Reduktion af landbrugets klimapåvirkninger

Transkript

1 Reduktion af landbrugets klimapåvirkninger CO 2 -reducerende tiltag på landbrugsbyggeri Forundersøgelse af solenergiens rolle i fremtidens landbrugsbyggeri Af Henrik Frederiksen, Plan & Miljø oktober

2 Indhold Indledning 3 Formål og indhold af undersøgelsen 3 Solenergi 4 Solceller 5 Solcelletyper 5 Solcellemoduler 7 Ikke nettilsluttede anlæg 7 Nettilsluttede anlæg 7 Solcelleanlægs orientering 9 Solcelleanlægs ydeevne 10 CO2 10 Fordele ved solcelleanlæg 11 Økonomi i solcelleanlæg 11 Støtte til el fra solceller private 12 Støtte til el fra solceller erhverv 12 Solceller i landbruget 13 Solenergi i Tyskland 13 Konklusion 14 Anvendte kilder 15 2

3 Indledning Landbrugets energiforbrug er et område der kræver fokus, og landmændenes samlede energiregnskab vil få øget betydning i fremtiden. Både for den enkelte landmand og i den samfundsmæssige debat. For landmanden betyder anvendelsen af ny teknologi til f.eks. begrænsning af ammoniakfordampning, reducering af lugtgener eller køling af gylle, et øget energiforbrug. Et energiforbrug der forøger omkostningerne for landmanden og som bidrager til et nationalt forøget CO 2 forbrug. Moderne produktionsenheder er så store, at tagene i sig selv udgør hundredtusindvis af frie kvadratmeter, der har potentiale til at blive benyttet til solenergi. De teknologiske fremskridt indenfor solceller er under hastig udvikling og der ses stadig flere produkter, der også for landbruget kunne være interessante. Dette projekt vil fokusere på de arkitektoniske, økonomiske og produktionsmæssige aspekter samt reduktionen i klimapåvirkningerne (CO 2 ) for den enkelte landmand. Formål og indhold af undersøgelsen Formålet med projektet er at klarlægge potentialet, for at landmanden kan producere noget af sin egen el fra solceller placeret på tage af landbrugets produktionsbygninger. Projektet vil indeholde: Teoretisk gennemgang af solenergi og solceller Indsamling og formidling af viden i forbindelse med de kriterier, der vil gælde for produktionsbygningers placering og udformning i forhold til at opnå en optimal placering af solceller Kortlægning af fordele og ulemper ved brug at solceller i landbrugsbyggeri herunder økonomi og klimapåvirkninger Solcellemoduler på hustag 3

4 Solenergi Solenergi er den reneste og naturligste energiform, vi har, og i modsætning til fossile brændstoffer (olie/kul/naturgas), findes den overalt på jorden. I Danmark er den globale solindstråling ca kwh/m² pr. år målt på vandret plan og ca kwh/m² på flader med optimal orientering. Ligesom andre vedvarende energikilder er det at bruge solenergi dyrt i anlægsomkostninger, men billigt i drift, hvis man sammenligner med fossile brændstoffer. Ved jordoverfladen om dagen uden skyer mellem solen og målepunktet vil soleffekten, efter at være blevet filtreret af atmosfæren, være ca W/m² målt vinkelret i forhold til solen. Da soleffekten afhænger af vejen gennem atmosfæren, er effekten naturligvis lavere ved højere (nordlige) breddegrader. Ved ækvator kommer solens stråler direkte ind på jorden, hvorved der er et minimalt tab. Jo større afstand til ækvator (nord eller syd) man er, jo mindre solenergi rammer jorden pr. m². Solstrålerne rammer ikke jordens overflade vinkelret, men mere skråt. Et andet eksempel er solbadning. Her bruner solen også mest ved middagstid når man ligger ned, hvor solen står lige over hovedet på os. Morgen og aften står solen lavt og skal dermed gennem mere luft, inden den når ned på jordoverfladen. For at udnytte solens energi skal denne først omformes til anden energi, eksempelvis elektrisk strøm via solceller. Hvis solceller med en virkningsgrad på 8 % dækkede de sorte små cirkelskiver på jorden, kunne hele jorden energibehov dækkes. Dog kræver det, at man kan gemme energien til om natten - eller sende energien til den side af jorden der er i skygge. 4

5 Solceller En solcelle er en halvleder, som omsætter lys direkte til elektricitet ved hjælp af den såkaldte fotoelektriske effekt. Solceller producerer el helt uden bevægelige dele, og er derfor en meget robust og driftsikker teknologi. Bl.a. derfor har solceller længe været brugt i rumfarten, og senere til specielle anvendelser på jorden, hvor den høje pris var underordnet. Fremstillingsomkostningerne er imidlertid faldet drastisk, og da effektiviteten samtidig er øget, er solceller i dag relevante i mange sammenhænge til elforsyning i stor eller lille skala. Solcelletyper De solceller, som findes på markedet i dag, er næsten alle baseret på silicium i mono- eller polykrystallinske eller amorf (ikke-krystallinsk) tilstand. Solceller baseret på andre materialer forekommer også på markedet, f.eks. tyndfilmsceller. Monokrystallinske solceller er som standard sorte eller grå med en ensartet overflade, og de er født cirkulære. Ønsker man en særlig tæt pakning i det færdige modul, kan de udskæres i kvadrater. Monokrystallinske celler har den bedste virkningsgrad - typisk %. Polykrystallinske siliciumceller findes ofte i blålige nuancer og i kvadratisk form. De enkelte krystaller tilbagekaster lyset forskelligt efter deres orientering, hvilket giver en levende overflade. Virkningsgraden er lidt dårligere end for monokrystallinske typisk %. De nyeste og bedste (og dyreste) typer solceller kan i dag omdanne op til 40 % af sollyset til el, men anvendes pt. ikke til kommercielt brug pga. prisen. Monokrystalinske solceller Polykrystalinske solceller 5

6 Ovenstående solcellepaneler måler ca. 1,5 x 0,7 meter og har en ydelse på ca. 120 W p. Tyndfilmssolceller, også kaldet 2. generations solcelleteknologi, er baseret på tyndfilm af fx amorft silicium. Denne type har været begrænset i produktion gennem adskillige år, men den seneste udvikling har gjort det billigere at producere og de er nu et attraktivt produkt. Virkningsgraden er i den lave ende typisk 8-12 %. Tyndfilmssolceller er meget fleksible og anvendelsesmulighederne mangfoldige. Cellerne et lette at integrer i forskellige bygningskomponenter. Tyndfilmssolcelle på rulle Montage af tyndfilmssolceller på bliktag Solcellemodulernes ydeevne der i øvrigt er proportional med lysintensiteten opgives ved en normeret lysmængde og temperatur, og udtrykkes i Watt-peak (W p ), som angiver modulets maksimale ydeevne. Under danske forhold kan der teoretisk forventes en el-produktion fra et typisk solcelleanlæg på omkring 1 kwh om året per KW p installeret. Et anlæg på 1 kw p (1000 W p ) vil således teoretisk kunne yde op til 1000 kwh om året. I praksis opnås dog sjældent mere end kwh/år/kw p installeret. Sollyset har sin maksimale relative intensitet i området 450 til 500 nanometer - i det blå lys' område. Det er derfor vigtigt, at solcellen fremstilles sådan, at dens maksimale følsomhed ligger tæt på det. Når man betragter en solcelle, er den ofte blålig. Det er fordi det blå lys bliver delvis reflekteret fra cellen. En typisk silicium solcelle har sin største relative følsomhed i området 700 til 900 nanometer - altså i det infrarøde område. Dette manglende sammenfald er en af årsagerne til, at solceller ikke har nogen særlig høj virkningsgrad, og det er et af de områder, der udvikles på. 6

7 Sollyset har maksimal intensitet omkring 500 nm Solcellemoduler En enkelt solcelle giver som regel kun 0,5 volt og nogle få ma, men ved at samle flere celler i moduler, dannes en større og mere brugbar spænding på typisk volt, hvilket er passende til opladning af 12 volt batterisystemer. Standardmoduler leveres ofte i størrelser på omkring 1 m² og med en ydelse på 100 W p. Ikke nettilsluttede anlæg Den mest almindelige brug af solceller har hidtil været elforsyning uden for det offentlige elnet, hvor alternativ forsyning enten er for dyr eller for besværlig. Strømmen fra solcellemodulerne kan bruges direkte til drift af ventilatorer, belysning, pumper osv. eller strømmen kan lagres på store batterier og bruges når der er brug for den. Typisk omformes strømmen til 230 volt vekselstrøm som de fleste forbrugsapparater benytter. Denne type anlæg er mest udbredt i kolonihavehuse og campingvogne osv. hvor der ikke er indlagt fast el. Systemet finder ringe eller ingen anvendelse i større anlæg som fx private boliger. Nettilsluttede anlæg Denne anlægstype består af en række solcellemoduler, som via en vekselretter er koblet direkte til det offentlige elnet. Anlæggene kan være centrale eller decentrale, de kan være opbygget på stativ eller være bygningsintegreret og køre med enten høj eller lav spænding. Ved større anlæg kobles modulerne sammen, så de giver en spænding på typisk volt, som vekselrettes og transformeres op til netspændingen i en vekselretter. Foruden vekselretteren kræves en måler til køb og salg af el, samt diverse afbrydere og sikringer. I den daglige drift vil man ikke bemærke hvorfra strømmen kommer og man skal således ikke være nervøs for om det bliver overskyet eller evt. batterier løber tør for strøm. 7

8 Eksempel på en plug-and-play solcelle-inverter. Den har en netledning, som man selv må putte i stikkontakten, hvis man er hollænder, spanier eller englænder. Herhjemme er den imidlertid ikke godkendt som et produkt, forbrugerne selv må rode med. (Foto: Mastervolt) Eksempel på sammenbyggede solcellemoduler 8

9 Solcelleanlægs orientering Et solcelleanlægs ydelse er afhængig af adgangen til energikilden sollyset. Solcellepanelets orientering har indflydelse på dets el-produktion. Et panels orientering beskrives med hældning og verdenshjørneorientering (azimut). Hældningen af panelet måles i forhold til vandret og azimut-vinklen måles i forhold til syd. Når panelet peger mod syd er azimut = 0 og et vandret panel har en hældning på 0. Billede viser et panel med en azimut = 45 (syd-vest) og en hældning på 30 I Danmark er den optimale orientering set ud fra størst mulig el-produktion over året, stik mod syd (azimuth=0 ) og en hældning på ca. 42 i forhold til vandret. Solceller producerer strøm både fra direkte sollys og fra diffust sollys. Under danske forhold vil omkring halvdelen af produktionen komme fra direkte sollys mens den anden halvdel kommer fra diffust lys. Dette medfører temmelig store frihedsgrader mht. orienteringen af solcellepanelet. Groft sagt kan man udnytte verdenshjørneorienteringer fra øst over syd til vest og hældninger fra 25 til 60 uden at miste mere end %, i relation til den optimale placering. Det er således ikke altafgørende at den tagflade man ønsker at udnytte peger stik mod syd eller har den helt rette taghældning for at opnå en god el-produktion. 9

10 Soludbyttet i Danmark i forhold til orienteringen Udbyttet fra solcellerne kan forøges med op til 30 % hvis panelerne automatisk følger solens bane, frem for stationær placering. I praksis gør man det sjældent, fordi anlægget bliver mere kompliceret, mere pladskrævende og kræver mere vedligehold. Det kan heller ikke så nemt placeres/indpasses på en bygning. Solcelleanlægs ydeevne Et typisk solcellemodul har en konverteringseffektivitet (virkningsgrad) på ca. 14 %. Sammensættes mange moduler i et panel opnås pga. tab og mistilpasning i praksis sjældent en panelvirkningsgrad væsentlig over %. Med baggrund i den globale solindstråling i Danmark på ca kwh/m² pr. år (afhængig af hældning) kan hver m² solcellepanel (typisk Silicium mono-krystallinsk) således i gennemsnit yde omkring kwh/år. Denne energi omsættes i en vekselretter til netspænding, og den resulterende netto energi (på el-nettet) udgør typisk kwh/m²/år, noget afhængig af anlægskonfiguration. Et typisk solcelleanlæg på 50 m² vil således have en nominel ydeevne på knap 6 kw p og vil optimalt placeret kunne yde omkring kwh/år ind på el-nettet hvilket svarer til en mindre families årsforbrug. CO 2 Kuldioxid (kemisk betegnelse CO 2 ) kommer fra afbrænding af materiale der indeholder kulstof som fossile brændstoffer og andet organisk materiale. Kuldioxid dannes også ved mikroorganismers fermentation og bliver som oxidationsprodukt udåndet af dyr og mennesker. Et menneske udånder ca. 450 L kuldioxid svarende til 900 gram pr. dag. Planter absorberer kuldioxid ved fotosyntese, og planterne anvender både kuldioxid og vand til at danne kulhydrater. Kuldioxid er til stede i Jordens atmosfære i en koncentration på ca. 0,038 % (380 ppm) i den tørrede luft. Luftens indhold varierer med årstiden, overlejret er der en tydeligt stigende trend. Luftarten virker som en drivhusgas. 10

11 Ved fremstilling af elektricitet afbrændes typisk fossile brændstoffer og andet organisk materiale som indeholder kulstof og derved produceres enorme mængder CO 2. Mængden af CO 2 er afhængig af hvilken energitype (olie, gas eller a-kraft) der benyttes på kraftværkerne. I Danmark regnes der i snit, at dannes 547 g CO 2 til at producere én KWh. Omvendt betyder det også, at der sparres 547 g CO 2 for hver kilo-watt-time der sparres eller produceres vha. alternative energiformer som fx sol- eller vindenergi. Fordele ved solcelleanlæg Solcelleanlæg har generelt en lang levetid, år eller mere, og vil i denne tid uden emissioner af nogen art og med meget ringe krav til vedligehold producere energi i form af elektricitet, når lysforholdene betinger dette. Denne elektricitet substituerer el fra kraftværkerne og bidrager således til reduktion af CO 2 udslip. Solceller er således den eneste vedvarende energiteknologi, som producerer høj kvalitetsenergi og som lader sig indpasse i et bygnings- eller bymiljø uden store gener. Solcellemoduler lader sig integrere i tagflader og facader på bygninger og strukturer, og kan med passende arkitektonisk indsats anvendes direkte som et stilfuldt byggeelement. Erfaringer fra både ind- og udland, specielt Schweiz, viser at virksomheder er overordentlig tilfredse med at have installeret solcelleanlæg, idet solpanelet er meget synligt og derved signalerer et højt teknologisk og miljøbevidst image. Dette har dog indtil videre kun fundet begrænset genklang i Danmark. Ved nybyggeri og i et vist omfang ved renovering af eksisterende byggeri kan solcellemoduler erstatte traditionelle byggematerialer, fx tagplader, hvorved der opnås en forbedret økonomi for anlægget. Solceller integreret i tagbeklædningen Tagflade komplet beklædt med solceller. Erfaringer både fra udland og Danmark viste, at et solcelleanlæg gør elektricitet meget synlig og nærværende for de mennesker, der arbejder i virksomheden og de som ser anlægget hver dag. Resultatet er ofte en sidegevinst i form af energibesparelse gennem ændret adfærd en effekt som kan forstærkes gennem supplerende tiltag som synliggørelse af energianlæggets daglige energiproduktion. Økonomi i solcelleanlæg Selv om solcellerne bliver billigere og billigere, er det stadig en meget dyr energiteknologi! Prisudviklingen har over en årrække været faldende man regner med en halvering af prisen pr. syv år. 11

12 Installationsprisen på nettilsluttede anlæg ligger i dag (2009) på ca kr. pr. installeret W p (inkl. moms). Med udgangspunkt heri vil et typisk anlæg til en privat husstand på 6 KW p således koste knap ,-. Energiudbyttet af et sådan anlæg ligger på ca kwh/år. Sættes udgifter til drift, vedligehold, rente, inflation, forsikring osv. for nemheds skyld til 0 kr., kommer hvér KWh, som anlægget producerer i sin levetid (som her sættes til 25 år), til at koste ca. 1,60 kr. Som alm. privatkunde koster én KWh i dag ca. 1,85 kr. (inkl. mons og afgifter) hvilket giver en meget lang tilbagebetalingstid (erfaringsmæssigt år). Det er dog meget sandsynligt, at elprisen vil stige de kommende år samt prisen på solpanelerne vil falde og effektiviteten af panelerne vil stige, hvorfor solenergi måske alligevel ikke er så uinteressant. Støtte til el fra solceller - private I de seneste år har støtten til solceller været dalende og i dag er det derfor ikke længere muligt at opnå tilskud til solceller fra det offentlige. Nettomålingsordningen er dog stadig gældende. Nettomålingsordningen er en lov som gør, at du kan få lov at sende strøm ud på el-nettet og derefter hente det tilbage igen uden at skulle betale de afgifter og moms, som du betaler for resten af dit forbrug. Produktionen fra solcellerne kan således lagres på el-nettet når husstanden ikke selv skal bruge den og hentes tilbage igen når behovet er der ganske som et stort batteri. Støtteordningen (Nettomålingsordningen) gælder for private husstandsinstallerede solcelleanlæg på max. 6 KW p (= ca KWh/år) og så længe der ikke produceres mere energi end der forbruges over et år. Sammenstiller man den teknologiske udvikling af selve solcellerne med den faldende produktionspris samt den stadig stigende elpris, vil det om ganske få år være særdeles interessant at investerer i private solcelleanlæg dog under forudsætning af Nettomålerordningen. Udover den økonomiske besparelse vil man ved fuld udnyttelse af anlægget således også have sparet klimaet for ca kg CO 2 pr. år. Støtte til el fra solceller - erhverv For erhvervslivet ser det dog helt anderledes ud - her ydes ingen støtte overhovedet! For el, der produceres på forbrugsstedet samtidig med at det forbruges, skal der ikke betales energiafgift mv. Ved selv at producere en del af sin egen elektricitet kan man altså spare hele elprisen. Forudsætningen er blot, at elektriciteten skal forbruges i samme sekund som den produceres. Produktion af el fra solceller på erhvervsejendomme, hvor elektriciteten ikke forbruges samtidig med at den produceres, kan afsættes på spotmarkedet. Ved salg på spotmarkedet gives der et pristillæg, som sammen med markedsprisen sikre en afregning på 60 øre/kwh i 10 år og 40 øre/kwh i de følgende 10 år. Med afsæt i nugældende regler og afregningspris, sammenholdt med at erhvervslivet i forvejen indkøber el meget billigt (uden moms og afgifter), er det således ikke økonomien der driver de erhvervsdrivende til at investere i store dyre solcelleanlæg det er mere prestigen ved det. Der kan dog være et lille økonomisk incitament for de virksomheder der har et elforbrug der stemmer overens med solcellernes produktion. Udnyttes solcellernes produktion ikke 100 %, stiger tilbagebetalingstiden og derved svinder det økonomiske incitament. 12

13 Solceller i landbruget Potentiale for landbruget i Danmark er enormt. Der findes i hundredtusindvis kvadratmeter super egnet tagflade på landbrugsbygningerne rundt om i landet. Mange eksisterende tagflader kan umiddelbart monteres med solcellepaneler mens rigtig mange tagflader i forbindelse med forestående ombygning og/eller renovering, med fordel kan udstyres med integrerede solcellepaneler. Men med udgangspunkt i ovenstående er det ikke salg af overskudsstrøm fra solceller der skal motivere landbruget til at investere i store effektive og dyre solcelleanlæg. Tanken om at skal aftage strømmen fra solcellerne i samme sekund som den produceres, dagen lang, året rundt er ikke umiddelbart tiltalende for landbruget. Ventilationsanlæg, malkeanlæg, foderanlæg, lys osv. skal virke præcis når produktionen kræver det og ikke blot når solen skinner. Naturligvis bruges el-nettet som reserve så der altid er tilstrækkelig strøm til rådighed, men hvis ikke den af solcellerne producerede strøm udnyttes 100 %, altså når solen skinner, udnyttes anlægget ikke optimalt og hele grundlaget for besparelse forsvinder. For at udnytte solcelleanlægget 100 % skal der foretages en dimensionering der bl.a. bygger på en nøje analyse af virksomhedens strømforbrug hen over dagen/året. Potentialet for CO 2 -besparelse i landbruget er næsten ufattelig stort. Hvis vi antager at der i Danmark om nogle få år findes mellemstore eller store landbrug der alle installerer blot 250 m²solceller på egnede tagflader, giver dette en samlet ydelse på ca. 180 millioner KWh eller omregnet til ca ton CO 2 pr. år. Solenergi i Tyskland Solceller er for Tyskland, hvad vindmøller er for Danmark. Landets flere end firmaer i solcelleindustrien - heraf 70 solcelle- og modulfabrikker - omsætter årligt for over 40 milliarder kroner. Dermed hører Tyskland til verdens førende solarproducenter, og branchen vokser eksplosivt - ikke mindst takket være Tysklands lov om regenerativ energi (EEG), der støtter driften af solaranlæg massivt. Dertil kommer en støt stigende international efterspørgsel. Tyskland har i mange år været med på solcellebølgen, men der kom først for alvor skred i opsætningen af solceller, da den nationale støtteordning for solceller blev indført i år Derefter eksploderede investeringerne i solceller både for private og virksomheder. Støtteordningen betyder, at en investor er garanteret en høj pris for den leverede strøm og investeringen er dermed tjent ind i løbet af 10 år, med nugældende priser på olie. Stiger olieprisen, er investeringen tjent hurtigere ind. Den tyske stat betaler i øjeblikket 0,51 EUR (3,86 DKK) pr. KWh solenergi der sælges til el-nettet. Denne afregningspris er statslig garanteret i 20 år. Den statslige støtte til solel aftrappes med 5 % år for år, men hver gang med 20 års garanti. 13

14 Tagflade i Tyskland med solceller Flere steder i Tyskland er der ligefrem rift om tagfladerne. Mange tagflader, typisk på offentlige bygninger, udlejes til private konsortier der monterer og driver solcelleanlægget, mod betaling af leje af tagfladen til bygningsejeren typisk for en 20 års periode. Også på landet er solcellefesten godt i gang. Rigtig mange landmænd udnytter selv de store tagflader og høster godt med penge ved salg af solel. Landmænd med store og meget egnede tagflader, der ikke selv ønsker at investere i solcelleanlæg, udlejer således også tagfladen til andre private/konsortier der monterer og driver solcelleanlægget. Landmanden får således både lejeindtægt og vedligeholdt sin tagflade i perioden som typisk er 20 år eller mere. Konklusion Der er ingen tvivl om, at solcelleenergi har en lys fremtid i Danmark, men med den nugældende støtteordning er det foreløbigt kun private der kan få økonomisk udbytte af at investere i et solcelleanlæg. Tilbagebetalingstiden for et privat anlæg, støttet af nettomålingsordningen, ligger i dag på ca. 20 år. Den teknologiske udvikling samt stigende energipriser forventes dog at nedbringe tilbagebetalingstiden til under det halve om en kort årrække på måske 4-5 år. Derefter vil det være særdeles interessant, for private, at kigge på solenergi. 14

15 Erhvervsdrivende, herunder også landbruget, kan som det ser ud i øjeblikket, ikke regne med at anlægget kan tjene sig selv hjem i dets levetid. Eneste gevinst er den klimarelaterede i form af reduktion af udledning af CO 2. På trods af forventningen til teknologisk udvikling samt stigende energipriser, forventes det i en lang årrække at være en dårlig forretning at investere i solcelleanlæg. Anvendte kilder Wikipedia, den frie encyklopædi - KeryChip Solenergi & Elektronik - El fra solen Energitjensten SolEnergiCentret Energistyrelsen Conrad Electronic Ingeniøren Uni-Solar, United Solar Ovonic 15