Duurzame Energie: een Zonnige Toekomst

Transcriptie

1 Duurzame Energie: een Zonnige Toekomst Prof. Dr. Joop Schoonman Delft Instituut voor Duurzame Energie Technische Universiteit Delft Julianalaan BL Delft 16 en 17 december e Woudschotenconferentie, Noordwijkerhout 1

2 Zeppelingas in de bus 2 IJsland wil waterstofland worden Einde energiepremie: doodsteek voor zonne-energie in Nederland Dit land heeft andere prioriteiten gekozen Vermeende onveiligheid elektrische bussen

3 Watt nu? Inleiding: het energieprobleem Visie voor de toekomst Duurzame energie: - Bronnen - Conversie en opslag Zonne-energie Waterstof Slotopmerkingen 3

4 Het Energieprobleem (I) Toenemende wereldbevolking (in 2050 geschat op 10 miljard) Toenemend verbruik van fossiele brandstoffen Eindige voorraad op dit moment niet het probleem million tons of oil equiv million tons of oil equiv Coal Oil Gas Total 0 Coal Oil Gas Total year World Energy Consumption 1999 total: kj 40% 23% coal petrol 22% natural gas hydroelectric nuclear other: geothermal, solar, wind, wood, waste 7% 7% 1% year 4

5 Het Energieprobleem (II) Groeiende uitstoot van CO 2 Door opwarming kan ook methaan vrijkomen uit oceaanbodems versterkt het broeikaseffect (permafrost) CO2 concentration (ppm) year 5

6 Aarde warmt op, maar hoe snel? 6

7 Wereld-energieproductie De meest gebruikte energie is de goedkoopste en de meest vervuilende 7

8 Preventing dangerous climate change must be as a precondition for prosperity and a public good, like national security and public health 8 8

9 9

10 Toekomstscenario Spirit of the Coming Age Evolving Energy Forms Meeste energiescenario s voorspellen een grote toename van het gebruik van duurzame energie From: Energy Needs, Choices and Possibilities; Scenarios to 2050, Shell International,

11 Beleid Europese Unie Doel duurzame energie: 12% in 2010 (was 6% in 1997) 21% in 2010: electricity generation Directives for RE contributions to electricity grid Kyoto afspraken: (-) 8% GHGs in 2010 relative to 1990 Directives for RE contributions to electricity grid EU Document: Strategy and Action Plan on RE 11

12 Energy distribution options in a sustainable energy future 12 12

13 Energy triangle of the post-fossil-fuel era where solar hydrogen plays a core role 13 13

14 Motieven om zonne-energie te gebruiken: Onuitputtelijke ("hernieuwbare") bron van energie Milieuvriendelijk, mits goed ontworpen en gebouwd Enorm potentieel Op vrijwel alle plaatsen op aarde toepasbaar; Op veel manieren te gebruiken: van hele kleine systemen op afgelegen plaatsen, via systemen op daken van huizen tot grote zonnecentrales Multifunctioneel: bijvoorbeeld bouwelement en energiebron tegelijk 14

15 Solar Irradiation Power (W m -2 ev -1 ) Photon energy (ev) sunlight power received by the earth is 120 x W AM 1.5 irradiation power density = 1000 W m -2 solar energy received is 5 x 10 6 EJ / year (EJ = J) total energy demand in 2003 is 400 EJ / year mankind needs 20 x 10 6 Wh per person per year = 1 hour of sunlight per year!!! 15 15

16 Zonne-warmte 16

17 First Generation Solar Cells Crystalline silicon wafers 0.3 mm thick % pure material 15 % conversion efficiency too expensive 17 17

18 Silicium Zonnecellen Een typische zonnecel heeft een efficientie van 10%, dus gemiddeld midden op de dag is het electrisch vermogen typisch 100 W/m 2 Energie (N. Europe) 80kWh/m 2 Als 0.13% van het aardoppervlak met PV panelen bedekt zou zijn = huidige energie vraag! Het is een kwestie van schaal en economie! Vandaag de dag is PV te kostbaar is er een alternatief? 18

19 Efficientie van zonnecellen Type Praktijk Laboratorium eenkristallijn Si 15% 24% mc-si 14% 20% amorf Si 5-8% 10% III/V GaAs 21% 30% II/IV CdS, ZnSe, CdTe 9-10% 16% I/III/V CuInS 2 12% 19% Grätzel-type 7% 12% Dunne-laag hybride/organisch 1% Vaste-stof nano-heterojunctie 5.4% 19

20 Fotosynthese in planten CO 2 O 2 H 2 O sugar respiration of plants and animals combustion wood, coal, oil, gas 20

21 Alternatief: goedkope halfgeleider Titaandioxide (TiO 2 ) 21

22 Kunstmatige fotosynthese Visible-light photon De sensitizer S vervangt het chlorophyll Het halfgeleidende membraan vervangt het biologische membraan 22

23 Kleurstof-gesensibiliseerde zonnecel: Grätzel s oplossing 2 Nanodeeltjes TiO 2 Veel contactoppervlak Monolaag kleurstof Efficientie ca. 11% Goedkoop en makkelijk Nadeel: Bevat vloeibaar elektroliet 23

24 Dye-sensitized solar cells E E \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ C V ///////////////////////// - + Dye Sunlight TiO 2 B. O Regan and M. Grätzel, Nature 353 (1991) 737 U. Bach,, and, M. Grätzel, Nature 395 (1998)

25 25

26 Variety of colours in series-connected dye solar cell modules Courtesy Dr. Winfried Hoffman, CEO, RWE, SCHOTT Solar GmbH 26 26

27 27 27

28 Outdoor installation - CSIRO, Newcastle NSW, Australia (Sustainable Technologies International, Australia) 28 28

29 Nanogestructureerde heterojuncties Extremely Thin Absorber (ETA-cells) C. Rost, K. Ernst, S. Siebentritt, R. Könenkamp, M.C. Lux-Steiner, 2nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion, Vienna, July

30 Hoe krijg je zo n nanogestructureerd systeem voor elkaar? Begin met de kleurstof in nanovorm Begin met de TiO 2 in nanovorm Of allebei tegelijk in nanovorm mengen 30

31 3D-nanogestructureerde zonnecel 1 percolation of electrons and holes 5 p-typecuins 2 2 selective contacts 6 buffer layer 3 no electrical shunts (pinholes) 7 intimate contact 4 stoichiometric TiO 2 8 complete filling of pores 31

32 Spectral Response 32 32

33 HRTEM of CuInS 2 TiO 2 nanocomposites TiO 2 CuInS 2 10 nm 33 33

34 Characteristics FF= η= V mp I mp V oc I sc V oc I sc FF P in Fill factor: measure of squareness of curve Efficiency: percentage of incoming light that is converted into electrons 34 34

35 CuInS 2 nc-tio 2 3D solar cells SnO 2 :F/TiO 2 /Al 2 O 3 /In 2 S 3 /CuInS 2 /Au Current intensity ma/cm Voltage V A IPCE Wavelength (nm) B V OC = 0.52V, I SC = 19 ma/cm -2, fill factor = 0.45 Overall energy conversion efficiency about 4% 35 35

36 3D nano-structured solar cell. CIS applied by ASP 36 36

37 I-V characteristics of the 3D solar cell based on TiO 2 In 2 S 3 CuInS 2 nanocomposite obtained by spray pyrolysis Current ma/cm eff=5.4% Isc=20.6 ma/cm -2 ff=0.5 Voc=0.53 V dark -15 light Voltage V 37 37

38 Wind energie Off-shore projecten Verticale as windturbines Integratie in gebouwen 38

39 Batterijen Herlaadbare batterij Onderzoek aan materialen en vaste-stof elektroliet S.Y. Huang, K. Kavan, I. Exnar, and M. Grätzel, J. Electrochem. Soc. 142, L142 (1995) 39

40 Waterstof: : de schone kringloop 40

41 Duurzaam waterstof Waterstof is een efficiente en flexibele energie-drager Schoon: enige verbrandingsproduct is water Element waterstof komt veel voor: groot potentieel Bestaande motoren kunnen aangepast worden voor waterstof Transport over grotere afstanden met acceptabele verliezen Eenvoudige conversie via brandstofcellen naar de meest gebruikte energiedrager: electriciteit. Produktie op vele manieren: duurzaam en vanuit fossiele brandstoffen in overgangsperiode. Hoge energie-inhoud per eenheid gewicht (maar laag per eenheid volume). 41

42 The Hydrogen Economy The hydrogen economy as a network of primary energy sources linked to multiple end uses through hydrogen as an energy carrier. Hydrogen adds flexibility to energy production and use by linking naturally with fossil, nuclear, renewable, and electrical energy forms: Any of those energy sources can be used to make hydrogen

43 Hydrogen as an energy source Reaction: H 2 2 (g) + O2 (g) H O (l) kj/mole Hydrogen is 3 rd most abundant element No toxic reaction products (CO 2, CO, NO x, SO 2, etc) Sustainable and renewable 43

44 Waterstof produktie Biomassa Gassificatie Bio-waterstof Andere? Aardgas Reforming Gedeeltelijke oxidatie Wind Elektrolyse Zon Elektrolyse (Duurzaam) Waterstof Kolen Gassificatie In-situ gassificatie Nucleair Elektrolyse Thermo-katalytisch Petroleum Coke/Residue Gassificatie 44

45 Sustainable paths to hydrogen by solar energy J.A. Turner, Science Vol. 285, p. 687,

46 Comparison with other fuels Fuel Energy [kj/g] Energy [kj/l] Coal Brown coal Wood Gasoline Diesel Methanol Natural gas Hydrogen High energy content per unit mass Low energy content per unit volume 46

47 Eigenschappen van waterstof Hoe (on)veilig is waterstof? Geen decompositie Niet zelf-ontbrandend Niet brandversnellend Niet giftig Niet corrosief Niet radioactief Niet sterk ruikend Niet besmettelijk Verontreinigt water niet Geen gevaar voor ongeboren kinderen Niet kankerverwekkend Verdunt zeer snel, stijgt op 47

48 Chemische waterstofproductie Partial oxidation Steam reforming of natural gas 850 C 2.5bar CH4 (g) + H2O (g) CO (g) + 3H2 (g) Shift-reaction: 350 C CO (g) + H2 O (g) CO2 (g) + H2 (g) Industrial-scale process with production rates up to m 3 /hour (!) 48

49 Chemische waterstof productie The Hydrogen on Demand System: Oplossing is niet ontvlambaar Reaction control via (herbruikbare) catalysator Gecontrolleerde H 2 ontsteking Geen hoge druk NaBO 2 is niet toxisch Recycling van NaBO 2 in NaBH 4 is mogelijk 49

50 Elektrolyse van water 2 H O 2 H + O H + O 2 H O kj/mol Directe elektrolyse met zonlicht 10% conversie efficientie nodig voor commercialisatie Titaandioxide geschikt materiaal 50

51 Photo-electrolysis Electricity from solar cells or wind mills Complex system (2 devices + converter) High integration costs Efficiency with Si-based solar cells ~7% Direct photoelectrolysis Water splitting by photogenerated electrons H 2 /O 2 fuel value > 10% of incident energy Long lifetime Direct photoelectrolysis: the Holy Grail of Electrochemistry! 51

52 Chemical Bias First demonstration Separate compartments Fujishima & Honda, Nature 238, 37 (1972) 52 52

53 Direct Photoelectrolysis 53

54 The Fundamental Problem of Photoelectrolysis Stable materials that can split water show insufficient light absorption Efficient visible light absorbers suffer from Photocorrosion Energetically unfavourable band edge positions Recombination / low conductivity This seems to be a materials science problem, not a fundamental limitation! 54

55 Nanostructured Surface Morphology Absorption cross-section for optically active defects is low Thin smooth film Nanostructured thin film Improved absorption due to light-scattering Short path lengths for photogenerated charge carriers 55

56 Fractal-shaped Doped Anatase TiO 2 Visible light photocurrents require: Dopants: Fe, Al Light-scattering morphology Efficient electron transport Fractal-shaped TiO 2 made with chemical vapour deposition by Everest Coatings Origin of photocurrent: Optically active dopant at 1.8 ev below conduction band No visible-light photocurrent after oxidation Field-assisted hole transport limits photocurrent IPCE (%) NF 22-2 as-deposited NF 61-4 oxidised Photon energy (ev) - Poor control over defects - Complicated morphology 56

57 The Delft Approach Doped TiO 2 (Fe 2 O 3, WO 3 ) CuInS 2 : absorbs red light Nanostructured rough surface Monolithic, low-cost design 57

58 Directe Foto-elektrolyse Photoelectrochemical water splitting laboratory cell [Source: Grätzel] 58

59 59 59

60 Waterstof opslag Er zijn 3 verschillende manieren om waterstof op te slaan: Opslag in hoge-drukvaten Opslag in vloeibare vorm Opslag via absorptie in vaste stoffen Hoge-drukvaten: atm Vloeibaar: T = -253 C 60

61 Waterstof in auto s Overwegingen voor vloeibaar H 2 opslag: veiligheid tanken Lekken 61

62 Waterstof opslag Opslag door ad(b)sorptie Metaalhydrides Koolstof nanobuisjes Metaaloxiden Andere materialen? MH x + ½(y-x) H 2 MH y Probleem: metaalhydrides zijn zwaar! 62

63 63

64 64

65 Comparison of storage methods Compound Hydrogen content [w t% ] H-atoms / unit volume [10 22 cm -3 ] Density [kg/m 3 ] H 2 O liq. CH H 2 (g), 150 atm H 2 (l), 20 K Graphite C-nanotubes <1 - - TiH MgH LaH LaNi 5 H TiFeH

66 Veilige opslag van waterstof Tank weight and volume for 6 kg hydrogen (500 km range) H2-gas liquid H2 weight MgH2 volume Mg2NiH4 FeTiH2 LaNi5H kg / liter 66

67 67

68 BMW Clean Energy 2000 Project BMW 745h: Motor: V8 cylinder, 4.4 l, 135 kw Max. Speed: 215 km/h Fuel: H 2 or gasoline Range: 300 (+650) km 68

69 69

70 By 2010, 7% of road transport fuel should be clean. By 2020, this should be 20%. Apart from the traditional solutions electricity, natural gas, biofuels, etc. hydrogen fuel cells offer the purest alternative, but it is perhaps not the easiest to manage

71 Zero noise, zero emission bus H 2 storage Inverter Storage cylinders: 9 cylinders, 1548 liters, 250 bar 250 km range PEM Fuel cell Fuel cell: 4 modules, 120 kw total power 400 V output, 60 C operating temp p=1.5 bar, H 2 consumption 8 kg/h 71

72 72

73 The optimistic fuel cell vehicle penetration curves for the USA market. (from the NRC Report, 2004) 73 73

74 Waterstofeconomie: toekomstdroom 74

75 Concluding Remarks Innovative solar cells are based on nano-structured materials Innovations in photo-electrolysis originate from control of nanostructured surface morphologies Innovations in hydrogen production and storage are based on nano-structured materials 75

76 Acknowledgements Dr. Albert Goossens Ing. Nitte Van Landschoot Dr. Erik Kelder Dr.Ir. Roel van de Krol Marius Nanu M.Sc. Everest Coatings (Ir. Edward Maloney) Advanced Surface Technology (Ben Meester) 76

77 References US Department of Energy Top Energy Sites Fuel Cell Innovation Park Fuel Cell Bus Renewable energy world Autogas (LPG) 77

78 Why Sustainable Energy? World Energy Consumption % Fossil fuels Environmental problems Exhaust of supplies 40% 7% 7% 1% coal petrol natural gas 22% hydroelectric nuclear other: Geothermal, Solar, Wind, and Wood and Waste Electric Power Solar energy Cheap Abundant Clean Sustainable Focused research towards more efficient and cheaper solar cells Fundamental research towards better understanding of mechanisms in solar cells 78

79 Zonne-energie Zonne-warmte Collectoren om water op te warmen (zonneboilers) Zonne-stroom PV-panelen met zonnecellen, die electriciteit opwekken 79