Duurzame Energie: een Zonnige Toekomst

Duurzame Energie: een Zonnige Toekomst

Prof. Dr. Joop Schoonman

Delft Instituut voor Duurzame Energie Technische Universiteit Delft Julianalaan 136 2628 BL Delft E-mail: [email protected]

1

16 en 17 december 2005 40e Woudschotenconferentie, Noordwijkerhout

nd a l s IJ

“Dit land

te a w ‘ wil

heeft an

nd a l f rsto

n e d r ’ wo

Zeppelingas in de bus Ein “ d de e o n in ods erg ie p Ne t de eek v o r e mi r la e or nd zo : ” nn

dere pri oriteiten

gekozen

”

e-e ne rgi e

Vermeende onveiligheid elektrische bussen 2

Delft Institute for Sustainable Energy

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


Het Energieprobleem (I) Toenemende wereldbevolking (in 2050 geschat op 10 miljard) Toenemend verbruik van fossiele brandstoffen Eindige voorraad op dit moment niet het probleem 9000

Coal

8000

Oil

7000 6000

million tons of oil equiv

million tons of oil equiv

• • •

5000 4000 3000 2000 1000

0 1940

Gas

9000Total

Coal

8000

Oil

7000

Gas

23%

Total

6000 1950

World Energy Consumption 1999 17 total: 4.10 kJ

1960

5000

1970

year

1980

1990

2000

7%

40%

2010

4000 3000

coal petrol 22% natural gas hydroelectric nuclear other: geothermal, solar, wind, wood, waste

2000 1000 0 1940

1950

1960

1970

year

1980

1990

2000

7% 1%

2010

4


Het Energieprobleem (II) Groeiende uitstoot van CO2 Door opwarming kan ook methaan vrijkomen uit oceaanbodems → versterkt het broeikaseffect (permafrost)

CO2 concentration (ppm)

• •

380 370 360 350 340 330 320 310 1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

year 5


Aarde warmt op, maar hoe snel?

6


Wereld-energieproductie

De meest gebruikte energie is de goedkoopste en de meest vervuilende 7


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

8


8

9


Toekomstscenario Spirit of the Coming Age Evolving Energy Forms

Meeste energiescenario’s voorspellen een grote toename van het gebruik van duurzame energie 10

From: “Energy Needs, Choices and Possibilities; Scenarios to 2050”, Shell International, 2001

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 http://europa.eu.int/comm/energy_transport 11


Energy distribution options in a sustainable energy future 12


12

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

13


13

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


Power (W m-2 eV-1)

Solar Irradiation 300 250 200 150 100 50 0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

Photon energy (eV) • • • • •

sunlight power received by the earth is 120 x 1015 W AM 1.5 irradiation power density = 1000 W m-2 solar energy received is 5 x 106 EJ / year (EJ = 1018 J) total energy demand in 2003 is 400 EJ / year mankind needs 20 x 106 Wh per person per year = 1 hour of sunlight per year!!! 15


15

Zonne-warmte

16


First Generation Solar Cells

• Crystalline silicon wafers • 0.3 mm thick • 99.9999 % pure material • 15 % conversion efficiency • too expensive 17


17

Silicium Zonnecellen Een typische zonnecel heeft een efficientie van 10%, dus gemiddeld midden op de dag is het electrisch vermogen typisch 100 W/m2 Energie (N. Europe) 80kWh/m2 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


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 CuInS2

12%

19%

Grätzel-type

7%

12%

Dunne-laag hybride/organisch

1%

Vaste-stof nano-heterojunctie

5.4%

19


Fotosynthese in planten

CO2 O2

H2O sugar

ion o t a r i resp

f pla

mals i n a nd nts a

c

i ust b om

on

wood, coal, oil, gas 20


Alternatief: goedkope halfgeleider Titaandioxide (TiO2)

21


Kunstmatige fotosynthese

Visible-light photon

⇒ De sensitizer S vervangt het chlorophyll ⇒ Het halfgeleidende membraan vervangt het biologische membraan

22


Kleurstof-gesensibiliseerde zonnecel: Grätzel’s oplossing

2

Nanodeeltjes TiO2 Veel contactoppervlak Monolaag kleurstof Efficientie ca. 11% Goedkoop en makkelijk Nadeel: Bevat vloeibaar elektroliet

23


Dye-sensitized solar cells

EC \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

+

TiO2

ht ig nl Su

E V ///////////////////////// Dye

B. O’Regan and M. Grätzel, Nature 353 (1991) 737 U. Bach, …, and, M. Grätzel, Nature 395 (1998) 583 24


24

25


Variety of colours in series-connected dye solar cell modules

Courtesy Dr. Winfried Hoffman, CEO, RWE, SCHOTT Solar GmbH 26


26

27


27

Outdoor installation CSIRO, Newcastle NSW, Australia

(Sustainable Technologies International, Australia)

28


28

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 1998. 29


Hoe krijg je zo’n nanogestructureerd systeem voor elkaar?

Begin met de kleurstof in nanovorm

Begin met de TiO2 in nanovorm

Of allebei tegelijk in nanovorm mengen 30


3D-nanogestructureerde zonnecel

1 2 3 4

percolation of electrons and holes selective contacts no electrical shunts (pinholes) stoichiometric TiO2

5 6 7 8

p-typeCuInS2 buffer layer intimate contact complete filling of pores 31


Spectral Response

32


32

HRTEM of CuInS2 | TiO2 nanocomposites

TiO2

CuInS2

10 nm 33


33

Characteristics

FF=

VmpImp VocIsc

η=

VocIscFF Pin

Fill factor: measure of “squareness” of curve Efficiency: percentage of incoming light that is converted into electrons 34


34

CuInS2 | nc-TiO2 3D solar cells

SnO2:F/TiO2/Al2O3/In2S3/CuInS2/Au 1.0

A

-2

Current intensity mA/cm

50

0

0.6 0.4 0.2

-20 -1.0

B

0.8

IPCE

30

-0.5

0.0

Voltage V

0.5

0.0 500

600

700

800

900

Wavelength (nm)

VOC = 0.52V, ISC = 19 mA/cm-2, fill factor = 0.45 Overall energy conversion efficiency about 4% 35


35

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

36


36

I-V characteristics of the 3D solar cell based on TiO2|In2S3|CuInS2 nanocomposite obtained by spray pyrolysis

15

Current mA/cm

-2

10 5

eff=5.4% -2 Isc=20.6 mA/cm ff=0.5 Voc=0.53 V

dark 0 -5 -10

light

-15 -20 -0.5

0.0

0.5

Voltage V 37


37

Wind energie

Off-shore projecten

Verticale as windturbines

Integratie in gebouwen

38


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


Waterstof: de schone kringloop

40


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


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.

42


42

Hydrogen as an energy source Reaction:

H2 (g) + O 2 (g) ↔ H2O (l) + 286 kJ/mole • Hydrogen is 3rd most abundant element • No toxic reaction products (CO2, CO, NOx, SO2, etc) • Sustainable and renewable

43


Waterstof produktie Biomassa

Aardgas

Andere ?

• Gassificatie • Bio-waterstof

• Reforming • Gedeeltelijke oxidatie

Wind • Elektrolyse

(Duurzaam) Waterstof

Zon

Kolen • Gassificatie • In-situ gassificatie

• Elektrolyse

Nucleair • Elektrolyse • Thermo-katalytisch

Petroleum Coke/Residue • Gassificatie

44


Sustainable paths to hydrogen by solar energy J.A. Turner, Science Vol. 285, p. 687, 1999.

45


Comparison with other fuels Fuel

• •

Energy

Energy

[kJ/g]

[kJ/l]

Coal

29.3

-

Brown coal

8.1

-

Wood

14.6

-

Gasoline

43.5

30590

Diesel

42.7

29890

Methanol

19.6

15630

Natural gas

50.02

31.7

Hydrogen

119.9

10

High energy content per unit mass Low energy content per unit volume 46


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


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) + H2O (g) ⎯⎯ ⎯→ CO 2 (g) + H2 (g)

Industrial-scale process with production rates up to 100.000 m3/hour (!) 48


Chemische waterstof productie The Hydrogen on Demand™ System: • • • • • •

Oplossing is niet ontvlambaar Reaction control via (herbruikbare) catalysator Gecontrolleerde H2 ontsteking Geen hoge druk NaBO2 is niet toxisch Recycling van NaBO2 in NaBH4 is mogelijk

49


Elektrolyse van water 2 H 2 O ⎯⎯ → 2 H 2 + O2 2 H 2 + O 2 ⎯⎯ → 2 H 2 O + 286 kJ/mol

• Directe elektrolyse met zonlicht • 10% conversie efficientie nodig voor commercialisatie • Titaandioxide geschikt materiaal

50


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 • H2/O2 fuel value > 10% of incident energy • Long lifetime Direct photoelectrolysis: the Holy Grail of Electrochemistry! 51


Chemical Bias

• •

First demonstration Separate compartments

Fujishima & Honda, Nature 238, 37 (1972) 52


52

Direct Photoelectrolysis

53


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


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


Fractal-shaped Doped Anatase TiO2 Visible light photocurrents require: • • •

Dopants: Fe, Al Light-scattering morphology Efficient electron transport

NF 22-2 as-deposited NF 61-4 oxidised

80

Fractal-shaped TiO2 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 (%)

60 40 20 0 1.5

2.0

2.5 3.0 3.5 4.0 Photon energy (eV)

4.5

- Poor control over defects - Complicated morphology 56


The Delft Approach

• Doped TiO2 (Fe2O3, WO3) • CuInS2: absorbs red light

• Nanostructured rough surface • Monolithic, low-cost design 57


Directe Foto-elektrolyse

Photoelectrochemical water splitting laboratory cell [Source: Grätzel] 58


59


59

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: 100-350 atm → Vloeibaar: T = -253°C

60


Waterstof in auto’s

Overwegingen voor vloeibaar H2 opslag: • veiligheid • tanken • Lekken 61


Waterstof opslag Opslag door ad(b)sorptie • • • •

Metaalhydrides Koolstof nanobuisjes Metaaloxiden Andere materialen…? MHx + ½(y-x) H2 →MHy Probleem: metaalhydrides zijn zwaar!

62


63


64


Comparison of storage methods Com pound

H yd ro g e n c o n te n t [w t% ]

H -a to m s / u n it v o lu m e [1 0 2 2 c m -3 ]

D e n s ity

H 2O

11

30

1000

liq . C H 4

25

6

425

H 2 (g ), 1 5 0 a tm

100

0 .7

12

H 2 (l), 2 0 K

100

4 .3

71

4

-

-

<1

-

-

4

9

3800

M gH2

7 .6

6 .5

-

LaH3

2 .1

6 .5

-

L a N i5H 6

1 .4

5 .5

6225

T iF e H 2

1 .9

6

5470

G r a p h ite C -n a n o tu b e s T iH 2

[k g /m 3 ]

65


Veilige opslag van waterstof Tank weight and volume for 6 kg hydrogen (500 km range) H2-gas

liquid H2

weight MgH2

volume

Mg2NiH4

FeTiH2

LaNi5H6 0

100

200

300

400

500

kg / liter 66


67


BMW Clean Energy 2000 Project

BMW 745h: Motor: V8 cylinder, 4.4 l, 135 kW Fuel: H2 or gasoline

Max. Speed: Range:

215 km/h 300 (+650) km 68


69


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.

70


70

Zero noise, zero emission bus

H2 storage

Inverter

PEM Fuel cell

Storage cylinders: 9 cylinders, 1548 liters, 250 bar 250 km range Fuel cell: 4 modules, 120 kW total power 400 V output, 60°C operating temp p=1.5 bar, H2 consumption 8 kg/h 71


72


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


73

Waterstofeconomie: toekomstdroom

74


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


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


References • • • • • •

US Department of Energy http://www.energy.gov/ 100 Top Energy Sites http://www.100topenergysites.com/ Fuel Cell Innovation Park http://www.fuelcellpark.com/ Fuel Cell Bus http://www.fuelcellbus.com/ Renewable energy world http://www.jxj.com/magsandj/rew/ Autogas (LPG) http://www.autogas.nl/

77


Why Sustainable Energy? World Energy Consumption 1999 23%

40%

Fossil fuels · Environmental problems · Exhaust of supplies

7%

7% coal 1% petrol 22% natural gas 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


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

79


Duurzame Energie: een Zonnige Toekomst

Recommend Documents