Solenergi tar över elnät

Jorden kommer i framtiden att förses med evig energi från solceller

150 miljoner kilometer härifrån lyser solen som är ett enormt kraftverk. Hela jorden skulle i framtiden kunna försörjas med ren förnybar energi genom att utveckla bättre och billigare solceller som effektivare utnyttjar solens strålar. I kanten av den marockanska delen av Saharaöknen ligger den nya solcellsanläggningen Noor 1 med 50 000 parabolspeglar som sammanlagt täcker ett område av 25 kvadratkilometer. Det här är bara början på världens största solcellsanläggning som har en energikapacitet på 160 megawatt.

År 2020 planeras nästa fas av Noorprojektet, Noor 2 och Noor 3, med en ökning av kapaciteten till 580 megawatt energi som är tillräckligt för att förse över en miljon hushåll med elektricitet. Fossila bränslen utgör idag 97 procent av energiförbrukningen i Marocko. Nooranläggningen har som mål att 42 procent av energiförbrukningen år 2020 ska komma endast från förnybara energikällor. Fossila bränslen skulle således kunna fasa ut Marockos beroende av fossila bränslen.

Bild: Solkraftverket Noor 1 i Sahara i södra Marocko.

(https://www.ingenieur.de/Fachbereiche/Solartechnik/1-Block-groessten-Sonnenkraftwerkes-Welt-am-Netz)

Livskällan för jorden är solen

Solen är ursprunligen källan till all energi på jorden. Solljuset har skapat liv, vind och vågor och utgör ett enormt kraftverk som värmer upp hela jorden. Kunde vi människor utvinna solens värme utan spill hade energiförsörjningsproblemen för exempelvis en sommardag i Sahara och en vinterdag i norra Sibirien. Solceller är dock ännu inte så effektiva att de kan ersätta de fossila bränslena. Internationella energirådet (IEA) har gjort bedömningen att den teknik som nu finns för att utvinna solenergi kommer att täcka endast 27 procent av jordens energibehov år 2050.

Bild: Solens livgivande strålar är en förutsättning för allt liv här på jorden.

(https://www.alltomvetenskap.se/nyheter/giftgasen-som-haller-oss-vid-liv)

Solenergi används som bränsle för sateliter

Solceller är egentligen inget nytt påfund. Charles Fritts uppfan redan 1883 solcellen, och 75 år senare skickades den solcellsbeklädda satelliten Vanguard 1 ut i rymden av amerikanerna. Även om Vanguard var den fjärde satelliten i en omloppsbana runt jorden, så var det den första satelliten vars strömförsörjning kom endast från solstrålar.

Bild: Vanguard 1 var den första satelliten som drevs av solceller och kommunikationen bröts 1964.

(https://www.pinsdaddy.com/vanguard-1-satellite_i%7C0M1yYZRxTArk*csLDLdhd*9YoNn4ww63GDdrxCweI/)

Bild: Schematisk bild över hur en kiselsolcell fungerar, där lössläppta elektroner skapar el.

(https://solarregion.se/om-solenergi/solceller/hur-fungerar-solceller/)

Solceller kan idag endast producera ström under dagen, men samtidigt är förbrukningen av el som störst på kvällen efter solnedgången. Ska solcellsteknologin få ett ordentligt genombrott måste det utvecklas nya metoder för att lagra den solenergi som man har utvunnit.

Solvärme smälter salt med hjälp av speglar

Concentrated Solar Power (CSP) anläggningar koncentrerar solstrålarna likt när solens ljus bryts genom en lins och sammanstrålar till en brännhet stråle och antänder ett papper. Från en stor yta på marken samlas solvärme med hjälp av CSP-metoden och koncentrerar värmen som efter en många processer lagrar solens energi. Ivanpah Solar Power Facility är världens största CSP-anläggning och ligger i Mojaveöknen i Kalifornien. 173 500 speglar reflekterar solstrålarna till tre soltorn som lyser som fyrtorn efter att de blivit glödheta. Inuti tornen leder ett rörsystem en speciell oljeblandning som värms upp till 393 grader Celsius.

Bild: Ivanpah Solar Project.

(https://science.time.com/2013/06/13/the-power-and-beauty-of-solar-energy/)

Värmen tas sedan upp i en tank med flytande salt efter att oljeblandningen runnit vidare dit. Trots att solen går ner hålls värmen kvar av saltet i tanken i upp till tre timmar. Saltet svalnar sedan vartefter och i procesen avgår värme som i sin tur får vattnet att koka. Vattenångan driver en turbin som är kopplad till en generator som producerar elektricitet.

Solen ger energi i miljoner år

Soljusets energi som dagligen når jorden motsvarar 120 000 terawatt (TW). År 2020 kommer behovet av energi i stället vara 20 TW per dag. Vi behöver alltså inte ta 6000 gånger så mycket energi som vi behöver eftersom dagens solceller endast kan omvandla mellan 10 och 35 procent av solens energi till elektricitet. Vi måste således försöka hitta en effektivare lösning med billigare solceller. Den nuvarande solcellstekniken är alltför dyr i förhållande till energin vi utvinner från olja och kol. Utvecklas dock solcellstekniken kommer solenergi att bli billigare efterhand och redan efter fem år kommer priset på solenergi att sjunka med 25 procent.

År 2050 kommer vi ha solceller som kostar 65 procent mindre än i dag. Energibrukande länder som USA och Kina har inlett forskning hur de ska kunna utveckla nya material till CSP-anläggningar. Ett område som ingenjörerna redan utvecklat är ett nytt och hållbarare plast i parabolspeglarna som är betydligt biligare och hållbarare. Forskningen handlar även om att finna alternativa material till kisel i solcellspanelerna. Grundämnen som tellur, indium och gallium är mycket effektivare ledare än kisel men är betydligt sällsyntare i naturen och således dyrare.

Framtidens solcell blir grafen

Grafen är ett billigt kolmaterial som finns i grafit (förekommer i blyertspennor) och kan enligt forskare komma att kunna ersätta kisel. Grafen är lätt att komma åt för användning i solcellstillverkningen och är ett material som omvandlar ljus till energi på ett extremt effektivt sätt. Till skillnad mot när ljusets fotoner träffar grafen i stället för kisel frigörs alltid två-tre elektroner och registrerar hela ljusspectrumet, exempelvis reagerar grafen på infrarött ljus. Grafens fysiska egenskaper kan således utnyttjas effektivare i solceller.

I naturligt tillstånd leder grafen inte elektroner lika bra som kisel och alstrar dessutom en svagare spänning som blir svår att omvandla till ström. Forskarna försöker dock komma på hur man kan förstärka grafens ledningsförmåga genom tillförsel eller avlägsnande av elektroner till fler sammanpressade grafenlager. Ändras elektronantalet i grafen förbättras ämnets ledningsförmåga vilket leder till att grafen har stor potential att ersätta kisel i solceller framöver.

Bild: Grafen det nya supermaterialet.

(https://www.youtube.com/watch?v=9fXdj7aQS7Q)

Väte bildas av sol

Forskare anser att andra energikällor kan komma att konkurreras ut av solenergi. Det kan dock först ske då solens strålar direkt kan producera andra bränslen som exempelvis väte, alkoholer m.m. Väte kan framställas om solstrålarna byggs ihop med en elektrolyscell. Elektrolys är en process som spjälkar vattenmolekyler i syre och väte under tillsättning av ström. Används energin från solceller för elektrolys kan solenergi lagras som väte. Tillsätter forskarna sedan uppfångat koldioxid från industrier eller kraftverk till vätet framställs syntetiska ämnen som metan och etanol.

Elektrolys är en väl beprövad teknik men har inte lett till att utvecklingen av vätealstrande solanläggningar kommit särskilt långt. Först om mellan 10 till 20 år bedömmer forskarna att den här tekniken blir så effektiv att den kan konkurrera med fossila bränsleanläggningar.

Bild: Elektrolys.

(https://www.clioonline.se/kemi/7-9/omraaden/kemiska-foereningar/elektrokemi/elektrolys/)

Solen försörjer örike

Det återstår flera utmaningar innan vanliga solanläggningar som producerar ström iinnan solen kan bli en av elnätets viktigaste energikällor. De här anläggningarna med solceller tar mycket utrymme och placeras långt bort från konsumentern jämfört med andra kraftverk. Solanläggningar ligger i ett landskap som är öppet och saknar byggnader som överskuggar solcellerna vilket kräver att elnätet byggs ut ytterligare. Solen är en instabil energikälla som inte producerar någon ström på kvällen då det blir mörkt och konsumenterna utnyttjar elnätet som mest.

Forskarna måste således komma på ett sätt att lagra solstrålarna vilka skulle kunna ge oss elektricitet även när det är mörkt och solen inte skiner. Trots dessa uppenbara nackdelar kan solenergi redan i dag underhålla hela samhällen med energi. År 2012 ställdes tre solcellsanläggningar upp, på de tre öarna i ögruppen Tokelaus vars invånare nu får all el från dessa solanläggningar. Kapaciteten från öarnas 4032 solceller uppgår till 1 megawatt vilket motsvarar 150 procent av örikets totala förbrukning av el. Man har löst problemet med att lagra solenergin nattetid då batterier är kopplade till solpanelerna.

Bild: The Fakaofo solar array on Tokelau, som förser hela ön med elektricitet.

(https://theecologist.org/2015/may/28/pacific-islands-heading-100-renewable-energy)

Laddas batterierna ur och solen inte heller lyser har man på Tokelau ställt upp nödgeneratorer som drivs med kokosolja i stället för diesel. De tre stora solcellsanläggningarna täcker således hela ösamhället även om det är litet och visar att solens energi i rätt miljö och med rätt teknik kan förse ett helt samhälle med el. Andra öar i Indiska oceanen som Fiji, Tuvalu och Cooköarna har inspirerats av Tokelaus övergång från fossila bränslen till ett renodlat solenergisamhälle. På dessa öar planerar man att före år 2020 helt gå över till användning av förnybara energikällor.

När forskarna väl lyckas utveckla effektivare och billigare solceller kan solens energi kanske bli den enda källan till elektricitet även i större samhällen än på dessa öar.

Vardagen intas av ultratunna solceller

Det var inte så många decennier sedan som en miniräknare med solceller ansågs utgöra avancerad teknik, men inom bara några år kan mycket i vår vardag som exempelvis skärmar, mobiltelefoner och fönster vara inklädda med solceller som producerar så pass mycket el att ljuset kan vara tänt i huset och förhindra att mobiltelefonen laddas ur. Det amerikanska företaget Ubiquitous Energy har tagit fram en solcell som är så tunn som 0,001 millimeter och kallar den ClearViewPower - en genomskinlig film. Ultraviolett ljus fångas upp i filmen av molekyler från organiska salter medan solcellen släpper igenom synligt ljus.

Bild: ClearView Power - världens första riktigt transparenta solteknologi.

(https://www.futureentech.com/2015/07/clearview-power-worlds-first-truly.html)

Infraröda våglängder som omvandlats från det infångade ljuset förs till filmens kanter där en koppling med en liten vanlig solcell omvandlar ljusets energi till elektricitet. Fördelen med detta osynliga skikt är att den i framöver kan fästas på fönster ocn förse hus med ström. Ubiquitous Energy börjar att producera en sådan tunn film till mindre ytor som återfinns på exempelvis mobiltelefoner och surfplattors skärmar. Företaget kan nu till en början endast utvinna en procent av solenergin från denna tunna film men i framtiden räknar man med att filmen ska kunna återge kring tio procent av solenergin.

Även andra delar av byggnader kan i framtiden komma att kunna använda denna solcellsteknik då fasader kan täckas in med denna tunna film och takpannor med inbyggda solceller i dess material kan ersätta klassiska solcellsanläggningar av kisel på hustaken. Andra prototyper av takpannor som producerar ström med ladningsbara superbatterier som kan lagra energi vid överproduktion av ström då solen skiner för fullt har tagits fram av andra företag. Fördelen är att den sparade energin sedan kan användas till molniga dagar eller nätterna, då solen har gått ner.

Bild: Takpannor av glas som levererar energi för hela huset.

(https://www.viivilla.se/gor-det-sjalv/tak/framtidens-tak-gynnar-miljon/)

Flygplan drivs av solljus

Solenergi har i nya försök visat sig kunna användas för att driva framtidens flygplan. Världens första flygplan som drivs med solceller och kan hålla sig i luften både på dagen och på natten och således inte är i behov av en molnfri himmel. Dagtid producerar solcellerna extra elektricitet som laddar batterierna i planet. Nattetid och vid molnig väderlek använder planets motorer i stälet den lagrade elektriciteten. Rekordet är hittills flygning i fem dygn utan att landa och ladda på batterier. Det är inte bara i luften som den nya tekniken med solceller har fått genomslag då forskare vid University of Michigan har byggt flera solcellsbilar som exempelvis "Generation" och "Aurum".

Bild: Flygplanet Solar Impulse i ett försök att korsa hela USA utan något bränsle, men väl solenergi.

(https://www.startrekdb.se/index.php?nyhet=3377)

Flygplan drivs av solljus

Solcellerna kan framöver alstra ström medan bilarna kör på vägarna och undviker således att tanka batterierna på laddningsstationer. Även asfalten som bilarna färdas på kan snart komma att ersättas med en beläggning med solcellspaneler som byggts in, vilka skyddas av ett genomskinligt krosssäkert glas. Wattway är en 100 mil lång vägg av solceller, kantad av sju millimeter tjocka paneler som befinner sig på en befintlig väg. Fem miljoner invånare kan förses med elektricitet. Med hjälp av induktionsenergi arbetar Wattaways ingenjörer även på att kunna ladda eldrivna bilar som sugit upp energi från solcellerna i asfalten.

Bild: Wattway: Världens första väg med solceller lanseras i Frankrike.

(https://www.designworld.se/wattway-vag-solceller-frankrike/)

Det finns sexkantiga solceller som dessutom är tryckkänsliga, utvecklade av företaget Solar Roadways. Dessa solcellspaneler registrerar allt från köbildning till leveranser med el till skyltar med LED-lampor som kan förvarna bilister om de analkande kursera. Fördelen med sollcellstekniken leder till också till att värmen från cellerna smälter vägbanans is. Inom bara några årtionden kommer solceller att förvandla byggnader, bilar, flygplan och fartyg till kraftverk som då blir helt oberoende av elnätet.

Bild: En värld med "Smart Roadways" smarta vägar.

(https://www.techrepublic.com/pictures/photos-a-world-with-solar-roadways-smart-roads/4/)