Solenergi - arealberäkningar och ekonomi

Arealåtgång för solenergi - beräkningar baserade på nya driftsdata

Shams 1 Världens största solkraftsanläggning, Shams 1, är av typen CSP (Concentrated solar power) och har nu, jan 2014, data för det första årets drift. Anläggningen tar upp 2,5 km² markyta och har levererat 210 GWh på ett år, alltså 84 GWh per år och km². Dock är anläggningen en kombination med naturgas och uppgifterna är oklara om siffrorna gäller total produktion eller solenergins andel.

En undersökning av den faktiska arealanvändningen för solenergianläggningar i USA visar att solcellsanläggningar (PV) med storlekar mellan 1 och 20 megawatt kapacitet använder 3,4 hektar per MW. För större solcellsanläggningar behövs 3,2 hektar per MW. Anläggningar för koncentrerad solkraft (CSP) behöver 4,1 hektar per MW. När man mäter levererad energi snarare än kapacitet, har de större solcellsanläggningarna (1,40 hektar per gigawatt-timmar per år) och CSP-anläggningarna (1,42 hektar / GWh / år) lite bättre värden än mindre solcellsanläggningar (1,66 hektar / GWh / år). Annorlunda uttryckt är årsproduktionen cirka 71, 70 och 60 GWh/år/km² (källa Dave Levitan IEEE Spectrum)

Den globala energianvändningen totalt inklusive olja, kol, gas, kärnkraft och förnyelsebara energikällor var 143 851 TWh år 2008 (källa: Wikipedia). För att klara klimatmålen vore det en tänkbar plan att upphöra med all fossilförbränning och istället producera all energi med solenergianläggningar. Om man räknar med en arealproduktion på 70 GWh/år/km² skulle det behövas omkring 2,0 miljoner km² mark för dessa anläggningar. En miljon km² motsvarar 100 x 100 mil, vilket är detsamma som enheten kvadratmegameter, Mm².

Uttryckt med detta mått skulle arealbehovet vara 2,0 Mm², vilket kan jämföras med Saharas öken som är 9,4 Mm², Arabiska öknen - 2,3 Mm², Gobiöknen - 1,3 Mm², Kalahariöknen - 0,9 Mm², Patagoniska öknen - 0,67 Mm², Great Victoria öknen i Australien - 0,65 Mm², Syriska öknen - 0,52 Mm², Great Basin öknen i USA - 0,49 Mm² (källa Wikipedia).


Modifierad bild från källa: Desertec-UK/

Jämförelsen med öknar visar att det kanske finns tillgängliga ytor för dessa enorma behov, men det är inte en obetydlig del av öknarnas ytor som skulle tas i anspråk om all energikonsumtion skulle tillgodoses av solenergi.

Man kan också jämföra ytbehovet med Sveriges yta som är 0,45 Mm². Det är inte lätt att föreställa sig en yta mer än fyra gånger Sveriges yta täckt av solenergianläggningar.

Om man fördelar dessa 2 Mm² på planetens alla 7,2 miljarder invånare får man 2 * 10^12 / 7,2 * 10^9 vilket blir ungefär 290 m² per person, alltså ungefär 17 x 17 meter.

Detta är alltså storleksordningen på behov av yta om vi ska ersätta all fossil energi med solenergi producerad i ökenområden. Annan förnyelsebar energiproduktion reducerar visserligen behovet men samtidigt tenderar den globala energikonsumtionen att öka, så behovet av utbyggnad av solenergianläggningar är nog ändå i storleksordningen 2 Mm². Men frågan är om detta är möjligt? Finns det tillräckligt med naturresurser i form av metaller och annat för att bygga en sådan enorm mängd anläggningar?

Enligt Marc Jacobson, https://web.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/sad1109Jaco5p.indd.pdf som räknat på en övergång till 100% förnybar energi globalt i form av vattenkraft(9%), vindkraft(51%) och solenergi(40%) skulle stål och betong räcka till. För solceller av vissa typer behövs silver, tellurium och indium, vilka utgör en begränsning för en storskalig utbyggnad med de typerna av solceller, men andra typer av solceller behöver inte tellurium och indium och behovet av silver bör enligt Jacobson kunna minskas via teknisk utveckling. En total avveckling av fossilbränsledrivna fordon med övergång till elfordon kan bli problematisk på grund av brist på litiumfyndigheter till batterierna. Även övergång till fordon med bränsleceller blir problematisk på grund av brist på platina.

Ekonomiska aspekter på solenergi

Den nuvarande globala installerade sol-kapaciteten är ca 40 000 MW solceller och cirka 1 170 MW koncentrerad solenergi (CSP).

Solenergi i form av solceller har funnits i många år. Under de senaste åren har kostnaden för själva cellerna sjunkit snabbt tills priset nu är runt 1000 USD/kW. Vid detta pris har många tillverkare av solceller gått i konkurs. Solyndra konkursade med 500 miljoner USD i lån från amerikanska skattebetalare. Det kinesiska företaget Suntech, den största tillverkaren i världen, gick i konkurs med skulder på 1,6 miljarder USD.

Kapacitetsfaktor eller utnyttjandegrad är ett nyckeltal som används för att jämföra olika kraftverks verkliga produktion under ett helt år jämfört med dess teoretiska. Det vill säga verklig produktion per år dividerad med produktion per år vid 100 % kapacitetsutnyttjande under alla dagar i ett helt år, 24 timmar per dygn. (källa Wikipedia)

Eftersom kostnaderna är betydligt högre än från konventionella källor är utvecklingen av solenergi helt driven av subventioner. För bostadsinstallationer utgörs subventionerna ofta av "nettomätning" som erbjuder samma pris för importerad och exporterad el. Om import och export är lika över ett år, betalar konsumenten ingenting. Men konsumentexport av el till nätet sker när den har ringa värde - till exempel sommareftermiddagar. I gengäld tar konsumenten dyr el från nätet varje natt, och i synnerhet under kalla, molniga vinterdagar och nätter. Konsumenten bidrar inte till kostnaden för systemet för överföring och distribution och kostnaden för generering och bränsle för att få sin el när solen inte skiner.

Nettomätning blir ett system som ger bidrag från fattiga konsumenter som inte har råd att köpa solpaneler till rika konsumenter som kan. Om alla hade solpaneler och nettomätning skulle elkraftsystemet inte fungera.

Som ett resultat av subventioner, har solenergi utvecklats på nordliga breddgrader där det finns mindre sol och där himlen ofta är molnig. Typiska värden för kapacitetsfaktorn i ökenområden är cirka 21%, men vid höga breddgrader kan den vara 10% eller mindre. Detta har lett till en situation där Tyskland är världens ledande marknad för solcellsanläggningar med en total installerad effekt på 17 GW och en kapacitetsfaktor på 10% under 2010. Den tyska regeringen minskar nu de mycket generösa inmatningstarifferna för att bromsa boomen i branschen och minska de 13 miljarder Euro som betalas ut årligen i stimulansåtgärder.

En stor nackdel med solenergi vid höga breddgrader är de efterfrågetoppar som nästan alltid uppstår under vinterkvällar. Detta är när solenergin är mycket låg eller, oftare, noll. Som ett resultat alstrar solenergin mest energi när den inte behövs och så gott som ingen när den behövs. Ett sätt att mildra detta problem skulle vara att komma fram till en teknik som kan ge låga kostnader och effektiv långtidslagring för el.

I Tyskland under 2010 var den totala mängden ström som genererades av solceller bara 12 TWh, eller 2% av den totala produktionen på 603 TWh. Om vi antar en genomsnittlig solcellskapacitet på 13 GW över hela året, skulle den teoretiska kapaciteten varit 114 TWh, vilket ger en kapacitetsfaktor på endast 10,5%.
Källa för ovanstående är huvudsakligen: Bryan Leyland 16 maj 2014 energybiz.com

Ett annat sätt att öka kapacitetsfaktorn kan vara att förlägga stora solenergianläggningar med dygnslagring vid lägre breddgrader och transportera strömmen via ett utbyggt elnät till högre breddgrader. Detta koncept förespråkas av Desertec foundation, som 2014 belönade den Spanska anläggningen Gemasolar med sitt förstapris. Gemasolar hör inte till de största anläggningarna, den är på 19.9 MW el och kan leverera ström i 15 timmar utan sol tack vare värmelagring i smält salt. Man levererar 110 GWh per år på en yta av 195 Ha, vilket innebär ungefär 56 GWh per år och km² och en kapacitetsfaktor på 75% (källa ises-online)

Prisutveckling på solenergi per kWh: (källa: greentechmedia)