Dette blogindlæg forklarer principperne og potentialet i forskellige vedvarende energikilder som sol, vind og geotermisk energi på en letforståelig måde.
Med hyppige ekstreme vejrbegivenheder, der for nylig har forekommet verden over, er interessen for miljøspørgsmål større end nogensinde. Især kul, som har en fremragende termisk effektivitet, men forårsager miljøforurening på grund af høje kuldioxidudledninger, har længe stået over for gradvis udfasning. Derfor er forskning og udvikling inden for vedvarende energi, som er en betydelig mindre belastning for miljøet end konventionelle ressourcer, aktivt i gang. I Korea accelererer forskellige institutioner som Korea Hydro & Nuclear Power og Korea Photovoltaic Industry Association udviklingen af vedvarende energiteknologier. Ud over den velkendte sol- og vindenergi, lad os undersøge, hvilke andre ressourcer der falder ind under vedvarende energi, deres respektive karakteristika og deres fremtidige potentiale.
Selvom vedvarende energi ofte kun minder om solvarme, er dens omfang meget bredere, end man skulle tro. For det første udnytter solvarme direkte den varme, der leveres af sollyset. Dette refererer til at bruge selve varmen til opvarmning, varmtvandsforsyning, madlavning osv. uden at gennemgå en separat elektrisk konverteringsproces. Eksempler inkluderer direkte udnyttelse af sollys gennem et hus' vinduer til dagslys eller brug af sollys til at opvarme vand til varmt vand eller opvarmning. I lande med store territorier som USA anvendes der også metoder, hvor solvarme koncentreres over store områder for at generere elektricitet i tårne. Den mest kritiske faktor at overveje i forbindelse med solvarme er 'solstråling'. Solstråling påvirkes af en regions breddegrad, klima og solskinstimer. Ved at justere vinklen på solfangere eller solcellemoduler kan den maksimale mængde solstrålingsenergi opfanges. Generelt er det effektivt at justere hældningen i henhold til regionens breddegrad om foråret og efteråret, reducere vinklen om sommeren og øge den yderligere om vinteren.
Brugen af solenergi har en meget lang historie. Et velkendt eksempel er historien om Archimedes i det antikke Grækenland i 212 f.Kr., der brugte spejle til at koncentrere sollys og sætte ild til romerske skibe. Senere, i slutningen af 1700-tallet, brugte den franske videnskabsmand Lavoisier solenergi til at generere temperaturer på over 1700 grader Celsius, hvilket forbedrede dens praktiske anvendelsespotentiale betydeligt. Moderne boligdesign maksimerer også naturligt lys ved at overveje bygningsorientering, vinduesplacering og glastyper. Effektiv energiudnyttelse muliggøres gennem brug af termiske lagringsenheder, varmtvandsbeholdere og tilhørende drivhuse.
Solcelleenergi omdanner den lysenergi, der genereres af brint, når det omdannes til helium i solen, til elektrisk energi. Dette opnås primært ved hjælp af solceller, samlet kaldet fotovoltaisk (PV) energi. Der findes flere typer solceller, hvor siliciumbaserede celler er de mest anvendte. Silicium findes i rigelige mængder i jordskorpen, hvilket gør det let tilgængeligt, selvom det kræver en renhed på 99.9999% eller højere. Højrent monokrystallinsk silicium produceres ved hjælp af 'Chokralski-metoden'. Denne proces involverer smeltning af polykrystallinsk silicium, fjernelse af urenheder og langsomt at trække en siliciumkrystal op for at få den til at vokse til en monokrystallinsk form.
Monokrystallinske solceller tilbyder høj effektivitet, men har høje produktionsomkostninger. I modsætning hertil har polykrystallinske siliciumceller en lidt lavere effektivitet, men drager fordel af reducerede skæretab og større økonomiske fordele. Derudover findes der galliumarsenidbaserede og indiumphosphidbaserede solceller, der kan prale af høj effektivitet og modstandsdygtighed over for høje temperaturer og stråling. Med den nuværende teknologi er det vanskeligt for monokrystallinske solceller at overstige 25% effektivitet på grund af forskellige tabsfaktorer (overfladerefleksion, seriemodstand, overskydende fotonenergi osv.).
Solceller er sammensat af grundlæggende enheder kaldet 'celler'. Et 'modul' består af 36 celler forbundet i serie. Ved at forbinde flere moduler i serie for at øge spændingen dannes en 'streng'. Et 'array' er en samling af flere strenge. Når man installerer et solcelleanlæg, skal forskellige faktorer tages i betragtning, herunder reduceret strømproduktion på grund af skygge, vintersnefald, problemer med varmeafledning og batteriets levetid. Selvom solenergiproduktion er yderst fordelagtig miljømæssigt, fordi den ikke udleder forurenende stoffer under produktionsprocessen, er det vigtigt at bemærke, at der nogle gange er behov for energiforbrug til opvarmning ved høj temperatur.
Vindenergi udnytter vindens kraft, der har udviklet sig fra gamle teknologier som hollandske vindmøller til moderne vindmøller. Vindkraftproduktion er særligt følsom over for placering og tid, da produktionen varierer betydeligt, hvilket gør forholdene på stedet kritisk vigtige. Vindmøller kategoriseres efter, hvordan deres vinger positionerer sig i forhold til vindretningen: 'mod vinden' (forreste vinger) og 'med vinden' (bageste vinger). Opvindmøller har svært ved at justere sig selv og kræver separate drivmekanismer eller haleblade. Omvendt kan nedvindmøller naturligt justere retningen, men deres ustabilitet i luftstrømme er en ulempe.
Vindmølledriftsmetoder er bredt opdelt i to typer: opretholdelse af et konstant tiphastighedsforhold for at forbedre outputeffektiviteten og justering af bladrotationshastigheden for at producere elektricitet ved en fast frekvens. Vindmøller genererer i sagens natur et vist støjniveau på grund af deres roterende drivkomponenter, men teknologisk forskning, såsom gearløse designs, fortsætter med at adressere dette problem.
Geotermisk energi udnytter varme fra Jordens indre og udnytter varme genereret ved radioaktivt isotophenfald eller varmeafgivelse fra kappen. Den gennemsnitlige geotermiske gradient er omkring 25-30 grader Celsius pr. kilometer, men i regioner med aktiv geotermisk udvikling, som Pohang i Sydkorea, kan den nå 100 grader Celsius pr. kilometer. Geotermisk energi er stort set upåvirket af vejr eller sæsonbestemte ændringer og tilbyder den betydelige fordel ved stabil energiforsyning døgnet rundt. Den mest almindelige metode involverer indsprøjtning af koldt vand i undergrunden gennem borehuller og udvinding af det opvarmede vand til opvarmningsformål. Ud over højtemperatur-geotermiske systemer og metoder, der udnytter naturlige jordtemperaturer, er der forskning i Enhanced Geothermal Systems (EGS), en dyb geotermisk udviklingsmetode. Denne teknologi er dog fortsat dyr. Desuden involverer en udbredt metode installation af rør under jorden i bygninger for at udnytte geotermisk energi til køling om sommeren og opvarmning om vinteren.
Når geotermisk energi anvendes til elproduktion, kategoriseres systemer baseret på det anvendte varmeoverføringsmedium, såsom tørdamp, single-flash, double-flash eller dual-cycle elproduktion. Disse systemer får opmærksomhed for deres evne til at levere stabil energiforsyning uden at være afhængig af konventionelle fossile brændstoffer.
Bioenergi er energi udvundet af organisk materiale eller biprodukter fra planter og dyr, med repræsentative eksempler som biodiesel, biomethan og bioethanol. Dette omfatter også indsamling af gas genereret fra lossepladser til brug som energikilde. Biobrændstoffer produceres gennem termokemisk omdannelse (blanding af kulilte og brint for at skabe andre kulbrinter) eller fermenteringsmetoder (ved hjælp af gær til at omdanne sukkerarter til ethanol). Sådan bioenergi vinder især frem som et praktisk alternativ til at erstatte transportbrændstoffer.
Jeremy Rifkin, præsident for det amerikanske institut for økonomiske trends, forudsagde i sin hovedtale på Energy Grand Forum i 2014, at "efterhånden som vedvarende energiteknologier udvikler sig, vil de marginale omkostninger ved elproduktion nærme sig nul inden for de næste par årtier." I sin bog The Zero Marginal Cost Society forudsagde han, at udviklingen af Tingenes Internet (IoT) ville forbinde kommunikation, transport og energi i et enkelt netværk, hvilket ville give anledning til en ny økonomisk struktur, hvor produktionsomkostningerne for energi og varer ville blive ekstremt lave. Omkostningerne ved produktion af vedvarende energi, som nåede 68 dollars pr. watt i 1970'erne, er nu faldet til 60 cent. Det ser ud til, at en 'energidelingsæra' nærmer sig, hvor alle direkte kan producere energi og dele overskydende elektricitet med andre.
Teknologisk udvikling for at overvinde ustabiliteten inden for vedvarende energi er også aktivt i gang. For eksempel anvendes LG Chems energilagringssystem (ESS) på LG CNS's vedvarende energikraftværkssystem, 'Microgrid Solution'. Dette gør det muligt at lagre og levere elektricitet genereret af solenergi i perioder med spidsbelastning. Dette ændrer den traditionelle 'produktion-forbrug'-energistruktur til en 'produktion-lagring-forbrug'-model, hvilket kompenserer for de produktionsudsving, der er forbundet med vedvarende energi. Især da andelen af vedvarende energi overstiger 10 % af den samlede elproduktion, kan ustabilitet i nettet blive problematisk; ESS er anerkendt som en nøgleteknologi til at imødegå denne udfordring.
For at forberede os på fremtiden har vi brug for en grundig forståelse af ressourcer som solvarme, solceller, vind, geotermisk energi og bioenergi – dem med lav miljøforureningsrisiko og et højt potentiale for termisk effektivitet. Vedvarende energi vil blive en afgørende nøgle, der ikke blot transformerer alternativ energi, men hele den fremtidige sociale struktur og det økonomiske system. Hvor godt vi forstår og forbereder os på denne teknologi nu, vil afgøre, om en renere og mere bæredygtig fremtid udfolder sig.
