Organiska solceller kan bli lönsamma

Forskningsinstitutet imec visade nyligen organiska solceller med en verkningsgrad över åtta procent. Det låter kanske inte så mycket i jämförelse med vanliga mono- och polykristallina kiselceller, men de organiska cellerna har betydligt bättre möjligheter att ge mycket mer energi över tiden än vad som matas in vid tillverkningen. Och det måste rimligen vara ett mål.

För det här med energibalans är fortfarande ett problem, åtminstone i Sverige. Visserligen kom för ett par år sedan en rapport som visade att solceller redan efter ett eller par år börjar ge ett överskott. Det slogs den gången upp som en ganska stor nyhet. Men det är svårt att få kalkylerna att gå ihop om man utgår från svenska förhållanden.

Det märkte jag när jag härom dagen försökte hitta grunddata för beräkningarna. Till att börja med visade det sig att alla artiklar utgick från samma rapport och att rapporten inte gick att ladda ner gratis. Och eftersom jag är för snål för att betala för nedladdningen var det bara att leta vidare. Jag gillar inte att bara acceptera data utan att veta vilka förutsättningar det hela baseras på. Egentligen handlar det bara om att hitta en siffra på energiåtgången per kvadratmeter vid tillverkningen av kiselbaserade solceller.

Till slut hittade jag i alla fall vad som ser ut som vettiga data om energiåtgången för att tillverka mono- och polykristallina solceller. Data kommer från The National Renewable Energy Laboratory (en del av US Department of Energy), som har publicerat ett dokument kallat ”What is the energy payback for PV?”. Enligt den här källan ”kostar” det 600 kWh per kvadratmeter för monokristallina celler och 420 kWh per kvadratmeter för polykristallina celler. Förutsättningen är visserligen att grundmaterialet är ”kiselskrot” från halvledarindustrin, men då vet man åtminstone att siffrorna inte blir lägre när volymerna ökar och tillverkarna tvingas att börja från grunden.

Slutsatsen i dokumentet är att solpaneler blir lönsamma i USA efter mellan ett par år och fyra år och det stämmer ju hyfsat med de siffror som presenterats på andra ställen.

Mindre sol i Sverige
Nu är det ju ganska lätt att hitta data på energiutbyte från solceller vid svenska förhållanden, Där finns siffror från 50 kWh till 150 kWh per kvadratmeter och år. Enligt Energimyndigheten (dokumentet ”Producera egen el från solen”)kan man i södra Sverige räkna med ca 118 kWh per år med en ny oskuggad anläggning som är monterad rakt mot söder och med panelerna vinklade 30 till 50 grader i höjdled. Med tiden minskar förstås utbytet en del.

Det är lätt att inse att ”break even” tar betydligt mer än ett eller ett par år om de här förutsättningarna stämmer. I bästa fall handlar det snarare om fem eller sex år. Då tar vi ändå bara hänsyn till produktionen av själva kiselcellerna.

Om vi sedan antar att solcellerna tillverkas i Kina (sannolikt) och med elenergi från fossila bränslen (ännu mera sannolikt) blir ekvationen ännu sämre. Då ersätter vi ”ren” svensk el från vattenkraft och kärnkraft med ”smutsig” el från kolkraft. Om vi tittar på miljöpåverkan måste vi då multiplicera med en faktor två eller tre.

Och till slut har vi problemet med att solljuset varierar så kraftigt över året och över dagen. Jag hittade lite data från en anläggning i Norrköping. Till och med under juli tar det fram till åttatiden på morgonen innan uteffekten kommer upp i 40 procent av toppeffekten. Vid tiotiden handlar det om ca 70 procent och bara ett par timmar mitt på dagen producerar anläggningen för fullt. Vid fyratiden på eftermiddagen är vi tillbaka på ca 40 procent. Vid sextiden på morgonen och sextiden på eftermiddagen är utbytet mindre än fem procent.

Under höst, vinter och vår kan en solcellsanläggning ge en del energi, men den produktiva perioden under dagen minskar snabbt till väldigt få timmar.

Perfekt för kylning
Med de förutsättningar som finns i Sverige verkar inte dagens solceller vara särskilt ”lönsamma” ur miljösynpunkt, åtminstone inte om det handlar om storskalig produktion för elnätet.

Däremot är det alldeles uppenbart att dagens solceller är fantastiskt användbara i länder där man producerar el med fossila bränslen och där en stor del av elkonsumtionen går åt till att kyla kontor och bostäder. I det läget blir ju den ojämna elproduktionen snarast en fördel. USA är väl ett paradexempel, men det finns många fler länder där det borde vara en självklarhet att redan nu satsa på solenergi.

Effektivare tillverkning
Ett sätt att göra solcellerna lönsammare ur energisynpunkt är förstås att lägga tillverkningen på platser där det finns gott om vattenkraft. Ungefär som aluminium- och konstgödselproduktionen i Norge och papperstillverkningen i Sverige. Vattenkraften är ju tillräckligt stabil för att ge en konstant tillförsel av stora mängder energi. Det går också att effektivisera tillverkningen ytterligare.

Men det bästa är ändå om vi kan komma bort från de kiselbaserade solcellerna och gå över till organiska solceller. Här hade väl många med mig trott att utvecklingen skulle gå snabbare, men det har varit svårt att nå tillräcklig effektivitet i massproduktion. Kanske det är dags snart.

Sverige ligger bra till
Till slut lite nyare siffror för energikonsumtion och koldioxidutsläpp. I energidebatten har ju många en otrevlig vana att jämföra äpplen och päron. Därför är det alltid bra att ha en del grundläggande siffror som bas för funderingar.

Om vi tittar på total energiproduktion, koldioxidutsläpp och en del andra siffror ser vi att Sverige 2011 konsumerade energi motsvarande 5,2 ton olja per person och år. Motsvarande siffror är 6,4 ton för Finland, 5,7 ton för Norge, 3,2 ton för Danmark, 3,8 ton för Tyskland och 5,6 ton för USA. Den höga energikonsumtionen för Sverige, Norge och Finland beror på att de här tre länderna har extremt stor andel energiintensiv industri (produktion av papper, stål, aluminium, konstgödsel etc).

I Norge baseras den här industrin på elektricitet från vattenkraft och i Sverige baseras industrin på elektricitet från vattenkraft och kärnkraft. Elproduktionen i Sverige är totalt ca 15 MWh per person och år (ungefär hälften vattenkraft och hälften kärnkraft). I Norge är den ca 23 MWh per person och år (nästan bara vattenkraft) och i Finland ca 15,7 MWh per person och år (en fjärdedel kärnkraft, 15 procent vattenkraft, 19 procent import och resten olika typer av fossil förbränning). Det skall jämföras med länder som Danmark (6,2 MWh) och Tyskland (7 kWh), som relativt sett har en mycket mindre energiintensiv basindustri, men där elproduktionen till större delen är baserad på fossil förbränning.

Danmark har visserligen större andel vindkraft än något annat land, med en tredjedel av elproduktionen från vindkraft förra året (över hälften i december). Men med dagens brist på lagringsteknik är det svårt att komma särskilt mycket längre och utsläppen från de fossileldade kraftverken är höga, trots den låga elförbrukningen.

Sverige har de i särklass lägsta koldioxidutsläppen per person jämfört med liknande länder. Vi låg 2011 på ca 4,8 ton koldioxid per person och år från fossil förbränning. Mindre än en tredjedel av energikonsumtionen (motsvarande 1,6 ton olja per person och år) består alltså av fossila bränslen. Detta trots den stora andelen energiintensiv industri, de långa avstånden och den låga temperaturen.

Norge och Finland har också en stor energiintensiv basindustri och något högre energiförbrukning än Sverige (motsvarande 5,7 respektive 6,4 ton olja). Koldioxidutsläppen är mycket högre än i Sverige, med 7,7 respektive 10,3 ton per person och år.

Både Danmark och Tyskland har relativt liten andel energiintensiv industri (räknat per person) och därför ganska låg energiförbrukning per person (motsvarande 3,2 respektive 3,8 ton olja per person och år). Men andelen fossil förbränning är hög och koldioxidutsläppen hamnar på 7,7 respektive 9,1 ton per person och år.

USA står i en klass för sig med 16,9 ton koldioxid per person och år.

Nej, nu får det vara nog med siffertugg för ett tag. Kommentera gärna om ni hittar några felaktigheter eller om ni har bättre siffror.

Och kom ihåg – jag är absolut inte ute efter att göra narr av alla oss som vill ha en bättre miljö. Men jag tror debatten mår bra av att grundas på faktiska data.

6 Responses to “Organiska solceller kan bli lönsamma”

  1. Jag vet inte vilken rapport du försökte ladda ned, men en rapport finns definitv tillgänglig gratis som beskriver de svenska förhållanden: Elforsk 11:80
    http://www.elforsk.se/Rapporter/?rid=11_80_

    En annan tillgänglig källa är solinstrålningsdata i form av färgglada kartor från Europeiska kommissionen under http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

    När det gäller energiåtgång och energiåterbetalning så kan du hitta informationen i IEA PVPSs årliga rapporter, där det kan läsas att energiåterbetalningstiden för den mest energikrävande av dagens solcellstekniker – enkristallint kisel – inkl alla kringkostnader som installation, växelriktare och återvinning låg redan 2009 på under 2 år i Sydeuropa.

    Tar du nu kartorna så ser du att Sverige har ca 30% lägre årlig instrålning på en solcellsyta än Spanien och då kan du räkna ut att energiåterbetalningen även här i Sverige tar mindre än 3 år.

  2. Hej Uwe
    Jodå, det finns massor av rapporter om svensk solinstrålning och förväntat utbyte från svenska anläggningar. Så den sidan av ekvationen är väl ”belyst” (det framgår också av inlägget). Om man bara har korrekta data för faktisk energiåtgång vid tillverkning av solceller är det inga som helst problem att räkna ut ”återbetalningstiden”. Frågan är helt enkelt om siffrorna från US Department of Energy (600 kWh per kvadratmeter för monokristallina celler och 420 kWh per kvadratmeter för polykristallina celler) är för höga. Har du bättre data där?

  3. Håller med Dig, Göte – fakta är svåra att hitta men nödvändiga.

  4. Hej Göte,

    dokumentet som du har hittat från NREL är daterat 2004!

    Problemet här är att olika tillverkningstekniker som används av olika företag har olika hög energiåtgång. Plus att den data som IEA använder sig av inte bara tar hänsyn till själva solcellen, fast till hela systemet inkl dess återvinning – alltså en komplett LCA.

    Problemet är också att det har hänt och fortfarande händer en hel del på de olika teknikerna och att äldre data oftast är ganska pessimistiskt i jämförelse med dagens verklighet.

    Att räkna en energiåtgång per kvadratmeter för solceller är ganska meningslöst med tanke på att kommersiella solcellsmoduler av enkrsitallint kisel idag kommer med verkningsgrader mellan 12% och 20%, dvs med en toppeffekt på 120-200 W per kvadratmeter. Siffrona som vi (inom forskning och undervisning) använder är därför alltid baserade på energiåtgång och kostnad per W toppeffekt.

    IEA tar sin data från olika vetenskapliga publikationer och studier och jag har fullt förtroende för att de även har granskat datan.

    Om du tar den data som jag brukar använder i min undervisning och som är så gammalt som 2009, så kan du lätt räkna ut energiåtgång per W och per kvadratmeter, för den är baserat på enkristallina solcellsmoduler med 14% verkningsgrad:
    – den totala energiförbrukningen för tillverkningen av en solcellsmodul med enkristalliner kiselceller återbetalas på 1,4 år i en region med en årlig instrålning på 1700 kWh/m2 på modulens yta (tex Spanien).

    Under denna tid träffas modulen alltså av 2380 kWh/m2 solljus, som då producerar ca 333 kWh el per kvm. I själva statistiken tas även hänsyn till ytterligare förluster pga av reducerat verkningsgrad vid högre omgivningstemperatur och förluster i kablar och växelriktare.

    Energiåtgången för tillverkningen av en modul i enkrsitallint kisel kan alltså inte vara högre än 333 kWh per kvm. Av detta är ca

    – 83 kWh/m2 för tillverkningen av rå-kisel från sand
    – 143 kWh/m2 för upparbetning till högrena kiselskivor
    – 67 kWh/m2 för tillverkning av själva solcellen
    – 83 kWh/m2 för inkapsling av solcellen i en modul inkl tillverkning av frontglaset, lödning mm

    (datan är från årsrapporten 2009 som finns på http://www.iea-pvps.org/index.php?id=6 )

    Det finns nyare studier som delvis är i form av vetenskapliga artiklar som inte alla är öppna för allmänheten, plus att företagen själva kanske inte alltid vill berätta vilka vinstmarginaler de har eller inte har.

    Vilken energi går åt att tillverka en bil? Hur mycket kostar plåten, elektroniken…? Eller en smartfon, platt-tv,…

    Ta gärna kontakt med oss på Uppsala universitet för mer information och aktuellare data från världen.

  5. Hej Uwe
    Intressanta siffror för energikostnaden. Det skulle i så fall innebära att energiförbrukningen har halverats (293 kWh per kvadratmeter enligt dina siffror) sedan rapporten från US Department of Energy. I de 600 kWh per kvadratmeter som den kom fram till ingår ju inte produktion av råkisel från sand. Inte heller aluminiumram eller (så vitt jag kan se) livscykelaspekter.
    Att jag valde Energimyndighetens siffror för energiutbyte från solcellspaneler beror helt enkelt på att de är nya, väl definierade och stämmer ganska väl med vad som finns på andra ställen. Med dina data för energiförbrukningen (333 kWh per kvadratmeter) och Energimyndighetens data för utbyte (118 kWh första året och därefter viss nedgång) hamnar jag på tre år i stället för fem år. Övriga problem (”smutsig” el mot ”ren” el och de våldsamma svängningarna) kvarstår förstås.
    Att göra livscykelanalyser av bilar, flygplan etc är klart intressant, men ändrar så vitt jag kan se det inte förutsättningarna för solpaneler. Solpanelerna är enbart tillverkade för att producera energi och har ingen annan (positiv) funktion. De måste generera ett ordentligt överskott över livstiden, annars är de meningslösa.
    Tack för intressanta data.
    /göte

  6. Hej Göte,

    Att räkna hem investeringar beror på varför man gör dem. Om jag står inför alternativen att för pengarna åka till Thailand varje år eller placera pengarna i solceller, så har man snabbare sparat in energin. Med andra ord om Du inte slösar energin/resurser på miljövänliga solceller vilket är då det bättre alternativet?

    Kent