2013-05-13
Framtidens energiåtgång
Soljakten 2013
Energi från Solen
WEO 2008
Lars Kloo
2009: ca. 16 TW, momentan årsjämviktad konsumtionstakt
(jfr. 4.1 x 1020 J / år)
Tillämpad fysikalisk kemi
KTH – Kungliga Tekniska högskolan
STOCKHOLM
2050: Uppskattas till minst 28 TW
Perspektiv: 1 ny 1 GW kärnreaktor per dag i 30 år …
… MEN, mindre än 1 timmes solljus
2
Alternativen
Energi per ytenhet
Vi behöver
alltså 12 TW
Solljus i olika regioner:
SE:
871 kWh m-2 yr-1 (= 242 W m-2)
GE: 1014 kWh m-2 yr-1
ES: 1586 kWh m-2 yr-1
Optimal vinkel i SE: 44°(S): 1079 kWh m-2 yr-1
Perez 2009
Viktig drivkraft: OBEROENDE !
3
4
1
2013-05-13
Energi från solen
DESERTEC
• 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
Energi från solen
6
Solcellsteknologier
• Fotosyntesen biomassa - biobränsle
– Effektivitet < 1%
• Solvärme:
– Vattenuppvärmning (hemma): Effektivitet 70%
– Elektricitet: Konc solljus (CSP), turbiner, etc: Effektivitet
20%
p-CIGS – Tunnfilm
Fast lösning av
Cu(In,Ga)Se2 (1-3 µm)
• Solel (solceller)
CdTe/CdS – Tunnfilm
För dyra (idag) !
Si
Amorf, polykristallin
eller monokristallin
– Direkt omvandling: Effektivitet 20%
7
Nya lovande teknologier …
8
2
2013-05-13
Grätzel-celler
Kostnads- och effektivitetsökning …
I. Kiselbaserad
II. Tunnfilm, CIGS
III. Polymera solceller
Grätzel-celler
Rådande världsrekord: 15%
Mål: <5 kr/Wp eller >20% effektivitet för<1000 kr/m2
10
9
CMD
CMD
Totalt: >30 forskare
www.moleculardevices.se
11
12
3
2013-05-13
Typisk elektrokemisk cell
Fotoelektrokemiska solcellen
2 elektroder
+
elektrolyt
Genomskärning
13
14
Cellerna
Funktion
Resistans
Färgämne
Redoxelektrolyt
Lab-celler
TiO2
Monolitiska celler
(Swerea IVF AB)
Ledande glas
15
16
4
2013-05-13
Fördelar / nackdelar
Si-cell
DSC-cell
+
•
•
•
•
•
-
Perfekta ’Regncellen’
’Kökskemi’ (dvs enkla att tillverka)
Billiga (glaset dyrast)
Relativt hög effektivitet
Fungerar även i diffust ljus (dvs inomhus, då mulet etc)
Estetiska !
DSC-celler:
- Mindre effektiva (W)
- Mer energetiska (kWh)
• Komplexa, samverkande reaktioner (måste balanseras)
• Stabilitet
• Konkurrens från andra tekniker
0
4
8
12
16
20
24
Tid / h
17
Estetiska !
18
Praktiska ?
Toyota (Jpn)
Sony (Jpn)
Dyesol (Aus)
Prof. Uchida, Tokyo Univ.
(bland 10 bästa av 35 …)
G2E (Genèves fpl)
19
20
5
2013-05-13
Inuti …
Fotoelektroden (del 1)
Steg 1: Nanostrukturerad halvledare
300 nm
TiO2-partiklar, d 25 nm
1 cm2 innehåller 1013 particles
(enorm yta – nano!)
21
Fotoelektroden (del 2)
22
Motelektroden
Färgämne
Katalytiskt material
Steg 2: Sensiterande färgämne
Blyertspenna ger grafit …
Katalytisk platina (Pt)
Grafit
Ledande polymerer
Nanoporöst kol
23
24
6
2013-05-13
Färdig cell
Elektrolyt (3:e och sista komponenten)
• Organiskt lösningsmedel (etanol etc.)
Cellen ger:
• nästan 0,5 V fotospänning
• halvtaskig ström
• ca 0,5% verkningsgrad …
• Upplöst redox-par (vanligen I-/I3-)
Spänning Ström
V
A
25
Teknikens mognad idag
26
På prototypnivå
Konsumentelektronik – JA
DSC-ryggsäckar
Storskalig energiproduktion – Nej
Genombrott behövs !
Solglasögon = mobilladdare
MEN – inom 5-10 år är tekniken redo !!!
Förarlösa flygplan med DSC
27
28
7
2013-05-13
Forskning inom CMD: Detaljerna
En konsumentprodukt
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
30
29
Design av färgämnen
Forskning inom CMD
Rekombinations
-förluster
Ankring av färgämnet
31
32
32
8
2013-05-13
Soljakten 2013
• Inspirera eleverna !
• Vad har vi förbisett ??? – ’Configuration space’
• Finns det typer av färgämnen som fungerar bättre ?
• Ger blandningar bättre funktion ?
33
9
