Solarenergie - Renewable Energy Symposium 2008
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Solarenergie Das Potential der Solarenergie als erneuerbare Energiequelle Nasa Image of the Sun Stefan Kettemann School of Engineering and Science Theoretical Physics NASA Johnson Space Center. File Name AS17-148-22727 AIESEC Renewable Energy Symposium 2008 22.11. Hochschule Bremen Welt-Energieverbrauch Industrie Haushalt NASA Johnson Space Center. File Name AS17-148-22727 with 1 EJ = 1018 J = 1 Exa-Joule = 1 Quintillion Joule 1MJ = 1 MWs (Mega Watt-Secunde) =.2778kWh (Kilo-Watt-Stunde) Weltenergieverbrauch (2002): 285 EJ≈1014kWh Weltenergieverbrauch 40 W-Glühbirne verbraucht in der Stunde .04 kWh im Jahr 341.8 kWh http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Bild:Gluehbirne_2_db.jpg Weltenergieverbrauch (2002): 285 EJ≈1014kWh ... entspricht der Energie, die verbraucht wird, wenn jeder Mensch 50 40W Glühbirnen das ganze Jahr brennen lassen würde.... Können wir wirklich so viel Energie mit erneuerbaren Energieressourcen decken??? co: IEA co: IEA Was bedeutet eigentlich Erneuerbar? Energie wird nicht erzeugt, Energie bleibt erhalten, aber wir können in Energieformen, die wir chemische brauchen, Bindungsenergie umwandeln: (Kohle,Öl,Gas, Biomasse) Wärme Kern-bindungsenergie (Spaltung von Uran, Plutonium,... oder Fusion von Wasserstoff,...) Thermische Strahlungsenergie Elektrische Energie kinetische Energie ... Was bedeutet dann Erneuerbare ENERGIE?? Die Sonne wird (nach allem was wir wissen) noch viele Milliarden Jahre scheinen... Definition: Energieresourcen,die von der Sonne abstammen und/oder innerhalb kurzer Zeit (bis wenige Jahre) “nachwachsen”, sind erneuerbar. Erneuerbare Energie Resourcen • Direkte Solar-Energie: Solare Thermische Kollektoren, Solarzellen,Solar-Architektur (passives Solares Heizen) Indirekte Solarenergie: • Wasserkraft: Energie der Sonnenstrahlen wird durch Verdunsten von Wasser in potentielle Energie umgewandelt • Windenergie: Solarenergie erwärmt Luft, dadurch Konvektionsströme • Biomasse Sonnenenergie wird durch PhotoSynthese in Chemische Energie umgewandelt. Andere Energiequellen: • geothermisch(RadioaktiverZerfall von Uran, Thorium,Wärmetransfer aus dem Erdkern) • Gezeiten-Energie (Bewegung von Mond und Erde ) Physik der Sonne Solarenergie entsteht durch Kernfusion (H.Bethe 1939) 5800K 15 Mio. K “pp-Reaktion”: ( 98 % der Solarenergie) 4H + → Wasserstoff 4 He + 2e+ + 2νe + 25M eV Helium Positron Neutrino Strahlungsenergie Physik der Sonne Dadurch wird die Sonnenoberfläche auf T = 5800 Kelvin ≈ 5500 °C aufgeheizt 0o C = 273.15 K 5800K zum Vergleich: Feurzeugflamme 1400-1900 K Wie jeder heisse Körper, strahlt die Sonne Wärmestrahlung ab, und zwar mit der Leistung P = σTs4 4πRs2 = 3.95 × 1026 W Das Solarenergie-Potential Davon kommt bei uns auf der Erde die Solarstrahlung mit der Leistungsdichte an. “Solar konstante” Damit trifft auf die Erde im Jahr die Energie Esolar= π (6370 km)2 x 365 x 24 h x 1.4 kW/m2=1.56 1018 kWh Querschnittsfläche Tage Stunden Leistungsdichte verglichen mit Weltenergieverbrauch ≈1014kWh Etwa 1/3 wird von der Erde reflektiert, bleibt uns also 10 000 mal so viel Energie wie wir Menschen verbrauchen Ok, stimmt, aber wieviel davon können wir tatsächlich nutzen ??? Erwärmung der Erde Die Sonne würde eine Erde ohne Atmosphäre nur auf T ≈ 256K ≈ −21o C “erwärmen” Der Treibhauseffekt (Wärmestrahlung der Erde wird von Wolken, Wasserdampf absorbiert) erhöht die mittlere Erdtemperatur auf T = 288 K (=15o C ) “Solarthermische Energienutzung” Die Hälfte des Energieverbrauchs wird zum Heizen verwendet Solarenergie kann direkt zur Erwärmung genutzt werden: - Aktives solares Heizen mit Sonnenkollektoren http://www.biologie.de/biowiki/Bild:Sonnenkollektor-1.jpg - Passives solares Heizen durch Solar-Architektur http://www.energienetz.ch/solargebaeude/Text/SG/SG_index.html Sonnenkollektor Typ I: Mit Pumpe 1. Glass, Treibhauseffekt Vorteil: - Kann auch bei wenig Sonnenenergie benutzt werden -Warmwasserspeicher kann in den Keller gestellt werden 2. schwarze Absorber mit Wasser-Rohren Nachteil: Braucht extra Energie für Pumpe (Gas, oderr Elektrisch) http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph08_g8/umwelt_technik/10a_sol_kollektor/einbau.htm Sonnenkollektor Typ II: Thermosyphon Wärmekonvektion treibt heisses Wasser in den Speicher nach oben Vorteil: - autarkes System, keine Pumpe - Leicht zu installieren Nachteil: Konvektion funktioniert nur gut bei starker Solarstrahlung http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Thermosiphon2.png Solare Thermosyphons werden im Mittelmeerraum benutzt, in Griechenland, Israel, Marokko,... http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Bild:Jerusalem.jpg&filetimestamp=20060711205534 Solarstrahlung auf Horizontale Oberfläche pro m2 und Jahr ...genug für jeden Tag ein heisses Bad selbst in England ... 2-3 mal soviel in Süd-Europa... Quelle: Bremer Energie Inst. 2007 Und im Winter? Speicherung von Solarwärme: - Daumenregel: Volumen für Warmwasserspeicher = Volumen des Hauses! - Je grösser Volumen, je weniger Wärme geht verloren, da Verh. Oberfläche/Volume = L2/L3 = 1/L kleiner je grösser L Sonnenkollektoren mit zentralem Speicher für die ganze Gemeinde http://www.managenergy.net/products/R430.htm Heliostatenfeld für Konzentration des Sonnenlichts: Stromproduktion mit Dampfturbine http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/d/d8/Schema_Solartum-Kraftwerk.png Solararchitektur: Gute Kompromisse zwischen Isolierung und Verglasung... Wintergarten auf Südseite, verglaste Fassade, Ausnutzen des Treibhauseffekts... Photovoltaik NASA Johnson Space Center. File Name AS17-148-22727 Nasa Image of the Sun http://www.eere.energy.gov/solar/pv_systems.html Department of Energy Photo- Voltaik Solarzelle Licht rein Spannung zwischen U Vorderund Rückseite der Zelle Spannung U raus - Direkte Konversion von Solarenergie in Elektrizität - Keine Beweglichen Teile - Solarzelle ist stabil für Jahrzehnte Variable Spannung und Strom durch Serienschaltung von Solarzellen (= Module) und Parallelschaltung von Modulen Modul http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/33/Mafate_Marla_solar_panel_dsc00633.jpg Bell Labs, 1954 Silizium Solarzelle mit 5% Wirkungsgrad Tunesien 2005: Autarke Energie-Versorgung Erste Anwendung für Energieversorgung von Satelliten Solarzellen sind Ideal für Dezentralisierte Anwendungen ohne Stromnetz Solarzellen liefern aber auch genug Elektrizität für das Netz co: IEA ... wie hier in Südkorea: co: IEA Solarzellen sind also ideal für unsere Stromversorgung Aber die Realität ist: 8 GWpeak – Installierte PV-Kapazität = .2% gesamter elektrischer installierter Leistung – sogar nur .02% der globalen elektrischen Energie stammt von Solarzellen! >2-3 EUR/Wpeak – Kosten für Installation von Solarzellen Weltweit installierte PV-Leistung (in MW) am Netz autark = Spitzenleistung bei Solarstrahlung am 60. Breitengrad im Sommer (AM1.5) Exponentieller Anstieg, aber immer noch nur .2 % der weltweit installierten elektrischen Leistung von 4000 GW IEA(2007) Kosten für Installation von Solarzellen nehmen stark ab, je höher installierte Solarzellenleistung Derzeitige Kosten: $7 - $20 /Wp autark $4- $10 /Wp am Netz Zukünftiges Potential der Photovoltaik http://www.eere.energy.gov/solar/pv_systems.html Department of Energy Mehr Arbeit aus Solarstrahlung Billigeres PV-Material? Erhöhung Amorphes Si, des CuInSe, CdS, Wirkungsgrades organische Solarzellen Solarzellen mit weniger PV-material? Dünn-Film Solarzellen Nanostrukturen Physik der Solarzellen Photonen Elektronen (Lichtteilchen) (geladeneTeilchen) rein, raus + + Solarstrahlung + + - - nicht absorbiertes Licht -- Elektronen Spannung 1. Licht-Absorption (Photoeffekt) 2. Ladungstrennung 3. Ladungstransport (Drift, Diffusion) Optimales Design von Solarzellen Emitter Base n p 1. Dicke > Absorptionslänge Solarzellen aus kristallinem Si einige zehntel mm dick Solarzellen aus Amorphem Si, and CuInSe2 nur .001 mm =µm dünn 2. Dicke kleiner als Diffusionslänge 3. Emitter dünn und stark dotiert, Basis kaum dotiert 4. Reduzierte Reflektion: Antireflektionsschicht ( 30% 5%) , Wirkungsgrad von Solarzellen Courtesy of M. Graetzel, "Plugging into Sun", BBC TV 1993 Wohin geht Energie verloren? Lichtabsorption in Halbleitern: Einstein’s Photoeffekt Lichtteilchen der Energie Energie Eg Energielücke E > EG werden von Halbleitern absorbiert + + Eindringtiefe Dipol aus angeregtem Elektron (- negative Ladung) und Loch (+ positive Ladung) Solare Leistungsdichte pro Wellenlänge = Planck-Distribution eines Wärmestrahlers mit Temperatur T = 6000K 1 2 Energie der Solarstrahlung ist verteilt Wirkungsgrad einer Solarzelle • Nur Photonen mit Energie E > EG werden absorbiert. Aber Elektron-Loch-Paare relaxieren verlieren Energie an Wärme. Es bleibt nur Energie EG • Photonen mit Energie E< EG werden nicht absorbiert, sind verloren - + + + + EG Wirkungsgrad von 2-Band-Solarzellen •Je kleiner EG desto mehr Photonen werden absorbiert •Je kleiner EG, je mehr Energie geht als Wärme verloren Kompromiss: Wirkungsgrad maximal 30% i Energielücke EG Beste Si-Solarzelle Reduktion der Reflektion durch pyramidale Oberflächenstruktur 24.4% effiziente PERL cell aus kristallinem Siliziumon (Green, UNSW, Sidney) Weitere Verbesserung des Wirkungsgrades durch Konzentration Parabolic concentrator SolarSystem s Fresnel lens FISE, Ioffe Inst. Wirkungsgrad der Solarzellen SZ =Solarzelle Solarzellen mit > 30 % Wirkungsgrad Tandem - Solarzelle Solarzellen verschiedener Halbleiter Optisch in Serie Oder Aufspaltung des Licht mit Prisma... kein Licht geht verloren • keine Energie geht an Wärme verloren • Nur Verluste durch Strahlung der Solarzelle Grenzwirkungsgrad: 88 % Praktisch nur 2-3 gekoppelte Solarzellen. Rekord: 42 % (2007) Solarzellen der 3. Generation Nanostrukturierte-Solarzellen: n p Quantenpunkte EG Solarzellen in Kombination mit Thermoelektrischen Zellen: Umwandlung der Abwärme in Strom Seebeck-Effekt: Temperatur-Differenz erzeugt elektrische Spannung = Thermo-Generator U = S∆T S = Thermokraft µV/K bis mV/K Photosynthesis: Absorption in Farbstoffmolekül Chlorophyll: Farbstoff-Sensitivierte Solarzellen Kopiere Natur und mach es besser... Halbleiter TiO2 mit Dunkler Farbstoff grosser Bandlücke absorbiert kaum Licht = weiss 10% Wirkungsgrad, sehr billig! Potential der Photovoltaik? Potential der Photovoltaik etwa .03 % der Erdoberfläche ist mit Dächern bedeckt..... Wenn wir die gesamte elektrische Energie E= 2. 1013 kWh welweit mit Solarzellen decken wollten brauchen wir Wirkungsgrad 2 × 1013 kW h ConsumedEnergy = ≈ 7% η= −4 18 IncomingEnergy 3 × 10 × 10 kW h Vielfalt der Solarzellen wächst: Polykristallines, amporphes Si, und Dünnfilm Solarzellen brauchen wengier Material, Energie zur Produktion als kristalline SiliziumSolarzellen ...Wirkungsgrad der Solarzellen wächst... http://en.wikipedia.org/wiki/Image:PVeff(rev110707)d.png Zusammenfassung - Im Prinzip genug Solarenergie: 10.000 faches des weltweiten Energieverbrauchs - Um mit Solarzellen wesentlich zur Stromerzeugung beizutragen (zur Zeit.01 %), muss Wirkungsgrad erhöht, Materialaufwand reduziert werden. Vielzahl der Materialen und PV-Konzepte muss ausgenutzt werden. Kristalline Si-Zellen allein reichen nicht aus (zur Zeit noch >50%). - Solarzellen mit Wirkungsgraden um 50 % sind physikalisch möglich, erfordern aber noch viel Grundlagenforschung (auch in der Theoretischen Physik!) und Entwicklung.
