Über Solarenergie : Herausforderungen der Solarenergie

Einige der Herausforderungen bei der Solarenergieproduktion

• Die Effizienz des Solarpanels

• Hohe Anfangskapital- und Wartungskosten PV-Energiesystem

• Landknappheit und sinkender Immobilienwert

• Fachkräftemangel

• Problem mit Unterbrechungen und Netzqualität

• Materialknappheit für PV-Zellen

• Umweltnachteil

Effizienz von Sonnenkollektoren

Die durchschnittliche Sonnenenergie auf der Erdoberfläche beträgt 174,7 Watt pro Quadratmeter und in einer Stunde liefert die Sonne etwa 3,21 x 10^20 Joule Energie an die Erde.

Das entspricht 76.841 Megatonnen.

In weniger als zwei Stunden liefert die Sonne mehr Energie, als der gesamte Planet in einem Jahr verbraucht.

Aufgrund des geringeren Wirkungsgrades der Solarzellen kann jedoch nur ein kleiner Teil dieser Energie in Sonnenenergie umgewandelt werden.

Ein Solarpanel ist eine Kombination von Solarzellen, die in Reihe oder parallel geschaltet sind, um ein komplettes Solarpanel zu bilden.

Konzentrische Solarzellen enthalten Lichtenergie absorbierendes Material und wandeln es in elektrische Energie um.

Der Wirkungsgrad der Solarzelle ist begrenzt, da von einem Photon nur ein Elektron angeregt werden kann, unabhängig von der im Sonnenlicht verfügbaren Photonenenergie oder Energiepakete.

Die PV-Solarzellen haben auch einen begrenzten maximalen Wirkungsgrad, bekannt als Shockley-Queasier-Limit.

Der maximale solare Umwandlungswirkungsgrad einer Solarzelle mit einem einzelnen pn-Übergang beträgt ungefähr 46% (theoretisch) mit konzentrischem Sonnenlicht und in Labordaten hat er 27% erreicht.

Für den kommerziellen Einsatz beträgt dieser Wirkungsgrad nur 16 % der Gesamtgröße der Zelle.

Das bedeutet, dass, wenn Sonnenlicht auf Solarzellen fällt, diese nur 16% der Sonnenlichtenergie für die weitere Verwendung umwandeln und der Rest der Energie verschwendet wird.

Ein hoher Zellwirkungsgrad sorgt für niedrigere Stückkosten, da weniger Fläche benötigt wird, um die gleiche Wattspitze an Elektrizität zu erzeugen (Wp - die von einer Solarzelle unter voller Sonneneinstrahlung erzeugte Ausgangsleistung), wodurch die erforderliche Anzahl von Zellen verringert wird.

Kurz gesagt, mit Effizienzsteigerungen könnte die Solarstromerzeugungstechnologie ein erhebliches Potenzial als Energieressource haben.

Hohe Anfangskapital- und Wartungskosten des PV-Energiesystems

Obwohl die Installation von Sonnenkollektoren auf lange Sicht immense Vorteile bringen würde, können die Vorlaufkosten strafbar sein.

Sonnenkollektoren benötigen auch Wechselrichter und Speicherbatterien, um Direktstrom in Wechselstrom umzuwandeln, um Strom zu erzeugen.

Während die Installation eines Solarmoduls recht günstig ist, wird die Installation anderer Geräte teuer.

Abhängig von dem Unternehmen, von dem Sie Solarmodule kaufen, kann dies einen Arm und ein Bein kosten.

Es ist sogar schwierig, die gesamten Installationskosten ohne die Hilfe von Herstellerfirmen zu quantifizieren.

Einige Länder haben Rabatte und Steuergutschriften eingeführt, um vielen Menschen die Installation von Sonnenkollektoren zu ermöglichen, aber wenn Sie nicht etwas Geld dafür zur Seite legen, kann dies unerträgliche Kosten sein.

Außerdem kann es bis zu 10 bis 15 Jahre dauern, bis Sie mit Ihrer Anfangsinvestition die Gewinnschwelle erreichen können.

Es geht nicht darum, wie hoch die Amortisationszeit ist.

Alles, was unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern kann, ist einen Versuch wert.

Vor allem Installation und Wartung werden oft unterschätzt, sind aber genauso wichtig wie die anderen Herausforderungen, die die solare Elektrifizierung zu einer heiklen Perspektive machen.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, wie Transaktionen zum Kauf von Solarmodulen strukturiert sind.

Die meisten Installationen von Solarmodulen sind eine einmalige Transaktion, bei der ein Kunde für die Module, Ausrüstung und Installation bezahlt.

Das Unternehmen liefert diese Produkte und installiert die Paneele dann entweder selbst oder beauftragt unabhängige Installateure.

Bei diesen Deals ist oft unklar, wer die Wartung zahlt, wenn die Solarmodule ausfallen.

Viele Unternehmen haben nur geringe finanzielle Möglichkeiten, um Reparaturtechniker Jahre später an entfernte Standorte zu entsenden, um Panels zu warten (abgesehen von Ruf und Kundenzufriedenheit, an denen einige Unternehmen nicht unbedingt interessiert sind), da die meisten Schwierigkeiten haben, Geld zu verdienen.

Kunden sind oft auch nicht in der Lage, viel extra für die Wartung zu zahlen, da sie bereits eine hohe Vorauszahlung für die Installation bezahlt haben.

Krankenhäuser, Schulen und Unternehmen können es sich nicht leisten, weiterhin Geld in Solaranlagen zu stecken, die nach zwei Jahren unerwartet zusammenbrechen, wenn sie zwanzig Jahre lang arbeiten sollten.

Aber wenn niemand in der Lage oder willens ist, für die Wartung zu zahlen, werden die Platten ungenutzt und verschwendet.

Landknappheit und sinkender Immobilienwert

Ein weiteres Problem besteht darin, dass Solarenergie eine beträchtliche Menge Land beanspruchen und zu Landdegradation oder zum Verlust von Lebensräumen für Wildtiere führen kann.

Während Solar-PV-Systeme an bereits bestehenden Strukturen befestigt werden können, können größere PV-Anlagen im Versorgungsmaßstab bis zu 3,5 bis 10 Hektar pro Megawatt benötigen und CSP-Anlagen benötigen zwischen 4 und 16,5 Hektar pro Megawatt.

Je nach Standort können größere Solaranlagen im Versorgungsmaßstab Bedenken hinsichtlich der Landdegradation und des Verlusts von Lebensräumen aufkommen lassen.

Der Gesamtflächenbedarf variiert je nach Technologie, Topographie des Standorts und Intensität der Solarressource.

Im Gegensatz zu Windkraftanlagen gibt es für Solarprojekte weniger Möglichkeiten, das Land mit landwirtschaftlichen Nutzungen zu teilen.

Die Auswirkungen auf das Land durch Solaranlagen im Versorgungsmaßstab können jedoch minimiert werden, indem sie an Orten mit geringerer Qualität wie Feldern, verlassenem Bergbauland oder bestehenden Transport- und Übertragungskorridoren platziert werden.

Kleinere PV-Anlagen, die auf Wohn- oder Geschäftsgebäuden gebaut werden können, haben ebenfalls nur minimale Auswirkungen auf die Landnutzung.

In den letzten Jahren hat die Öffentlichkeitsarbeit rund um Solarparks die Aufmerksamkeit von Grundstückseigentümern und Gutachtern auf sich gezogen.

Wie bei jeder groß angelegten Entwicklung kann der Wandel, den die Solarenergie im Versorgungsmaßstab darstellt, Anlass zur Sorge geben.

Neinsager äußern Besorgnis über Auswirkungen auf Schuppen, Entwässerungsprobleme, die Idee, produktive landwirtschaftliche Flächen durch industrielle Nutzung zu ersetzen, und mehr.

Viele dieser Sorgen sind auf eine Sache zurückzuführen: die möglichen Auswirkungen auf den Immobilienwert.

Eine kürzlich abgeschlossene Studie mit 400.000 Transaktionen in Neuengland über einen Zeitraum von 15 Jahren ergab, dass der Wert von Wohnimmobilien in Vorstädten negative Auswirkungen hatte, als nahe gelegene Solarparks als knapp empfundene Ressourcen wie Grünflächen ersetzten.

Andererseits fand dieselbe Studie keine damit verbundenen Auswirkungen auf die Immobilienwerte für Solarparks in ländlichen Gebieten.

Die Auswirkungen können jedoch verringert werden, indem Einrichtungen in Gebieten mit geringer Qualität oder entlang bestehender Transport- und Übertragungskorridore platziert werden.

Mangel an qualifizierten Solarenergiearbeitern

Eine große Hürde bei der Installation von Solarpaneelen ist der Mangel an Fachkräften für die Arbeit.

Die Kunden für Solarpanel-Installationen könnten von Krankenhäusern mit einem Strombedarf von über 20 Kilowatt bis hin zu kleinen Dörfern mit weniger als 500 Watt für die Stromversorgung des gesamten Dorfes reichen.

Um die Komplexität dieser Systeme zu verstehen, ist eine gewisse Schulung erforderlich.

Dieses Problem wird auf verschiedene Weise angegangen.

Einige Unternehmen stellen engagierte Installationsteams ein und schulen sie, um weite Gebiete zu bereisen und die Arbeit zu erledigen.

Das Problem bei dieser Vereinbarung besteht jedoch darin, dass das Reisen zwischen den Baustellen ineffizient ist und jede Ausfallzeit für Unternehmen, die versuchen, dedizierte Mitarbeiter auf der Gehaltsliste zu halten, sehr kostspielig wird.

Auf der anderen Seite ist es schwieriger, die Qualitätsstandards sicherzustellen, wenn diese Unternehmen unabhängige Installationsteams einstellen.

Außerdem sind die Unternehmen der Laune der Tarife unterworfen, die die unabhängigen Crews festlegen.

Ganz zu schweigen davon, dass es in einigen Bereichen keine unabhängigen Montageteams gibt, die angeheuert werden können.

Die Verfügbarkeit von entsprechend qualifizierten Arbeitskräften ist eine herausragende Herausforderung, und der Solarsektor kann von der Beschäftigung von Arbeitskräften aus konventionellen Arbeitsmärkten mit entsprechenden Qualifikationen profitieren.

Das Entwicklungsprogramm der Vereinten Nationen (UNDP) greift jedoch ein, um zu helfen.

Vor kurzem hat das UNDP in Mali die Ausbildung von Solartechnikerinnen bezahlt, die Installation, Wartung und Service für ihr gesamtes Dorf durchführen.

Damit wird nicht nur eines der schwierigen Probleme bei Solaranlagen gelöst, sondern die Ausbildung bringt auch einen wirtschaftlichen Schub für das ganze Dorf.

Frauen können jetzt einen existenzsichernden Lohn verdienen, um ihre Familien weiter zu unterstützen.

Unterbrechung – Problem mit der Netzqualität

Eines der größten Probleme der Solarenergietechnik ist, dass nur bei Sonnenschein Energie erzeugt wird.

Das bedeutet, dass Nacht- und bewölkte Tage die Versorgung unterbrechen können.

Die durch diese Unterbrechung verursachte Knappheit wäre kein Problem, wenn es kostengünstige Möglichkeiten zur Energiespeicherung gäbe, da extreme Sonnenperioden Überkapazitäten erzeugen können.

Da die globale Kapazität für Solarenergie weiter ansteigt, konzentrieren sich Nationen wie Japan und andere weltweit führende Anbieter von Solarenergietechnologien auf die Entwicklung angemessener Energiespeicher, um dieses Problem zu lösen.

Bei der Integration des PV-Systems in das Netz ist der wichtigste Parameter die Stromqualität.

Die Qualität der elektrischen Energie ist der Grad, in dem Spannung, Frequenz und Wellenform eines Stromversorgungssystems den festgelegten Spezifikationen entsprechen.

Eine gute Netzqualität kann definiert werden als eine konstante Versorgungsspannung, die innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs bleibt, eine konstante AC-Frequenz nahe dem Nennwert und eine glatte Spannungskurve (ähnlich einer Sinuswelle).

Eine mangelhafte Stromqualität würde die elektrischen Geräte und Stromverteilungselemente schädigen, da Frequenzschwankungen Prozesse in unerwünschten Bereichen verursachen würden.

Die verschiedenen Netzqualitätsprobleme wurden diskutiert:

Oberschwingungen

Harmonische Verzerrungen sind das Hauptproblem der Netzqualität, das beim Betrieb von netzgekoppelten PV-Systemen berücksichtigt wird.

Oberschwingungen sind unerwünschte höhere Frequenzen, die der Grundwellenform überlagert sind und ein verzerrtes Wellenmuster erzeugen, die Natur von Oberschwingungsströmen.

Harmonische Frequenzen sind wesentliche Vielfache einer Grundfrequenz.

Der Hauptgrund für Oberschwingungen in netzgekoppelten Systemen ist die vorhandene Leistungselektronik in der PV-Anlage.

Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom durch Wechselrichter; Spannungs- und Stromoberschwingungen in das System einfließen lassen, was zu Problemen mit der Netzqualität führt.

Ein solches Phänomen verursacht eine Überhitzung in Transformatoren und Kondensatorbatterien, wodurch das System immer instabiler und unzuverlässiger wird.

Spannungsvariation

Die Hauptursache für Spannungsschwankungen bei netzintegrierten PV-Systemen ist die intermittierende Natur der Sonneneinstrahlung.

Ungleichmäßige Sonneneinstrahlung ist auf vorübergehende Wolken und andere Umweltbedingungen zurückzuführen.

All diese Parameter führen die PV-Anlage über einen Spannungsverlaufsverlauf in die Instabilität.

Ungleichmäßige Spannungsschwankungen führen zu Spannungseinbrüchen und -anstiegen sowie kurzen und langen Unterbrechungen.

Wenn die Versorgungsspannung kurzzeitig abfällt, wird dies als Spannungseinbruch bezeichnet (Spannung fällt in den Größenbereich von 10% -90% der RMS-Spannung).

Wenn die Versorgungsspannung kurzzeitig ansteigt, wird dies als Spannungsanstieg bezeichnet (Spannung steigt über 110% der RMS-Spannung an).

Kurze und lange Unterbrechungen: Eine Unterbrechung ist definiert als das Absinken des Spannungsversorgungspegels auf weniger als 10 % des Nennwerts für eine Dauer von bis zu einer Minute wird als Spannungsunterbrechung bezeichnet.

Wenn die Unterbrechung weniger als eine Minute dauert, wird sie als kurze Unterbrechung bezeichnet, während sie bei einer Zeitdauer von mehr als einer Minute als Unterbrechung bezeichnet wird.

Der Begriff "Unterbrechung" wird jedoch im Allgemeinen verwendet, um sich auf eine kurze Unterbrechung zu beziehen, während letztere mit dem Wort "anhaltend" vorangestellt wird, um eine lange Dauer oder lange Unterbrechung anzuzeigen.

Blindleistung

Sehr oft soll eine Photovoltaikanlage nahe dem Leistungsfaktor Eins arbeiten, damit sie die maximale Sonnenenergie nutzen kann.

Bei dieser Instanz erhält das Stromnetz Wirkleistung von einer Photovoltaikanlage, die den Abfluss von Blindleistung in der PV-Anlage anpasst.

Daher wird die Spannung in der Nähe von Bussen aufgrund einer unzureichenden Blindleistung verbessert.

Während der gesamten Aktion kann der übliche Leistungsabfluss des Systems aufgrund fehlender Blindleistung zu unerwünschten Ergebnissen führen.

Dies kann die Leistung verringern, die eine mangelhafte Übertragung mit sich bringt.

Frequenzvariation

Frequenzvariation (Schwankung) ist eine Abweichung vom Standardnennwert (typischerweise 50 oder 60 Hz) der Netzfrequenz.

Frequenzabweichungen über dem Toleranzwert (+/-5%) sind für das PV-System nicht gut und können zum Zusammenbruch des Systems führen.

In einem Photovoltaiksystem hängt die Frequenzvariation von den klimatischen Bedingungen, dem Wetter und der topografischen Position ab, was zu ernsthaften Problemen führen kann.

Materialknappheit für PV-Zellen

Die derzeit den Weltmarkt dominierenden Siliziumsolarzellen leiden unter drei grundlegenden Einschränkungen.

Ein vielversprechender neuer Weg zur Herstellung hocheffizienter Solarzellen, bei dem Perowskite anstelle von Silizium verwendet werden, könnte alle drei gleichzeitig angehen und die Stromerzeugung aus Sonnenlicht beschleunigen.

Die erste große Einschränkung von Silizium-Photovoltaikzellen (PV) besteht darin, dass sie aus einem Material hergestellt werden, das in der Natur selten in der benötigten reinen, elementaren Form vorkommt.

An Silizium in Form von Siliziumdioxid (Strandsand) mangelt es zwar nicht, aber es kostet enorm viel Energie, den daran gebundenen Sauerstoff loszuwerden.

Typischerweise schmelzen Hersteller Siliziumdioxid bei 1500-2000 Grad Celsius in einem Elektrodenlichtbogenofen.

Die Energie, die für den Betrieb solcher Öfen benötigt wird, setzt die Produktionskosten von Silizium-PV-Zellen grundsätzlich nach unten und trägt auch zu den Treibhausgasemissionen bei ihrer Herstellung bei.

Bestimmte Solartechnologien benötigen zu ihrer Herstellung seltene Materialien.

Dies ist jedoch in erster Linie ein Problem der PV-Technologie und nicht der CSP-Technologie.

Außerdem fehlt es nicht an bekannten Reserven, sondern an der aktuellen Produktion, die den zukünftigen Bedarf nicht decken kann: Viele der seltenen Materialien sind Nebenprodukte anderer Prozesse und nicht im Fokus gezielter Abbaumaßnahmen.

Umweltbelastung

Obwohl die Umweltverschmutzung durch Solarenergiesysteme im Vergleich zu anderen Energiequellen weitaus geringer ist, kann Sonnenenergie mit Umweltverschmutzung in Verbindung gebracht werden.

Der Transport und die Installation von Solaranlagen werden mit der Emission von Treibhausgasen in Verbindung gebracht.

Der einzige ökologische Nachteil der Solartechnologie besteht darin, dass sie viele der gleichen gefährlichen Materialien wie Elektronik enthält.

Da Solarenergie zu einer immer beliebter werdenden Energiequelle wird, wird das Problem der Entsorgung gefährlicher Abfälle zu einer zusätzlichen Herausforderung.

Doch vorausgesetzt, die Herausforderung der fachgerechten Entsorgung wird gemeistert, machen die reduzierten Treibhausgasemissionen der Solarenergie sie in Zukunft zu einer attraktiven Alternative zu fossilen Brennstoffen.

Einige giftige Materialien und Chemikalien werden jedoch verwendet, um Photovoltaik (PV)-Zellen herzustellen, die Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln.

Einige solarthermische Systeme verwenden potenziell gefährliche Flüssigkeiten, um Wärme zu übertragen.

Undichtigkeiten dieser Materialien können umweltschädlich sein.

Die US-Umweltgesetze regeln die Verwendung und Entsorgung dieser Art von Materialien.

Wie bei jedem Kraftwerkstyp können auch große Solarkraftwerke die Umwelt in der Nähe ihres Standorts beeinträchtigen.

Die Rodung von Bauland und die Aufstellung des Kraftwerks können langfristige Auswirkungen auf die Lebensräume einheimischer Pflanzen und Tiere haben.

Einige Solarkraftwerke benötigen möglicherweise Wasser zum Reinigen von Sonnenkollektoren und -konzentratoren oder zum Kühlen von Turbinengeneratoren.

Die Verwendung großer Mengen von Grund- oder Oberflächenwasser zur Reinigung von Sammlern an einigen trockenen Standorten kann die Ökosysteme beeinträchtigen, die von diesen Wasserressourcen abhängig sind.

Darüber hinaus kann der Strahl konzentrierten Sonnenlichts, den ein Solarturm erzeugt, Vögel und Insekten töten, die in den Strahl fliegen.

Dennoch belastet Solarenergie weit weniger als andere alternative Energiequellen.