 10 kvadratmeter i Silkeborg har ydet 6000 kwh på 5 år. Figu r 17 viser et mindre solcelleanlæg, der har været i drift siden år En kilow atttime tæller viser, at de 10 kvadratm eter har I en ikk e for fjern fremtid kan vi måske købe i byggemarket et integreret AC modul, hvor vek selr etter o g sol cellen er b y gget sam men så man bare kan sætte modulet op og tilslutte det el-forsyningen i huset via en stikk ontakt. Ener gi og solce ller Kapitel 3 - Samfund

7 Man kunne tænke sig, at arkitekter og ingeniører bliver meget mere fokuseret på by g- ningsintegrerede solceller ved nyby ggeri, som for eksempel Københavns Energis nye kontorhus på Amager. Netop i kontorhuse vil der være et stort forbrug af el til computere, belysning og andre form ål, der ku nne forsy nes direkte fra et jævnstrøms net, så man undgik tabet ved at vekselrette til 230 V vekselstrøm. installeret i Danmark. Søg disse informationer på internettet f.eks. på Energisty relsens hjemmeside: Solceller i luften Mange mener, at der ligger et stort potentiale i ubem andende luftfartøjer, der ved hjælp af solceller på vingerne, batterier og el-motorer kan holde sig fly vende i store højder næsten ubegr ænsede perioder. Figur 9 viser et eksempel på et sådant fartøj. Endelig er der anvendelser til elektriske installatoner, hvor det er besværligt at trække el-lednin ger i bymæ ssige beby ggelser, ved vejstækninger eller øde områder. Projekter og øvelser Besøg et solcelleanlæg Aflæg besøg hos ejeren af et solcelleanlæg. Få oply st installationspris, besparelser på andre bygningsdele og eventuelle produktiondata for solcelleanlægget. Lav på dette grundlag en økonom ivurdering af anlægget. Solceller i bybilledet Undersøg, hvorvidt den tekniske forvaltning i din kommune anvender solcelleanlæg til belysning, skiltning eller andre formål. U ndersø g pr iser og økonom i for disse installationer. H vis der lokalt ikk e anvendes solcelleenergi, lav et projektforslag, der viser, hvor man med fordel vil kunne bruge den. Støjmure og solceller Flere steder i Danmark langs motorveje og langs traffikerede hovedveje anvender man støjm ur e for at b esk y tte bo ligområder fra støj. Der findes allerede lokaliteter, hvor m an ben y tter so lcelleanlæ g på disse støjmur e, så man opnå et dobbelt formål med støjmuren. U ndersø g, h vor disse er placer et i lan det. Er der flere lokaliteter, hvor det vil være oplagt at gøre brug af denne mulighed? Figur 9: NASA laver forsøg m ed solcelle forsynede luftfartøjer som vist på dette billede nær Edw ards i Californien, USA. U ndersøg projektet nærmer e: ww.nasa.gov/cent ers/dry den/new s/ FactSheets/FS-034-DFRC.html Hvor megen energi er påkrævet for at hæve en fly vemaskine på 200 kg fra havoverfladen til en højde på 3 k m over havet? H vis solcellearealet er på 10 kvadratmeter, vurdér, hvor hurtigt et sådant fly vil k unne stige. Man k an i hobbyforretninger finde samlesæt, hvor solceller anven des som drivkraft for små flymodeller. Byg og undersøg et sådant modelfly m ed særlig henblik på energiopsamling, lagring og forbrug. Solcelleenergi i Danmark Fremskaf en opgørelse over, hvor m ange kvadratmeter solceller, der allerede er blevet Ener gi og solce ller Kapitel 3 - Samfund