Solens stråler er i sidste ende kilden til al energi her på jorden, når der ses bort fra geotermi og atomkraften. Det er solens stråler, der muliggør plantevækst og dermed bioenergi. Plantevækst i fortiden førte til vores reserver af gas, olie og kul. Solen står også bag vindens energi.
I stedet for disse indirekte måder at bruge solenergien på er det jo en nærliggende tanke at opsamle energien fra solen direkte og bruge den til varme eller el-fremstilling. Solens indstråling på jorden udgør i øjeblikket ca. 6000 gange klodens totale energibehov. Selv med en voldsom udvikling i energiforbruget de næste 30 år, vil der stadigvæk være 3500 gange så meget energi, som vi har brug for (1).
Desværre bliver denne kolossale mængde energi spredt ud over næsten halvdelen af jordkloden, dvs. den side, der vender mod solen. Derfor kræver en opsamling af nævneværdige mængder et stort areal.
Solenergi er også meget svingende, fra et maksimum midt på dagen til ingenting om natten. Hertil kommer store variationer mellem årstiderne, og udsvingene bliver større, jo længere væk fra ækvator man befinder sig.
På Danmarks ambitiøse vej mod en 70 % reduktion af CO2-udledningerne er solenergien udset til at spille en væsentlig rolle. Men hvordan vil det virke i praksis?
Teknologien
Grundlæggende findes der tre forskellige teknologier til udnyttelse af solenergi.
CSP
Concentrated Solar Power, hvor man lader et stort antal spejle sende solens stråler mod et centralt tårn, hvor f.eks. vand eller saltsmelte varmes op. Varmen er meget koncentreret, og der kan opnås høje temperaturer, som er velegnede til el-fremstilling. Anlæggene kan dække meget store arealer og opnår derved en rimelig elektrisk kapacitet (1). CSP-anlæg har vi ikke i Danmark. Her er for få solskinstimer pr. år, og generelt står solen for lavt på himlen, til at sådanne anlæg kan svare sig. Denne teknologi vil derfor ikke blive berørt yderligere her.
Solpaneler
Solpaneler var den oprindelige måde at udnytte solens stråler på. Vand strømmer igennem rør eller kanaler bag en mørk overflade, der vender mod solen. Solstrålerne varmer panelet op og vandet, der forlader det, vil have fået en væsentligt højere temperatur. Hermed har man vand til fjernvarme eller varmt brugsvand. Solpaneler egner sig dog ikke til fremstilling af elektricitet. Solpaneler vil blive behandlet i en senere artikel.
Solceller
Solceller omdanner sollyset direkte til elektrisk strøm (2). Den producerede strøm skal i gennem en såkaldt inverter, og derefter er den klar til at blive sendt ud i nettet. Solcellernes bidrag til elektricitetsforsyningen er således analog til vindmøllernes, den producerede mængde strøm følger hvad kilden (solen eller vinden) giver her og nu.
Solcellepaneler er teknisk relativt komplicerede og dyre, og deres effektivitet er ikke så høj. De bedste kan udnytte ca. 20 % af energien fra solstrålerne. Der eksperimenteres meget med forbedringer i teknologien. Der er metoder til at fremstille billigere solcellepaneler, men desværre har de også en lavere effektivitet (2).
Solceller i Danmark
Ved udgangen af 2019 var der i alt installeret 1.072 MW solceller til elektricitetsfremstilling i Danmark. I 2019 var produktionen 963 GWh (3). Det svarer til en udnyttelse af effekten på ca. 10 %. Teoretisk kan man naturligvis ikke nå op til 100 %, da solen ikke skinner om natten, og indstrålingen er meget lavere om morgenen og om aftenen, samt i hele vinterhalvåret. Men ser man til sammenligning på vindmøller, ville den tilsvarende udnyttelse af effekten være på omkring 50 %.
Solcellerne er koblet op til den nationale elektricitetsforsyning, men produktionen er om muligt endnu mere svingende end møllernes. I 2018 var timerekorden således 715 MWh og døgnrekorden 6,4 GWh (4). Timerekorden svarer til ca. 20 % af forbruget, mens døgnrekorden dækkede omkring 6 %.
Til gengæld er der masser af dage, hvor solcellerne absolut ikke leverer noget som helst. Det samme er selvfølgeligt tilfældet hver nat. Over årstiden svinger produktionen også meget, som vist på fig. 1:
Her i 2019-2020 giver solcellerne ikke noget stort bidrag til det samlede elektricitetsforbrug, det svinger på månedsbasis mellem 0,3% om vinteren op til ca. 7 % om sommeren.
Imidlertid er der store planer for en udbygning af solcellekapaciteten, der tales om at dække fra 20 % (6) og op til 70% (7) af behovet.
Der findes en tommelfingerregel, der siger, at man får ca. 750 MWh energi pr. hektar solceller. De 20% vil således kræve installation af solceller på et areal på 7200 hektar (6). For 70 % kan man så regne ud, at der skal bruges ca. 25.000 hektar, eller 250 km2. Det svarer til næsten hele Langelands areal. Hvis man nu i stedet sætter solcellerne på hvert eneste hustag i landet, kan man nå ned på et arealbehov på jorden på omkring halvdelen af Langeland (7).
En sådan voldsom udbygning vil dog forstærke ubalancen i energiforsyningen. Fig. 2 viser kurverne fra fig. 1, men nu er de to fremtidsscenarier, 20 og 70 %, medtaget. Ved 20 % har solenergien stadigvæk et stykke vej, før den dækker hele landets forbrug, om vinteren dækker den kun 2,5 % mens den om sommeren når op over 55 %. Her vil der allerede være problemer, fordi de 55 % produceres i løbet af dagtimerne, men forbruget løber over hele døgnet, så vi kan let komme til om dagen at producere mere, end der er brug for.
Helt galt går det, hvis man satser på, at 70 % af el-behovet skal dækkes af solenergi. Om vinteren er vi oppe på godt 8 %, hvilket ikke frembyder større vanskeligheder. Men om sommeren vil der være en produktion på næsten 200 % af behovet, og igen er det om dagen, det er værst, her kan vi ende på 300 % eller mere af aftrækket.
Systemet vil åbenlyst kun fungere, hvis man er i stand til at lagre dette kæmpe overskud af strøm, eller hvis det kan eksporteres, hvilket nok er mere tvivlsomt, da nabolandenes solceller sikkert også producerer på livet løs.
I eksemplerne her ser vi på solcellerne isoleret, men der kommer jo også strøm fra vindmøllerne + eventuel kraftvarme-produktion. Dermed vil overskuddet på en solrig sommerdag med lidt vind nå langt op over, hvad vi med rimelighed kan forvente at eksportere. Og samtidigt er der ikke gjort meget for at dække behovet om vinteren.
Solcellernes økonomi
Private solcelleanlæg har kun givet ejerne et fornuftigt afkast på investeringen så længe, de meget rundhåndede regler om afregning af strømmen var i kraft. Frem til 2012 var det f.eks. sådan, at ejeren, fritaget for statslige afgifter, kunne bruge sin samlede årlige produktion på de tidspunkter, der passede vedkommende og helt uafhængigt af hvornår, elektriciteten blev produceret. Den producerede overskudsstrøm blev solgt til elnettet til normal pris. Med årlig produktion og forbrug på f.eks. 5000 kWh ville staten således dække afgifter for 7500 kr. og elselskabet sørge for at de 5000 brugte kWh i realiteten ikke kostede noget (8). Med andre ord betød ordningen, at hele problemet med solenergiens ubalance mellem forsyning og forbrug blev dækket af elselskabet og ikke mindst staten.
I 2012 blev reglerne ændret, således at staten kun gav afgiftsfritagelse for strøm, der blev brugt samtidigt med, at den blev produceret. Derved forsvandt en stor del af den offentlige støtte, mens elselskabet stadigvæk håndterede ubalancen mellem produktion og forbrug. Ændringen medførte et kraftigt fald i udbygningen af solcelleanlæg til enfamilieshuse (8).
Før 2016 var der også en lukrativ statsstøtte til større kommercielle solcelleanlæg. Her kunne investoren de første 10 år være garanteret en mindstepris på elektriciteten (uden afgifter) på 60 øre/kWh. Med en spotmarkedspris på el på 20 øre, kunne det resultere i en udgift for staten på 400 millioner kr. pr. TWh produceret (8). Derfor blev også denne ordning ændret til noget mindre favorabelt.
Produktionsomkostningerne ved elektricitet fra solceller er vist i tabel 1.
Hvis solcellerne skulle dække 20 % af Danmarks elforbrug svarer det til en mérproduktion i forhold til i dag på ca. 7 TWh/år. Med ovenstående tal (2020) bliver investeringen heri knap 60 milliarder kr. Anlæg større end 1 MW kan dog nok fås noget billigere.
Konklusion
Elektricitetsfremstilling, der er baseret på solceller, er umiddelbart ikke så rentabel, og kun kraftige offentlige tilskud har ind til nu sat gang i udviklingen. For solceller er der meget begrænsede lagermuligheder i form af batterier, og de kan ikke på nogen økonomisk forsvarlig måde kompensere for udsvingene i forsyningen af strøm. De øvrige elementer i elnettet må her træde til.
P.t. er andelen af solenergi i elforsyningen beskeden, men der er store visioner om udbygning, og så bliver ubalanceproblemerne meget alvorlige – og i praksis måske næsten uløselige. Hertil kommer de gigantiske arealer, der skal bruges til solcellerne. Hvis de f.eks. skal dække 20 % af Danmarks elektricitetsforbrug, vil det kræve et areal på over 70 km2, dvs. næsten ¾ af Amager.
Men uden lagring af elektriciteten kommer det under alle omstændigheder aldrig til at fungere.
Referencer
(1): https://fremtidensenergi.dk/solenergi/
(2): https://www.teknologisk.dk/ydelser/information-om-solceller/39718
(3): https://energinet.dk/Om-publikationer/Publikationer/Miljoerapport-2020
(4): https://energinet.dk/Om-nyheder/Nyheder/2019/01/07/Solenergi-slog-rekord-i-varmt-2018
(5): https://energinet.dk/Gron-omstilling/Noegletal-om-den-gronne-omstilling#vedvarende
(6): https://ing.dk/artikel/spoerg-fagfolket-hvor-mange-solceller-kan-daekke-danmarks-energibehov-215087
(9): https://ve.dk/wp-content/uploads/2013/01/energivision_2014_baggrundsnotat_sol.pdf
Danish
Du har nok ret i, at solenergi ikke vil komme til at betyde noget særligt i Danmark.
Globalt set er forholdene imidlertid anderledes. Jeg har ofte ladet fysikelever beregne hvor stort et areal det kræver at dække hele verdens energiforbrug med et anlæg placeret i Sahara og en nyttevirkning på blot 8 %.
Det kan gøres med et kvadrat på blot 600 * 600 km. Eller fint illustreret af Wikipedia, hvor der under “solenergi” findes et verdenskort med sorte klatter, som viser arealet spredt ud over kloden.
Men det kræver en del opfindelser og produktudvikling, så solenergien kan omformes til et fast eller flydende brændstof, som kan lagres og transporteres. Dette vil nok tage en del tid.