Solenergins framtid

februari 28, 2011
Reportage – Energi

I dagsläget kommer endast runt 0,5 procent av den totala mängd energi som produceras i världen från solkraft, men solenergin är precis som andra förnybara energikällor på uppgång. År 2050 beräknar det internationella energiorganet IEA (International Energy Agency) att solenergin kommer att stå för så mycket som en fjärdedel av jordens energiproduktion. En viktig förutsättning för att detta ska kunna uppnås är emellertid att billigare och mer effektiva solceller utvecklas.

Trots stora framsteg är solenergi fortfarande en relativt dyr energiform och för att solenergin på allvar ska kunna konkurrera med fossila bränslen måste man komma över den tröskel där solenergi kan produceras till samma kostnad som energi från fossila bränslen eller lägre.

Förutom att minska produktionskostnaden för själva solcellerna är ett viktigt led i att sänka solenergins kostnader att höja solcellernas verkningsgrad, det vill säga öka den andel av energin i det inkommande solljuset som kan tas till vara och omvandlas till elektricitet.

De olika kiselsolceller tillverkade av kristallint kisel som idag dominerar solcellsmarknaden har en verkningsgrad som åtminstone i laboratoriet börjar närmar sig gränsen för vad som går att åstadkomma med denna teknik. På grund av begränsningar i själva materialet har de nämligen en maximal teoretisk verkningsgrad på runt 30 procent. För att verkningsgraden ska kunna höjas ytterligare måste det med andra ord till nya material och tekniker.

Tunn revolution

Så kallade tunnfilmsceller är en teknik som är på stark frammarsch. Dessa solceller är nämligen tack vare att de inte använder sig av lika mycket material betydligt billigare att tillverka. Solceller av denna typ är dessutom mer böjbara och väger mindre än de kiselplattor som traditionellt sett används i solceller. Faktum är att den idag ledande tillverkaren av tunnfilmsceller, det amerikanska företaget First Solar, under 2009 gick om övriga solcellstillverkare och blev världens största leverantör av solceller i alla kategorier.

Dagens tunnfilmsceller, vare sig de använder sig av amorft kisel eller andra alternativa material som kadmiumtellurid, kan emellertid inte ge högre verkningsgrad än konventionella kiselceller, snarare tvärtom.

Rekordcell

När det gäller att höja själva solcellernas verkningsgrad finns det flera olika sätt att uppnå detta mål. Det går till exempel att ändra cellernas ytstruktur så att ljuset studsar runt inuti cellen och träffar ytan fler än en gång, vilket ger cellen en chans att absorbera mer ljus.

Den teknik som hittills klarat av att leverera högst verkningsgrad består av en kombination av flera lager tunnfilmsceller av olika halvledarmaterial, som galliumarsenid, germanium och indium gallium sulfid. De olika materialen fångar upp solljuset som effektivast vid olika våglängder och genom att välja rätt kombination av material kan därför mer eller mindre hela solens spektrum fångas upp och användas för att generera elektricitet.

Ursprungligen togs denna typ av solceller fram för att användas ombord på satelliter och rymdsonder, som NASA:s Mars Exploration Rover, men de är även ett lovande alternativ när det gäller energiproduktion på jorden eftersom de har potential att kunna leverera mycket energi till relativt låg kostnad.

I oktober 2010 demonstrerade det amerikanska företaget Spire Semiconductor en solcell av denna typ i tre lager med en verkningsgrad på hela 42,3 procent, viket satte ett nytt rekord i verkningsgrad för solceller.

Solceller i nanoformat

Med hjälp av nanoteknik hoppas forskare från Center of Advanced Molecular Photovoltaics vid Stanford University i USA kunna ta solcellstekniken ännu ett stort kliv framåt. De organiska nanoceller deras forskning fokuserar på består av flera mycket tunna lager av organiska polymerer och bygger på att ljusets egenskaper på nanometerskala gör det möjligt för dessa celler att stänga inne ljuset betydligt längre än genom att exempelvis ändra cellernas ytstruktur.

Nanocellerna kan därför absorbera en större andel av energin i det inkommande ljuset, vilket skulle kunna ge dem en verkningsgrad som är upp till tio gånger högre än för tidigare organiska solceller.

Organiska solceller i nanometertjocklek innebär också stora besparingar i materialkostnad tack vare att solceller av organiskt material är betydligt billigare och enklare att tillverka än kiselceller och eftersom mängden material som går åt dessutom är mycket mindre tack vare den lilla skalan.

Solen i fokus

En metod som redan börjat användas för att få ut mer energi ur befintliga solceller är koncentrerad solenergi. Metoden bygger på att solljuset fokuseras med hjälp av speglar eller linser. På så vis kan intensiteten av det ljus som träffar solcellerna förstärkas flera hundra gånger, vilket resulterar i att de genererar mer ström i förhållande till sin yta.

Tekniken kräver att den utrustning som fokuserar ljuset hela tiden följer solens rörelser och att kylsystem installeras för att hålla solcellernas temperatur nere. Den lämpar sig dessutom bäst i soliga länder då det krävs direkt solljus eftersom det diffusa ljuset vid molnigt väder inte kan koncentreras.

Ett företag som tillämpar koncentrerad solenergi är Solar Systems i Australien. Företaget har bland annat byggt tre anläggningar i norra Australien som med sina totalt 30 solfångarantenner producerar 720 kilowatt per år. De planerar dessutom en stor anläggning på 154 megawatt.

Fönster mot framtiden

Ett relativt nytt alternativ på solcellsmarknaden är så kallade Grätzelceller eller Dye sensitized solar cells. Dessa solceller härmar fotosyntesen, men använder sig istället för klorofyll av titandioxid som behandlats med olika färgämnen för att fånga upp och ta tillvara på solljuset.

Förutom att kostnaden för denna typ av solceller är låg ger de också bättre resultat än kiselceller vid molniga och dimmiga förhållanden och kan till och med användas inomhus. De är dessutom genomskinliga och kan lätt integreras i byggnader genom att placeras på fönster och fasader med mera.

Normalt sett har Grätzelceller en ganska låg verkningsgrad, men det svenska företaget NLAB Solar har genom att använda en speciell fotonisk kristall lyckats höja verkningsgraden med 37 procent. NLAB Solar planerar att under 2011 bygga en pilotfabrik i Stockholm för att kommersialisera produkten.

Solenergin tar plats

Även med effektiva solceller är det ofrånkomligt att solenergi tar stora ytor i anspråk, vilket också bidrar till energiformens höga pris. Att integrera solceller i bostäder och kontor är en lösning som har stor potential och över tio procent av all solenergi kan enligt IEA i framtiden komma att produceras på detta vis, men det behövs även andra alternativ.

Ett sätt att få tillgång till stora ytor med goda solförhållanden är att bygga solfarmar i ökenområden. Världens än så länge största solkraftverk är beläget i Mojaveöknen i USA och heter SEGS (Solar Energy Generating Systems). Kraftverket, som har en sammanlagd kapacitet på 354 megawatt kommer emellertid snart att överglänsas av projektet Mojave Solar Park, som när det står klart kommer att täcka 24 kvadratkilometer och ha en kapacitet på 553 megawatt.

Ett annat ambitiöst solfarmsprojekt är Desertec, där bland annat svenska ABB och de tyska företagen Munich Re, Eon, RWE, Deutsche Bank och Siemens medverkar. Projektet kommer huvudsakligen att förlita sig på koncentrerad solenergi från solkraftverk i Saharaöknen och förhoppningen är att det år 2050 ska kunna tillgodose 15 procent av Europas energibehov och större delen av den lokala energiförbrukningen.

En annan teknik, som bland annat testats i Mojaveöknen, är soltorn. De största anläggningarna av detta slag är idag de nybyggda tornen PS10 och PS20 i Spanien, som har en kapacitet på 11 respektive 20 megawatt.

Till de mer högtflygande planerna hör solsatelliter i omloppsbana kring jorden. Förutom att det inte råder någon brist på plats i rymden skulle denna lösning ge solenergi som var tillgänglig 24 timmar om dygnet, sju dagar i veckan. Det återstår emellertid att få ner kostnaderna och att hitta ett lämpligt sätt att överföra energin från satelliterna till marken.

Författare: 

Alarik Haglund

Leave a Reply




Solenergins framtid

februari 28, 2011
Reportage – Energi

I dagsläget kommer endast runt 0,5 procent av den totala mängd energi som produceras i världen från solkraft, men solenergin är precis som andra förnybara energikällor på uppgång. År 2050 beräknar det internationella energiorganet IEA (International Energy Agency) att solenergin kommer att stå för så mycket som en fjärdedel av jordens energiproduktion. En viktig förutsättning för att detta ska kunna uppnås är emellertid att billigare och mer effektiva solceller utvecklas.

Trots stora framsteg är solenergi fortfarande en relativt dyr energiform och för att solenergin på allvar ska kunna konkurrera med fossila bränslen måste man komma över den tröskel där solenergi kan produceras till samma kostnad som energi från fossila bränslen eller lägre.

Förutom att minska produktionskostnaden för själva solcellerna är ett viktigt led i att sänka solenergins kostnader att höja solcellernas verkningsgrad, det vill säga öka den andel av energin i det inkommande solljuset som kan tas till vara och omvandlas till elektricitet.

De olika kiselsolceller tillverkade av kristallint kisel som idag dominerar solcellsmarknaden har en verkningsgrad som åtminstone i laboratoriet börjar närmar sig gränsen för vad som går att åstadkomma med denna teknik. På grund av begränsningar i själva materialet har de nämligen en maximal teoretisk verkningsgrad på runt 30 procent. För att verkningsgraden ska kunna höjas ytterligare måste det med andra ord till nya material och tekniker.

Tunn revolution

Så kallade tunnfilmsceller är en teknik som är på stark frammarsch. Dessa solceller är nämligen tack vare att de inte använder sig av lika mycket material betydligt billigare att tillverka. Solceller av denna typ är dessutom mer böjbara och väger mindre än de kiselplattor som traditionellt sett används i solceller. Faktum är att den idag ledande tillverkaren av tunnfilmsceller, det amerikanska företaget First Solar, under 2009 gick om övriga solcellstillverkare och blev världens största leverantör av solceller i alla kategorier.

Dagens tunnfilmsceller, vare sig de använder sig av amorft kisel eller andra alternativa material som kadmiumtellurid, kan emellertid inte ge högre verkningsgrad än konventionella kiselceller, snarare tvärtom.

Rekordcell

När det gäller att höja själva solcellernas verkningsgrad finns det flera olika sätt att uppnå detta mål. Det går till exempel att ändra cellernas ytstruktur så att ljuset studsar runt inuti cellen och träffar ytan fler än en gång, vilket ger cellen en chans att absorbera mer ljus.

Den teknik som hittills klarat av att leverera högst verkningsgrad består av en kombination av flera lager tunnfilmsceller av olika halvledarmaterial, som galliumarsenid, germanium och indium gallium sulfid. De olika materialen fångar upp solljuset som effektivast vid olika våglängder och genom att välja rätt kombination av material kan därför mer eller mindre hela solens spektrum fångas upp och användas för att generera elektricitet.

Ursprungligen togs denna typ av solceller fram för att användas ombord på satelliter och rymdsonder, som NASA:s Mars Exploration Rover, men de är även ett lovande alternativ när det gäller energiproduktion på jorden eftersom de har potential att kunna leverera mycket energi till relativt låg kostnad.

I oktober 2010 demonstrerade det amerikanska företaget Spire Semiconductor en solcell av denna typ i tre lager med en verkningsgrad på hela 42,3 procent, viket satte ett nytt rekord i verkningsgrad för solceller.

Solceller i nanoformat

Med hjälp av nanoteknik hoppas forskare från Center of Advanced Molecular Photovoltaics vid Stanford University i USA kunna ta solcellstekniken ännu ett stort kliv framåt. De organiska nanoceller deras forskning fokuserar på består av flera mycket tunna lager av organiska polymerer och bygger på att ljusets egenskaper på nanometerskala gör det möjligt för dessa celler att stänga inne ljuset betydligt längre än genom att exempelvis ändra cellernas ytstruktur.

Nanocellerna kan därför absorbera en större andel av energin i det inkommande ljuset, vilket skulle kunna ge dem en verkningsgrad som är upp till tio gånger högre än för tidigare organiska solceller.

Organiska solceller i nanometertjocklek innebär också stora besparingar i materialkostnad tack vare att solceller av organiskt material är betydligt billigare och enklare att tillverka än kiselceller och eftersom mängden material som går åt dessutom är mycket mindre tack vare den lilla skalan.

Solen i fokus

En metod som redan börjat användas för att få ut mer energi ur befintliga solceller är koncentrerad solenergi. Metoden bygger på att solljuset fokuseras med hjälp av speglar eller linser. På så vis kan intensiteten av det ljus som träffar solcellerna förstärkas flera hundra gånger, vilket resulterar i att de genererar mer ström i förhållande till sin yta.

Tekniken kräver att den utrustning som fokuserar ljuset hela tiden följer solens rörelser och att kylsystem installeras för att hålla solcellernas temperatur nere. Den lämpar sig dessutom bäst i soliga länder då det krävs direkt solljus eftersom det diffusa ljuset vid molnigt väder inte kan koncentreras.

Ett företag som tillämpar koncentrerad solenergi är Solar Systems i Australien. Företaget har bland annat byggt tre anläggningar i norra Australien som med sina totalt 30 solfångarantenner producerar 720 kilowatt per år. De planerar dessutom en stor anläggning på 154 megawatt.

Fönster mot framtiden

Ett relativt nytt alternativ på solcellsmarknaden är så kallade Grätzelceller eller Dye sensitized solar cells. Dessa solceller härmar fotosyntesen, men använder sig istället för klorofyll av titandioxid som behandlats med olika färgämnen för att fånga upp och ta tillvara på solljuset.

Förutom att kostnaden för denna typ av solceller är låg ger de också bättre resultat än kiselceller vid molniga och dimmiga förhållanden och kan till och med användas inomhus. De är dessutom genomskinliga och kan lätt integreras i byggnader genom att placeras på fönster och fasader med mera.

Normalt sett har Grätzelceller en ganska låg verkningsgrad, men det svenska företaget NLAB Solar har genom att använda en speciell fotonisk kristall lyckats höja verkningsgraden med 37 procent. NLAB Solar planerar att under 2011 bygga en pilotfabrik i Stockholm för att kommersialisera produkten.

Solenergin tar plats

Även med effektiva solceller är det ofrånkomligt att solenergi tar stora ytor i anspråk, vilket också bidrar till energiformens höga pris. Att integrera solceller i bostäder och kontor är en lösning som har stor potential och över tio procent av all solenergi kan enligt IEA i framtiden komma att produceras på detta vis, men det behövs även andra alternativ.

Ett sätt att få tillgång till stora ytor med goda solförhållanden är att bygga solfarmar i ökenområden. Världens än så länge största solkraftverk är beläget i Mojaveöknen i USA och heter SEGS (Solar Energy Generating Systems). Kraftverket, som har en sammanlagd kapacitet på 354 megawatt kommer emellertid snart att överglänsas av projektet Mojave Solar Park, som när det står klart kommer att täcka 24 kvadratkilometer och ha en kapacitet på 553 megawatt.

Ett annat ambitiöst solfarmsprojekt är Desertec, där bland annat svenska ABB och de tyska företagen Munich Re, Eon, RWE, Deutsche Bank och Siemens medverkar. Projektet kommer huvudsakligen att förlita sig på koncentrerad solenergi från solkraftverk i Saharaöknen och förhoppningen är att det år 2050 ska kunna tillgodose 15 procent av Europas energibehov och större delen av den lokala energiförbrukningen.

En annan teknik, som bland annat testats i Mojaveöknen, är soltorn. De största anläggningarna av detta slag är idag de nybyggda tornen PS10 och PS20 i Spanien, som har en kapacitet på 11 respektive 20 megawatt.

Till de mer högtflygande planerna hör solsatelliter i omloppsbana kring jorden. Förutom att det inte råder någon brist på plats i rymden skulle denna lösning ge solenergi som var tillgänglig 24 timmar om dygnet, sju dagar i veckan. Det återstår emellertid att få ner kostnaderna och att hitta ett lämpligt sätt att överföra energin från satelliterna till marken.

Författare: 

Alarik Haglund

Leave a Reply