Solskin over Middelhavet. Foto Henrik Egede-Lassen

Energi fra Solen

Solen er vores absolut vigtigste og største energikilde, der producerer enorme mængder energi ved omdannelse af brint til helium i dens kerne.

Vi bruger solens stråler til at producere varmt vand og elektricitet, og solen er forudsætningen for alt liv og dermed også bioenergi. Med optimal udnyttelse af Solens kraft, ville vi uden problemer kunne forsyne hele verden med energi. Jorden modtager cirka 6.000 så gange så meget energi fra Solen, som vi har brug for i dag, og 3.500 gange så meget energi, som verdens lande får brug for i 2050.

Begrænset udnyttelse

I dag kommer kun nogle få procent af verdens energiforsyning fra solenergi, men udbygningen af solenergianlæg tager fart i takt med, at teknologierne bliver bedre og billigere. Den globale elproduktion fra solenergi er næsten tidoblet i løbet af 10 år, og på verdensplan installeres der hver dag over 700.000 nye solpaneler. Det Internationale Energiagentur (IEA) venter, at vi i 2050 vil kunne producere over en fjerdedel af verdens elektricitet – 27 procent – med solenergi, mens 16 procent af den energi, vi bruger til at opvarme eller nedkøle bygninger, fabrikker, datacentre og andet, vil kunne komme fra solenergi.

 

Den manglende effektivitet

At anvende solen som energikilde indebærer flere udfordringer:

  1. Solen skinner kun om dagen, og antallet af solskinstimer varierer. Derfor skal der findes effektive og billige metoder til at lagre solenergien, indtil vi skal bruge den.
  1. De solceller, vi i dag bruger til at producere elektricitet, er forholdsvis dyre at fremstille i forhold til deres effektivitet. Nutidens solceller omdanner typisk kun 15-20 procent af solenergien til elektricitet. Hvis solceller for alvor skal gøre sig gældende i fremtidens energiforsyning, er der brug for solceller, som både er mere effektive og billigere at fremstille.

Derfor arbejder forskere verden over på at udvikle bedre solceller og finde bedre metoder til at lagre solenergien. Prisen på solceller falder også i takt med den teknologiske udvikling, og i 2050 forventes solceller at være 65 procent billigere end i dag.

Solceller

Solceller – på engelsk: Solar photovoltaic (PV) systems – er i dag den mest udbredte metode til at omdanne solens stråler til elektricitet. De fleste solceller fremstilles af silicium, som er et af de mest almindeligt forekommende grundstoffer i universet og det næstmest forekommende stof i jordskorpen. Fordelene ved siliciumsolceller er, at de har en forholdsvis høj ydeevne på 15-20 procent (den del af solstrålerne, som cellerne omsætter til energi), samt en høj stabilitet og lang levetid. Siliciumsolceller er i midlertidig dyre at fremstille, og produktionen af dem kræver meget energi.

I nye generationer af solceller laver man cellerne som tynde film baseret på materialer som fx cadmium eller kobber. Disse typer af solceller er billigere at fremstille, men ikke lige så effektive som siliciumsolceller, og produktionen af cellerne kræver et stort energiforbrug.

Nye materialer undervejs

Forskere arbejder på at udvikle solceller, der er både billigere, bedre og med længere levetid. Der testes blandt andet tynde film af solceller, der er fremstillet af plast. De vil kunne produceres billigt i stor skala. Forskerne fokuserer også på at udvikle solceller af materialer, der mere effektivt end silicium kan omdanne solstrålerne til elektricitet, så solcellerne får en større virkningsgrad. Det kunne være kulstoffet grafen, der meget effektivt omdanner lys til energi.

Solcelleanlæg nu og i fremtiden

Solcelleanlæg findes i mange forskellige størrelser – fra små anlæg på taget af enfamiliehuse til store anlæg placeret på facaden af et højhus eller på taget af en fabrik. Desuden findes der i en række lande store solcelleparker, hvor titusinder eller hundredtusinder af solpaneler producerer strøm.

I fremtiden vil solceller sandsynligvis blive integreret i forskellige materialer. For eksempel har det amerikanske firma Tesla, der mest er kendt for sine elbiler, præsenteret de første tagsten med indbyggede solceller. Solceller er den hurtigst voksende energiteknologi i verden, og også herhjemme kommer der stadig flere solceller på hustagene. I 2015 stod solcelleanlæg for 2,2 procent af den samlede danske elproduktion. 

Sådan fungerer solceller

Solceller fungerer ved at omdanne energien i elektromagnetisk stråling (lys) til elektrisk energi (en strøm og en spænding). Det kaldes for den fotovoltaiske effekt. Det er selve lyset, der aktiverer solcellen og ikke solstrålerne. Derfor produceres der i et vist omfang også strøm, når det er overskyet.

Solceller består af tynde plader med et negativt og et positivt lag af f.eks. silicium tilsat små mængder af enten fosfor eller bor (grundstoffer). Når cellen rammes af sollys, slår fotonerne elektroner løs, så de bevæger sig rundt frit. Til sidst samles de op af et elektrisk ledende net på solcellens forside, som udgør den negative pol. Derved opbygges der en spændingsforskel mellem solcellens forside og bagside. Når de to sider forbindes med et elektrisk kredsløb, vil det forsøge at udligne spændingsforskellen ved, at der løber en strøm.

Koncentreret solenergi (CSP)

Koncentreret solenergi – eller Concentrated Solar Power på engelsk, CSP – er en teknologi, hvor man ved hjælp af store spejle samler og koncentrerer solenergi fra et stort område til et mindre. Den koncentrerede solenergi kan bruges til at opvarme en væske, så der dannes damp, som kan producere elektricitet ved hjælp af en dampgenerator.

En af de store fordele ved CSP i forhold til solceller er, at energien kan lagres en vis tid i den væske, som opvarmes af solstrålerne. Men i modsætning til solceller kan CSP-anlæg kun udnytte de direkte solstråler og ikke det sollys, der f.eks. trænger igennem en overskyet himmel. CSP-anlæg opføres derfor kun i de dele af verden, hvor der er mange solskinstimer fra en skyfri himmel – typisk i ørkenområder.

Der findes flere forskellige typer af CSP-anlæg. De første blev opført i Californien i USA i 1980erne og er stadig i drift. De består af lange parabolske trug beklædt med bevægelige spejle, som opsamler energien fra solstrålerne og bruger den til at opvarme en væske og producere damp.

En nyere type anlæg, som i hyppigt bliver opført i dag er de såkaldte soltårne. De består typisk af hundredtusinder af heliostater – bevægelige spejle, som følger solens bevægelser over himlen. Heliostaterne reflekterer solstrålerne til et eller flere centrale modtagertårne med en flydende væske, som opvarmes til mellem 500 og 1.000 grader af de koncentrerede solstråler. Den ekstremt varme væske kan så bruges til at producere elektricitet – typisk ved hjælp af en dampgenerator.

CSP-anlæg er mest udbredt i lande og områder som det sydlige Spanien, USA’s ørkenstater og ørkenområder i Sydafrika. Det hidtil største anlæg er Ivanpah Solar Electric Generating System i Mojave-ørkenen i Californien, USA. Det består af 173.500 heliostater med hver to spejle. Spejlene reflekterer solstrålerne til tre tårne med vandtanke, hvor der produceres damp til at drive dampturbiner.

Ivanpah-anlægget har en samlet kapacitet til elproduktion på 392 megawatt (MW). Det er lidt mindre end kapaciteten i Danmarks største vindmøllepark – Anholt Havmøllepark med en kapacitet på 400 MW.

I Sahara-ørkenen i det sydlige Marokko i man i gang med at opføre verdens største CSP-anlæg, Ouarzazate Solar Power Station. Det vil få en samlet kapacitet på 580 MW og kan forsyne over en million huse med elektricitet. Første del af anlægget består af parabolske trug, mens en senere fase vil består af heliostater og soltårne.

Anlægget producerer elektricitet med dampturbiner, og derudover kan anlægget lagre energien i op til otte timer ved hjælp af saltlagre, som varmes op af solstrålerne i løbet af dagen. Den første del af anlægget med parabolske trug og en kapacitet på 160 MW blev taget i brug i begyndelsen af 2016. Det samlede anlæg ventes færdigt i 2018.

 

Solvarme

Et solvarmeanlæg består af solfangere, der omdanner solenergi til varme. Solvarmeanlæg bruges over hele verden til at skaffe varmt vand i hanerne og i nogle lande også til opvarmning af bygninger, fx i form af fjernvarme, som det er tilfældet mange steder i Danmark. Den ideelle placering for solvarmeanlæg på kloden er i et bælte omkring 35 grader sydlig eller nordlig bredde, hvor antallet af solskinstimer er højest. I lande som Danmark producerer solvarmeanlæggene mest varme om sommeren, hvor vi har mindst behov for varmen.

Mindre solvarmeanlæg til varmt vand i private husstande er almindelige på hustage i mange lande – heriblandt i store lande som Tyskland, Kina, USA og Brasilien. Afhængig af solfangernes størrelse (typisk 3-6 kvadratmeter), lagerkapacitet og klimaet i området kan denne type solfangere levere mellem 30 og 100 procent af opvarmningen af det varme brugsvand. Store solvarmeanlæg på hundredvis af kvadratmeter til opvarmning af boligblokke eller til fjernvarme findes i en række lande i Europa – heriblandt Frankrig, Østrig og Danmark.

I Danmark er der installeret i alt 1,2 millioner kvadratmeter solfangere fordelt på 85 store anlæg. De står tilsammen for 1,6 procent af fjernvarmeproduktionen i Danmark. Verdens hidtil største solvarmeanlæg blev opført i Silkeborg i 2016. Det kan dække 20 procent af det årlige varmeforbrug i Silkeborg svarende til 4.400 husstande.

Ifølge tænketanken Grøn Energi kan der være udsigt til mere end en firedobling af solvarmekapaciteten i dansk fjernvarme i de kommende år – til 5,5 millioner kvadratmeter solvarme i 2030. Dermed vil solvarmen kunne stå for 110.000 husstandes årlige varmeforbrug.

Sådan fungerer solfangere

Solfangere består typisk af paneler placeret i en isoleret kasse med et dæklag af glas eller plast. Under dæklaget ligger absorberen, der for eksempel består af kobberbånd med en særlig overfladebelægning, som effektivt optager Solens stråler.

Absorberen optager Solens varme og overfører den til en væske, som løber igennem rør i solfangeren. Væsken løber eller pumpes fx til en tank eller varmtvandsbeholder, hvor den via en varmeveksler afgiver varme til det varme brugsvand eller til fjernvarmenettet.

Da solvarmeanlæg producerer mest varme om sommeren, hvor vi har mindst behov for varmen, har store solvarmeanlæg lagertanke under jorden, hvor det varme vand kan lagres for at blive udnyttet i perioder med mindre sol. Anlæggene kan også kombineres med varmepumper, der kan udnytte selv lave varmetemperaturer i vandet.

Eksterne links til relevante artikler

DMI og Energinet i fælles front for bedre solskinsdata

Solcelletaget er på vej ud til masserne