Framtidens energiåtgång. Soljakten Energi från Solen. Alternativen. Energi per ytenhet. Vi behöver alltså 12 TW

(1)

Soljakten 2013 -

Energi från Solen

Lars Kloo

Tillämpad fysikalisk kemi KTH – Kungliga Tekniska högskolan

S

TOCKHOLM

Framtidens energiåtgång

2009: ca. 16 TW, momentan årsjämviktad konsumtionstakt (jfr. 4.1 x 10

²⁰

J / år)

2050: Uppskattas till minst 28 TW

Perspektiv: 1 ny 1 GW kärnreaktor per dag i 30 år …

… MEN, mindre än 1 timmes solljus

WEO 2008

2

Alternativen

Perez 2009

Vi behöver alltså 12 TW

Viktig drivkraft: O BEROENDE !

Energi per ytenhet

Solljus i olika regioner:

SE: 871 kWh m^-2yr^-1(= 242 W m^-2) GE: 1014 kWh m^-2yr^-1

ES: 1586 kWh m^-2yr^-1

Optimal vinkel i SE: 44°(S): 1079 kWh m^-2yr^-1

(2)

Energi från solen

• Fotosyntesen  biomassa - biobränsle

– Effektivitet < 1%

• Solvärme:

– Vattenuppvärmning (hemma): Effektivitet  70%

– Elektricitet: Konc solljus (CSP), turbiner, etc: Effektivitet

 20%

• Solel (solceller)

– Direkt omvandling: Effektivitet  20%

5

DESERTEC

6

Energi från solen

• Fotosyntesen  biomassa - biobränsle

– Effektivitet < 1%

• Solvärme:

– Vattenuppvärmning (hemma): Effektivitet  70%

– Elektricitet: Konc solljus (CSP), turbiner, etc: Effektivitet

 20%

• Solel (solceller)

– Direkt omvandling: Effektivitet  20%

Solcellsteknologier

För dyra (idag) ! Nya lovande teknologier …

p-CIGS – Tunnfilm Fast lösning av Cu(In,Ga)Se2(1-3 µm)

Si Amorf, polykristallin

eller monokristallin

CdTe/CdS – Tunnfilm

(3)

Kostnads- och effektivitetsökning …

Mål: <5 kr/W

_p

eller >20% effektivitet för<1000 kr/m

²

I. Kiselbaserad II. Tunnfilm, CIGS III. Polymera solceller

Grätzel-celler

9

Rådande världsrekord: 15%

Grätzel-celler

10

CMD

www.moleculardevices.se Totalt: >30 forskare

CMD

(4)

Typisk elektrokemisk cell

Genomskärning

2 elektroder + elektrolyt

13

Fotoelektrokemiska solcellen

14

Resistans

TiO

2

Ledande glas

Färgämne

Redox- elektrolyt

Funktion Cellerna

Lab-celler

Monolitiska celler

(Swerea IVF AB)

(5)

Fördelar / nackdelar

+

• ’Kökskemi’ (dvs enkla att tillverka)

• Billiga (glaset dyrast)

• Relativt hög effektivitet

• Fungerar även i diffust ljus (dvs inomhus, då mulet etc)

• Estetiska ! -

• Komplexa, samverkande reaktioner (måste balanseras)

• Stabilitet

• Konkurrens från andra tekniker

17

Perfekta ’Regncellen’

0 4 8 12 16 20 24

Si-cell DSC-cell

Tid / h

DSC-celler:

- Mindre effektiva (W) - Mer energetiska (kWh)

18

Estetiska !

Sony (Jpn)

Toyota (Jpn)

Dyesol (Aus) G2E (Genèves fpl)

Praktiska ?

Prof. Uchida, Tokyo Univ.

(bland 10 bästa av 35 …)

(6)

Inuti …

21

Fotoelektroden (del 1)

300 nm

TiO

₂

-partiklar, d  25 nm 1 cm

²

innehåller  10

¹³

particles

(enorm yta – nano!)

Steg 1: Nanostrukturerad halvledare

22

Fotoelektroden (del 2)

Färgämne

Steg 2: Sensiterande färgämne

Motelektroden

Katalytiskt material

Blyertspenna ger grafit …

Katalytisk platina (Pt) Grafit Ledande polymerer

Nanoporöst kol

(7)

Elektrolyt ( 3:e och sista komponenten )

• Organiskt lösningsmedel (etanol etc.)

• Upplöst redox-par (vanligen I

^-

/I

₃^-

)

25

Färdig cell

Cellen ger:

• nästan 0,5 V fotospänning

• halvtaskig ström

• ca 0,5% verkningsgrad …

Ström

A Spänning

V

26

Konsumentelektronik – J A

Storskalig energiproduktion – Nej Genombrott behövs !

M EN – inom 5-10 år är tekniken redo !!!

Teknikens mognad idag

DSC-ryggsäckar

Solglasögon = mobilladdare

Förarlösa flygplan med DSC

På prototypnivå

(8)

Överlägsen andra solcellsteknologier i diffust ljus och inomhus

Cardiff, Wales. April 5, 2012: G24 Innovations, a pioneer of light energy harvesting – the recycling of ambient indoor light to electricity - has achieved ground-breaking efficiency rates for the indoor performance of its Dye-Sensitized Cells . At an average of 26% conversion efficiency, a new cell composition has broken the company’s previous record of 15%, already recognised by Texas Instruments’ Solar Lab as the most efficient indoor light energy harvesting technology on the market.

G24i collaborates with Logitech on first light-powered keyboard

• Logitech Solar Keyboard Folio for third-Generation Apple iPad and iPad 2 powered by G24 Innovation’s pioneering light energy-harvesting technology

• First major application of game-changing dye-sensitised photo-electric cells

• Breakthrough technology set to change the relationship between consumer electronics and the energy they rely upon, allowing product designers to throw away the rule book