3. Produktion af energi

Kapitlet dækker:

1. Solenergi
2. Vindenergi
3. Geotermisk energi
4. Vandenergi

I kapitlet her vil vi ikke bruge lang tid på at forklare, hvordan den aktuelle situtation er, og hvordan vi i dag producerer el og varme. I stedet vil vi bruge tid på at oplyse dig om vedvarende energikilder, som allerede eksisterer, og som formentlig vil blive fremtidens energikilder. Virkemåden på disse vil blive forklaret ud fra de tidligere kapitler, og så kan det være, at det bliver netop dig, der skal være med til at gøre disse energikilder klar til fremtiden.

Her ses hvordan røg lukkes ud i luften og er med til at forurene den.

Hvis vi for alvor skal løse energiknuden og udvikle energisystemer, som både er grønnere og mere effektive, er det vigtigt, at så mange som muligt er med til aktivt at forme vores fremtid. Vedvarende energikilder energikilder som sol, vind og vand er fremtidens energikilder, og vi er allerede i en rivende udvikling på dette område.

The Simple Show kommer med ders forklaring af situationen i dag, og kommer med deres forslag på hvordan fremtiden skal skabes.

Globus med bredde- og længdegrader. Alle breddegrader har samme indbyrdes afstand nemlig 111,12 km.

Mængden af den energi, der findes i solens stråler kaldes solarkonstanten. Den angiver, hvor stor en effekt solens stråler har på en overflade på 1 m² målt vinkelret i forhold til solen, dvs. at de rammer lodret ned på fladen. Solarkonstanten er på 1367 W/m². Denne værdi er målt på ydersiden af Jordens atmosfæren, men som omtalt er det kun en del af strålingen, der rammer Jorden. Afhængig af skyforhold og breddegrader er den reelle effekt, der når jordoverfladen på ca. 1000 W/m². Ved ækvator er indstrålingen størst, og jo længere nord eller syd på man måler, desto lavere er indstrålingen pr. m² på jordoverfladen, hvis man placerer sig vinkelret på solen er solindstrålingen næsten lige stor over hele kloden.

Solens spektrum. Solens synlige lys er kun en lille del af lysspektret. Ved større bølgelængder findes infrarødt lys og mikro-

bølger. De lavere bølgelængder er ultraviolet lys og røntgen stråler.Solindstrålingen ville være højere, hvis Jorden var placeret tættere på solen. I vores solsystem er den planet, som er tættest på solen, Merkur. Den har en maksimal soleffekt på over 14.000 W/m², hvilket er medvirkende til, at Merkur kan opnå dagtemperaturer på over 450 °C.

Hvis al energien i solens stråler blev optaget og gemt i dyr, planter og jordbund, ville temperaturen på Jorden stige eksplosivt. Heldigvis er det ikke tilfældet, for Jorden sender også stråling tilbage til universet. Alle legemer (mennesker, sten, dyr, planter, etc.), som har en temperatur over det absolutte nulpunkt, udsender varmestråling. Jorden udsender stråling hele døgnet over hele Jorden. Om dagen mærker vi det ikke, da den indkomne stråling er større end den udgående, men om natten bliver det køligere, fordi der ikke er nogen solindstråling. Set over et helt døgn eller et helt år, udsender Jorden den samme mængde varmeenergi, som den modtager. Derfor har middeltemperaturen gennem tusinder af år været stort set konstant indtil år ca. 1900.

dfdf

dfdf

Solvarme

En solfanger bygger på et simpelt princip om at udnytte solens energi til at opvarme vand. En simpel solfanger er en isoleret kasse dækket med glas. Under glasset er en sort plade, der fungerer som en absorber. Den absorberer energien i solen stråler, og omdanner det til varme. Varme overføres til nogle rør, som ligger på bagsiden af absorberen. I rørene løber en væske, som er en blanding af vand og en frostsikret væske. Væsken transporterer varmen væk fra solfangeren og hen til en varmtvandsbeholder. Her afgives varmen fra væsken til vandet, som opvarmes. Den afkølede væske sendes tilbage til solfangeren for igen at blive opvarmet af solen. Vandet i beholderen kan så anvendes til bad, opvask, tøjvask eller opvarmning af en bolig.
Figur 3.1.4. Solfanger på et hustag.Glasset i solfangeren har samme funktion, som glasset i et drivhus, og gør at solfangeren bliver meget varm. Solvarmeanlæg kan installeres på taget af bygninger eller på store lukkede arealer. Solfangere kan fungere med diffust lys i modsætning til solceller, som skal have direkte lys.

Glasset i solfangeren har samme funktion, som glasset i et drivhus, og gør at solfangeren bliver meget varm. Solvarmeanlæg kan installeres på taget af bygninger eller på store lukkede arealer. Solfangere kan fungere med diffust lys i modsætning til solceller, som skal have direkte lys.

Potentialet for solvarmeanlæg er stort. I Danmark kan en solfanger på 1 m² give omkring 500 kWh på et år. Det svarer til at en solfanger på 5 m² dækker 60% af det årlige behov for varmt brugsvand til en familie på 4 personer. I sommerperioden kan den dække 100% af behovet. Når der ikke er tilstrækkeligt med energi fra solen, kan man anvende en varmepumpe som supplement. Dermed opnås en sikkerhed for, at en husstand altid kan få dækket varmebehovet.

Solceller

Den meget store mængde energi, der findes i solens stråler, kan på elegant vis omdannes til elektrisk energi, der kan udnyttes i de apparater og maskiner, vi bruger i hverdagen. Solceller omdanner solens stråler direkte til elektrisk energi ved det, der kaldes Fotovoltaisk effekt. Den blev opdaget af den franske fysiker A. C. Becquerel i 1839, men først i midten af sidste århundrede fik det praktisk anvendelse. I starten blev solceller anvendt i områder, hvor det enten var uøkonomisk eller meget besværligt at skabe en forbindelse til det eksisterende elnet f.eks. afsidesliggende beboelsesområder. I rumfart blev solceller imidlertid meget anvendt, da de kun vejer lidt, og solstrålingen i rummet er meget kraftigere end på Jorden, hvilket sikrer satellitter og rumstationer en sikker strømforsyning.

Satellitter, som orbiterer om Jorden, benytter solceller som energikilde.Solceller er i dag en moden og gennemprøvet teknologi, som ikke skal igennem flere besværlige udviklingsfaser. Det gør solceller til et godt alternativ til den nuværende elforsyning baseret på fossile brændsler. Mindre solceller kan anvendes til lamper, busstoppesteder, lyssignaler og lignende.

En solcelle er opbygget af et absorberende materiale kaldet en halvleder, oftest silicium, hvorpå solen stråler rammer. Solstråler er fotoner, som vi kan opfatte som små pakker med energi. Når en foton rammer solcellen, absorberes noget af dens energi af halvlederen, og en elektron bliver slået løs, så den kan vandre frit i materialet. Samtidig skabes et elektrisk felt, som tvinger elektronerne til at vandre i samme retning. Elektroner der vandrer, er netop det, vi kender som elektrisk strøm.

De mest udbredte solceller er monokrystallinske silicium celler. Silicium (Si) har atomnummeret 14 og har dermed 14 elektroner i alt. Silicium danner et krystalgitter så hvert Si-atom deler 4 elektroner med 4 andre Si-atomer. Det samlede antal elektroner i yderste skal er dermed 8 og Oktet-reglen er opfyldt.

Det periodiske system. (Klik for fuld størrelse)

Elektronkonfigurationen for silicium og et udsnit af gitterstrukturen for silicium. En solcelle består at 2 lag af Si-krystaller. Hvert lag er ”forurenet” med et ekstra grundstof, og normalt anvendes Fosfor (P) og Bor (B). Elektronkonfigurationen for Fosfor og Bor er vist i figur 3.32 og de har henholdsvis 5 og 3 elektroner i deres M-skal.

Elektronkonfiguration for fosfor og bor.

Når man ”forurener” ét stof med et andet vil det sige, at man tvinger et atom med en anderledes elektronkonfiguration ind i krystalgitteret. I Si-solcellen opstår det, man kalder et N-lag og et P-lag. I N-laget tvinges et atom, der har 5 elektroner ind i yderste skal, og der vil derfor være frie elektroner som bevæger sig frit. I P-laget indfører man et atom med kun 3 elektroner i yderste skal, og der vil opstå ”huller”, der ligesom de frie elektroner kan bevæge sig.

Hvis N-laget og P-laget placeres i berøring med hinanden vil de ekstra elektroner fra N-laget hoppe over til de tommer ”huller” i P-laget. Dette fænomen vil ske meget oftere, hvis solen skinner på solcellen. Så vil energien fra lyset i form af fotoner løsrive elektroner fra krystalgitteret og bevæge sig fra N-laget til P-laget. Elektroner i bevægelse er netop det, vi kender som strøm og forbindes de to lag gennem et ydre kredsløb kan man producere elektricitet.

Princippet i en silicium solcelle. Solenstrålernes energi løsriver elektroner, som bevæger sig i et eksternt kredsløb.

Udfordringer

Selvom solenergi kan lyde som fantastisk løsning er der dog stadig nogle udfordringer forbundet med anvendelse af den.  Solartermisk energi involverer indsamling af solstråler gennem solfangere (hvilket ofte involverer store spejle) har brug for store landområder til indsamling. Dette påvirker det naturlige økosystem, hvilket betyder de planter og dyr, der lever der. Desuden følger også en miljøpåvirkning, når bygninger, veje, transmissionskabler og transformatorer til anlægget skal bygges.  Solceller bruger den samme teknologi som til produktion af silicium-chips til computere. Denne fremstillingsproces bruger giftige kemikalier. Der anvendes også giftige kemikalier til fremstilling af batterier til at lagre solenergi i. Så før vi kan kalde denne teknologi for fremtidens energikilde er der nogle udfordringer, som skal løses.

Fremtidigt potentiale

Solceller har allerede fundet vej ind i hverdagen i form af energikilde til simple lommeregnere og lignende, og de sidste år kommer de mere og mere frem som energikilder til større anvendelser. Eksempelvis bruges solceller i dag til at forsyne P-automater i København med strøm. Den danske stat har i dag en fordelsordning til husstande med solceller. Det har betydet, at rigtig mange borgere i 2012 har valgt at sætte solcelle på taget af deres hus, og pr. september 2012 er der i Danmark registeret solceller for i alt 117,7MW (læs mere her). Vi kan altså se, at der allerede er stort potentiale i denne teknologi.

P-automater i Københavnsområdet er i dag drevet af solsceller. Derved behøver automaten ikke at være koblet til elnettet, dvs. vi sparer kabler. Der bliver ikke dannet så meget energi, men automaten bruges ikke så ofte og i standby-mode oplageres energien.

[ssquiz id=”17″]

Vindenergi

Vindenergi er den af de omtalte vedvarende energikilder, der i dag er mest anvendt. Mennesket har allerede et nogle tusinde års erfaring med vindenergi. Man har ved hjælp af sejlbådes sejl udnyttet vindens energi til fremdrift. Bondemænd har brugt vindmøller til at pumpe vand op fra undergrunden, og gennem århundrede har møllere brugt vindmøller til at male mel.

Vindmøller udnytter vinden og omdanner dennes kinetiske energi til elektricitet.

Hvorfor blæser vinden?

Vind kaldes også blæst, og er defineret ved, at luft bevæger sig med en hastighed på over 0,2m/s. Luften bevæger sig, fordi der hele tiden opstår områder med trykforskel i den nederste del af vores atmosfære, kaldet troposfæren. Trykforskellene opstår ved at Solen opvarmer Jordens overflade og de nederste luftlag forskelligt. Når luften opvarmes bevæger molekylerne sig hurtigere, og luftens densitet falder – der er færre molekyler pr. volumenenhed. Molekylerne bevæger sig tilfældigt rundt i mellem hinanden, nogle gange støder de sammen, andre gange støder ind i deres omgivelser. Når de støder ind i de omgivende flader udøver de en kraft på fladerne både opad nedad og til siderne.

En beholder med molekyler, som bevæger sig vilkårligt rundt. Hver gang et molekyler rammer beholderens væg udøver det et kraft på væggen. Det opfattes som at alle molekylerne trykker på beholderens vægge.

Vind opstår, når luften strømmer fra områder med meget luft til områder med mindre. Områder med mere luft end de omkringliggende områder kaldes højtryk og omvendt kaldes områder med mindre luft lavtryk. Jo større trykforskel og jo tættere områderne ligger på hinanden desto større vindhastighed.

Det betyder, at når luften opvarmes af Solen eller stråling fra jorden, falder trykket, fordi luften udvider sig. Luftsøjlen kommer til at fylde mere, og vil øverst oppe begynde at strømme ud til siderne. Ved jorden er der skabt et lavtryk, fordi den samlede masse af luftsøjlen er blevet mindre. Hvis en luftmasse afkøles vil luftsøjlen fylde mindre, og i toppen af luftsøjlen vil luft fra omgivelserne strømme til. Hermed er der opstået et højtryk, fordi den samlede masse af luft i luftsøjlen er blevet større.

I kystnære områder opstår der særligt om foråret og i forsommeren lokale strømningssystemer, der medfører pålands- og fralandsvind selvom den overordnede vindretning er en anden. Fænomenet kaldes søbrise og landbrise og opstår når luften over land opvarmes og trykket falder. Når havet er koldt vil luften over havet også være kold, og der opstår en luftstrøm fra havet og ind over land. Luftmassernes bevægelser medfører desuden, at luft henholdsvis fjernes og ophobes i forskellige områder. Disse bevægelser er med til, at skabe nye trykforskelle og dermed nye strømme.

Grunden til at landområder bliver koldere end havet er, at jords varmekapacitet er lavere end vands. Dermed skal der mere energi fra Solen til at opvarme havet før den kan opnå samme temperatur som landjorden.

Vindmøllens teknik

En vindmølle er grundlæggende en maskine, som omdanner den kinetiske energi (bevægelsesenergi) i vinden til elektrisk energi. Først omdannes den kinetiske energi i luften vha. en rotor til mekanisk rotationsenergi (kinetisk energi). Derefter omdannes rotations energien til elektrisk energi i generatoren.

Kinetisk energi i vinden omdannes til elektrisk energi vha. rotor og generator i vindmøllen.

Princippet med at udnytte vindens kinetiske energi har været kendt i flere hundrede år, men det store gennembrud kom først, da man begyndte at udnytte aerodynamiske vingeprofiler. Teknologien stammer fra flyindustriens udvikling af vinger til fly. Forskellen på disse vinger og de skråtstillede vinger på de gammeldags vindmøller er, at de ikke bare udnytter trykket, som vinden skaber på forsiden, men også undertrykket på bagsiden. Denne strømning omkring profilerne betyder, at en større del af energien kan udnyttes.

En vingeprofil af en vindmøllenvinge

Møllerne består af fire hoveddele, fundament, tårn, nacelle (møllehuset) og rotor. Fundamentet på en landbaseret mølle består normalt af en betonklods. På havet anvendes lignende fundamenter, hvis bundforholdene og havdybden tillader det. Der kan også anvendes pælefundamenter, som bankes ned i havbunden. For en stor del af verdens have er dybderne så store, at det er meget omkostningsfyldt, at anvende disse fundamenter, derfor arbejdes der på udvikling af flydende fundamenter.

Oven på fundamentet er tårnet monteret. Der har gennem tiden været anvendt mange forskellige tårntyper, men for moderne møller er lukkede rørtårne de mest anvendte. Tårnhøjde kan varieres efter vindforholdene og lokale restriktioner, men for de mest anvendte møller af størrelsen 2-4 MW, anvendes der normalt tårne fra 80 m og opefter. Tårnene består af koniske sektioner, som boltes samen til det færdige tårn. Der er adgang til tårnet igennem en luge i bunden og indvendig er tårnet udstyret med trapper eller lignende, der gør det muligt at komme op til møllehuset (nacellen).

Hovedbestanddelene i vindmøllen. Gearet sørger for at generatoren får de nødvendige omdrejninger til at kunne producere el.

En vindmølle består i store træk af en drivaksel, en gearboks og generator. Drivakslen er den aksel som vindmøllens vinger sidder fast på. Når en luftstrøm passerer møllen, drejer vingerne rundt, og det får drivakslen til at dreje rundt med den samme hastighed. Gearboksen bruges til at overføre rotationsenergi fra drivakslen til en anden stang, kaldet rotoren. Gearet ændrer omdrejningshastigheden, sådan at rotorens hastighed er større end hastigheden af drivakslen. Princippet med et gear kendes fra en cykel, hvor den hastighed pedalerne drejer rundt med, ikke nødvendigvis svarer til hjulets omdrejningshastighed.

Der findes to måder at operere en vindmølle på. Den ene kaldes fikseret-hastighed og den anden variabel-hastighed. I fikseret-hastighed vindmølle kan kun rotere med en bestemt hastighed nemlig den der er bestemt af netfrekvensen. I Europa er det 50 Hz dvs., at generatoren leverer vekselspænding ved 50 Hz. Variabel-hastighed vindmøller er ikke låst fast til netfrekvensen. Deres rotorhastighed kan variere efter hvor meget vinden blæser og derfor leverer generatoren ofte ikke 50 Hz. Derfor anvendes en frekvensomformer imellem generatoren og elnettet så vindmøllen i sidste ende leverer elektricitet ved 50 Hz.

Energi i vinden

Vi vil her beregne, hvor meget energi, der er i vinden. Som udgangspunkt anvendes formlen for kinetisk energi:

E_kin= 1/2 · m · v²

hvor m er massen og v er hastigheden.
Vi betragter luften som en gas, og massen af en gas er defineret som:

m = p · V

hvor p er gassens densitet (massefylde) og V er volumen af gassen. Volumen for gassen er det volumen, som passerer møllens rotor pr. tidsenhed. Det overstrøgne vingeareal sættes til A og luftens hastighed sættes til v. Dermed vil det volumen, som passerer møllens rotor pr. tidsenhed være:

V = A · v

Massen er altså ikke en decideret masse, men en massestrøm. Denne massestrøm kan defineres som masse pr. tidsenhed:

massestrøm = p · A · v

Effekten i vinden kan dermed skrives som:

P_vind= 1/2 · massestrøm · v² = 1/2 · p · A · v³

En vindmølle omdanner den kinetiske energi fra luftmolekylernes bevægelse – det der i daglig tale kaldes vind – til rotationsenergi i vindmøllevingerne. Herefter omdannes rotationsenergien fra vindmøllevingerne til elektrisk energi i en generator.

Det er fysisk umuligt at omdanne al den mekaniske energi i vinden til elektrisk effekt. Hvis man gjorde det, ville det betyde, at luften ville stå helt stille på bagsiden af møllen. Teoretisk set er det muligt at omdanne op til 59% af vindens energi. I praksis kan vindmøller nå en omsætning af ca. 50% af vindens energi til elektrisk energi.

Fremtidigt potentiale

På verdensplan er der et kæmpe potentiale for udnyttelse af vind i vindmøller. Den installerede kapacitet er vokset med en årlig rate på 27% mellem 2000 og 2008, fra 17 GW til 120 GW. Det svarer til ca. 100 millioner menneskers årlige elforbrug, hvis de bruger ligeså meget som en gennemsnits dansker. Større og mere effektive vindmøller har sænket prisen på den producerede elektricitet, hvilket har gjort vindmøller konkurrencedygtige med konventionelle kraftværker, uden at vindmølleproducenter skal have statsstøtte.

Horns Rev som er en af Danmarks største offshore vindmølleparken. Den ligger 30 km ud for Jyllands vestkyst hvor vinden blæser meget. Vindmølleparken har en kapacitet på 209 MW og dække 200.000 hustandes årlige elforbrug.

Udfordringer

Vindmøller producerer strøm som vinden blæser. Derfor ligger en stor udfordring i at forudse vejret den næste dag, og hvor meget strøm der kan produceres. Således kan kraftværker medregne dette i deres planlægning og dermed vide, hvor meget strøm de selv skal producere ved hjælp af andre kilder. Dette er meget vigtigt af flere årsager: det er dyrere og dårligere for klimaet at have et kulkraftværk i drift end en vindmølle. Hvis vinden blæser meget giver det ikke mening at producere mere strøm end nødvendigt på kraftværker, når det kan komme “gratis” fra vindmøllerne.

Hvis der helt uforudset bliver vindstille fra den ene dag til den anden kan kraftværkerne ikke producere nok. I værste tilfælde kan frekvensen i elnettet falde til under et kritisk niveau, og der opstår en strømafbrydelse. Med det sidste scenarie in mente er det klart, at der findes en grænse for, hvor meget vindenergi der kan implementeres i energiforsyningen, indtil tilstrækkelige lagringsmuligheder er fundet. I Danmark kan ca. 25% af vores elektricitetsforsyning komme fra vindmøller.

Link til kapitel 4: Solenergi