Nu tager vi solens energi til os

Af Palle Vibe, Alt om Data

Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.

De fleste af os har nok den opfattelse, at solcelledrevet transportmiddel er en relativ ny opfindelse. Men det er det langt fra. Solcellen blev opfundet i 1954, og det første 100 procent soldrevne køretøj fik allerede hjul under sig i 1955. Det skete i forbindelse med General Motors biludstilling i Chicago, hvor bilproducenten fremviste en Sunmobile. Der var dog kun tale om 35 cm lang modelbil.

Men det er først nu, at solcellerne for alvor breder sig og får afgørende betydning for mange mennesker. I dag findes solcelledrevne udgaver af ikke bare biler, men også skibe, tog, og fly kan blive drevet af solenergi alene. Og gevinsten er stor.

Solcelledrift er i princippet gratis, og så er den klima- og miljøvenlig og kan udnyttes af alle. Desuden er solenergi uudtømmelig (i hvert fald af mennesker) og uanset, hvor meget solcelledrevne transportmidler bruges, vil det ikke skade vores omgivelser og ressourcer.

En lille, men væsentlig ulempe er det dog, at solceller kun kan producere energi, når Solen skinner. Derfor må en del af solenergien gå til at oplade et batteri, der kan levere strøm i situationer, hvor solcellerne ikke modtager sollys. Men det forbehold er naturligvis tænkt ind i alle solcelledrevne transportmidler.

Hvad er en solcelle?

Solceller kaldes også fotovoltaiske celler og er en form for fotodioder, der omdanner en del af omgivelsernes lysenergi (typisk de synlige og infrarøde elektromagnetiske bølger) til elektrisk energi i form af jævnstrøm. Da solceller henter energien fra alle former for lysbølger, kan man ”fodre” dem med både kunstlys og dagslys. Og de kan af samme årsag også i et vist omfang også producere elektricitet i overskyet vejr.

Solceller er for det meste opbygget af halvledermateriale som krystallinsk silicium (eksempelvis galliumarsenid). En enkelt solcelle kan typisk kun frembringe en spænding på 0,4-0,7 V, men flere celler kan serieforbindes og bringe spændingen op på 15-18 V eller mere og producere en strøm på 5-7 A i klart solskin.

Opstillingen til venstre opfanger CO2 fra atmosfæren og omdanner denne drivhusgas til CO ved hjælp af energi fra sollys.

Solcellers virkningsgrad ligger på gennemsnitligt 15-30 procent – de kan med andre ord ikke udnytte al energi de modtager fra for eksempel solen. Den højeste virkningsgrad fås, når lyset kan skinne direkte og vinkelret ind på solcellerne.

Solceller kan desuden sammensættes til moduler, der igen kan sammensættes til paneler, og på den måde kan effekten nå op på adskillige kilowatt.

Ny type solceller

Solceller er miljø og klimavenlige, da de ikke i drift producerer hverken affaldsstoffer eller CO2. Og nu har en forskergruppe fra University of Illinois i Chicago oven i købet udviklet en solcelle, der ligefrem kan opfange CO2 fra luften og omdanne det til brændstof. Processen minder om fotosyntese, hvor en katalysator indgår i en kemisk reduktion af CO2 til CO, der efterfølgende kan omdannes til eksempelvis metanol (CH3OH) og bruges som energibærer i forbindelse med brændselsceller.

Forskerne har ved brug af molybdændisulfid (MoS2) som katalysator til reduktion af CO2 opnået at danne brint og kulilte (tillige med lidt ilt og nogle brint-ioner). Brug af denne type katalysator er 1000 gange hurtigere end katalysatorer baseret på ædelmetaller og 20 gange billigere, og forskerne mener, at princippet også vil kunne anvendes i større målestok i forbindelse med hele solcelleparker.

På vinger under solen

Elektriske fly er meget miljøvenlige og driftssikre, og et almindeligt flys store vingeareal inviterer næsten til at blive beklædt med solpaneler, så det kan stige til vejrs på solens energivinger. Igen lægger transportmidlets vægt dog begrænsninger på type og design.

Men der eksperimenteres på vinger løs. Og et af de eksperimentalfly, der indtil videre har opnået størst succes, er det schweiziske solarfly Solar Impulse. Dette 100 % solcelledrevne flyveplan er i udviklet som en kommunikationsplatform for ny teknisk, økologisk og økonomisk forskning.

Målet var at konstruere et miljøvenligt motorfly drevet alene ved hjælp af solenergi. Men det navnkundige solcellefly har i sin levetid sat adskillige rekorder og ikke bare foretaget flere langdistanceture over kontinenter og have, men også som første soldrevne fly fløjet hele vejen rundt om Jorden.

Solar Impulse 2, kan under optimale omstændigheder skyde en fart på 140 km/t.

Flyvende berømtheder

Flyet er fremstillet i to eksemplarer. Den første prototype Solar Impulse 1 lettede i 2009 på en 26 timers tur, der også indbefattede ni flyvetimer i mørke. Flyet var en forholdsvis enkel, 1600 kilo tung konstruktion uden trykkabine og et vingefang på små 64 m – dvs. cirka det samme som passagerflyet Airbus A340.

Vingerne var opbygget som en sandwichkonstruktion af kulfiber og beklædt på oversiden med 11.628 solceller, der i dagtimerne kunne producere strøm til fire elektriske motorer på hver 7,5 kW (ca. 10 hk eller det samme som brødrene Wrights første fly tilbage i 1903) ophængt under hver vinge, hvor også fire sæt litium-ion-elementer havde plads.

Den næste prototype, Solar Impulse 2, der netop har foretaget verdens første jordrundflyvning for solcellefly, blev færdigt i 2014. Skroget og vingerne er igen af kulfiber, og flyet vejer omkring 2,3 ton inklusive et cockpit på 3,8 kubikmeter. Vingefanget på 71,9 m giver en overflade på 270 kvadratmeter, og 17.248 solceller leverer op til 66 kW strøm til hver af de fire, 13 kW store motorer på hver 17,4 hk – samt til fire 41 kWh litium-ion-batterier.

Solar Impulse 2 har udstyr til at starte og lande automatisk og kan flyve med en maksimal hastighed på 140 km/t. Marchhastigheden er på 90 km/t. i dagtimerne og 60 km/t. om natten (for at spare strøm) i en maksimal flyvehøjde på små 12.000 km.

Også helikoptere

Men også helikoptere vil måske i fremtiden kunne holdes i luften med solens energirige fotoner. Et hold af studerende fra Queen Mary University i London har bygget, hvad de kalder verdens første Solarcopter, hvilket nærmest er et flyvende solpanel, der ud over de fire rotorer også indeholder et batteri opladet til brug i skyet vejr.

Der er også blevet konstrueret flere bud på solcelledrevne helikoptere, men ingen af dem kan løfte en passager.

Men den lille drone kan udmærket både starte, lande og flyve, selvom det er overskyet, uden at trække på batteriet. Teoretisk vil den solcelledrevne quadcopter kunne holde sig i luften i al evighed – så længe mekanikken kan holde. Konstruktørerne har finpudset og optimeret hver enkelt lille del med hjælp fra specialsoftware, og det er håbet, at den soldrevne drone, der er både stærk, let og modstandsdygtig, vil kunne udvide rækkevidde og aktionsradius for helikopterfartøjer, men med samme manøvredygtighed og flyveegenskaber. Det vil føre til udviklingen af en helt ny type luftfartøjer med hidtil usete muligheder og egenskaber, mener teamet bag Solarcoptero.

Solcellesejl og sejlende solceller

Også på havet står solenergi naturligvis på spring. Skibe er nok tunge, men søfart har den fordel, at det ikke betyder så meget, for er et skib først kommet i fart, har det så meget fremdrift, at der ikke skal meget energi til at holde det sejlende. Et stort og tungt skib har ofte også et stort dæksareal, ligesom der er plads på alle mulige flader og opsatser til solpaneler.

Det er da også lidt efter den opskrift, at solcelleskibe nu så småt er på vej ud gennem eksperimentalstadiet og ud på vandet.

Det tog den soldrevne katamaran Turanor Planetsolar 140 dage at tilbagelægge en 40.000 kilometer lang jordomsejling tættest muligt ved ækvator, hvor sollyset er kraftigst.

648 solmoduler

Det første fartøj, der udelukkende drevet af solenergi sejlede verden rundt allerede i 2012, hedder Turanor Planetsolar. Denne båd er en 31 m lang og 15 m bred katamaran af kulfiber. Stort set alle overflader er overplastret med solceller: 127 solpaneler og 648 solmoduler, der tilsammen vejer 11 ton og i alt dækker 537 kvadratmeter.

Med en effekt på 93,5 kW kan strømmen fra sollyset bringe det 85 ton tunge fartøj op på 14 knob og holde en gennemsnitsfart på 5 knob. Til natsejlads er Planetsolar udstyret med specialdesignede litium-ion-batterier, der kan levere en spædning på 388 V ved 2.910 Ah til hver af de fire elektriske motorer. De har en samlet effekt på 176 kW svarende til 240 hk, så det er ikke nogen svækling.

Turanor Planetsolar er udelukkende bygget med nuværende og frit tilgængelig teknologi for at demonstrere, at energiforsyning fra solceller er gennemprøvet og pålidelig. I dag sejler Turanor Planetsolar rundt og foretager videnskabelige klimaundersøgelser.

Med sejl og mast

Organisationen Peace Boat, der er en slags pendant til Greenpeace, har planer om at bygge et såkaldt Ecoship, dvs. et fartøj med miljøvenlig drivkraft i form af en kombination af sol og vind. Det strømlinede skrog er blandt andet inspireret af formen på en pukkelhval. Skroget er samtidig betrukket med en særlig coating, der har samme lave gnidningsmodstand som fiskeskind.

Solcelledrevne færger findes også. Denne hedder Solar Sailor og holder til i havnen i Sidney.

Det 55.000 ton tunge skib skal blive det mest miljørigtige fartøj, der nogensinde er bygget, lover virksomheden. Drivkraften bliver en futuristisk hybridmotor, der både kan anvende biogas og andre rene biobrændstoffer, og den bliver suppleret af energitilførsel fra 10 nedsænkelige masteaggregater, der kombinerer vindgeneratorer med sol-cellesejl foruden et 6000 kvadratmeter stort solpanel på topdækket. Samlet set kan disse energiopsamlere levere op til 20 procent af skibets energibehov til fremdrift som alt andet.

Ecoship skal efter de foreløbige planer være sejlklart i 2020 og skal fungere som et flydende udstillingsvindue og forskningslaboratorium for grøn energi.

Så ta’r vi solcyklen frem …

Den danske ingeniør Jesper Frausig fra specialfirmaet Gaia Solar har konstrueret en elcykel, som er helt og aldeles drevet af energi fra solceller.

Cyklen, der meget passende hedder Solar Bike, er resultatet af tre års produktudvikling, testning og to andre prototyper, oplyser virksomheden. Solar Bike er designet, så den mest muligt ligner en almindelig cykel bortset fra de iøjnefaldende solceller, der er monteret på begge hjul, og batteriet, som sidder fastmonteret på stellet.

Den dansk-udviklede Solar Bike-cykel kan skyde op til 50 km/t. med en maksimal
rækkevidde på 70 kilometer.

Solcellerne leverer strøm direkte til batteriet, der ligeså snart cyklen står parkeret, bliver ladet op. Og når cyklisten sætter i gang, leverer både batteriet og solcellerne energi til at drive elmotoren. Cyklens solceller er ekstra højeffektive, og cyklen kan køre helt op til 70 kilometer på en opladning. På en solrig dag vil solcellerne kunne oplade batteriet til at fortsætte yderligere 25 kiloemeter.

Standardhastigheden er 25 km/t., men er der brug for det, kan Solar Bike køre op til 50 km/t. Det er blot et spørgsmål om at indstille cyklen til sine behov. Også lygterne er solcelledrevne, så cyklisten altid vil kunne ses under alle forhold.

Solceller sat på skinner

Egentlig er elektrificerede jernbaner som skabt til solcelledrift. Skinnesystem, signaler og rullende materiel er jo i forvejen baseret på elektrisk drift, og både lokomotiver og vogne er med deres store overfladeareal velegnet til at blive plastret til med solpaneler. Problemet er bare, at vogne og lokomotiver er utrolig tunge, og det er derfor mest oplagt at bruge solenergi til togets lys, varme- og ventilationssystemer.

Den lille ungarske sightseeing-vogn Vili fragter seværdighedsglade turister rundt med 25 km/t. takke være strøm fra 10 kvm solceller.

Et italiensk tog med kurvede solcellemoduler på taget har nu i to år som et eksperiment kørt på italienske skinner. Solen oplader store akkumulatorer, der leverer strøm til lys og aircondition, og selv om natten har der ikke hidtil været brug for anden energi. Bag projektet står den italienske togoperatør Trenitalia, der som en af de første togvirksomheder arbejder på at udnytte potentialet ved solcellestrøm til at spare på energien og beskytte miljøet. Under forsøgskørslen genererede solpanelerne 450 kWh miljøvenlig energi og hindrede dermed op til 450 kg CO2 i at blive lukket ud i atmosfæren, oplyser firmaet begejstret.

Bedst til el-systemerne

På samme vis er det oplagt at anvende solceller til at drive dieseltogs elektriske systemer, mens dieselkraft stadig bruges til selve fremdrivningen af toget.

Sådanne DEMU-tog (Diesel Electric Multiple Unit) vil kunne reducere forbruget af dieselolie med op til 90.000 liter om året og samtidig nedsætte CO2-udslippet med over 200 ton. Indian Railways har netop annonceret indsættelse af et delvis solcelledrevet DEMU-tog bestående af lokomotiv og seks vogne med hver 12 solpaneler på taget. Solcellerne kan generere op til 3,6 kW og har dermed rigelig effekt til at trække alle togets elektriske systemer, der højst bruger 2 kW.

I modsætning til busdrift vil det dog være totalt urentabelt at anlægge solcellebestykkede opladestationer til akkumulatordrevne tog. Solpanelerne skulle simpelthen optage adskillige hektar areal for at kunne producere strøm nok. Og dog … for dette areal findes jo tilgængeligt i form af selve banestrækningen, og en fornuftig løsning til fremtidige solcelledrevne jernbaner vil derfor være at projektere en solcellebeklædt overdækning af hele sporstrækningen. Eksperter anslår, at sådan en ”soloverdækning” ville kunne producere mindst en MW for hver anden kilometer og måske helt op til 5 MW for hver anden kilometer beroende på togtype og banestrækning.

Denne solcellebeklædt baneoverdækning leverer strøm til højhastighedslinjen mellem Paris og Amsterdam lige ved Antwerpen og den hollandske grænse.

Netop sådan en solcelleoverdækket strækning er etableret af de belgiske jernbaner på højhastighedslinjen mellem Paris og Amsterdam lige ved Antwerpen og den hollandske grænse. Green Train, som toget på strækningen kaldes, drives udelukkende af strøm fra overdækningens 16.000 solpaneler, der til sammen yder 3,6 gWh eller samme strømmængde, som årligt forbruges af cirka tusind gennemsnitsfamilier. Og solcellestrømmen driver ikke bare toget, men leverer også energi til banens signalanlæg samt belysning og opvarmning af stationerne. Samtidig skærer den miljøvenlige strømproduktion årligt CO2-udslippet ned med 2500 ton.

Det eneste rene soltog

Men der findes i hvert fald et enkelt passagertog, der udelukkende drives frem af solenergi. Det er en specialbygget elektrisk smalsporsvogn indsat på den naturskønne strækning mellem Kiralyret og Kismaros ikke langt fra Budapest i Ungarn.

Den solmotoriserede passagervogn hedder Vili, og den maksimale hastighed er 20-25 km/t. Det gør måske ikke Vili til et eksprestog, men er til gengæld perfekt til sightseeing. Næsten 10 kvadratmeter solpaneler er monteret på vognens tag og oplader batterier under vognsæderne, og disse batterier trækker to computerstyrede elmotorer på 7 kW. Motorerne er monteret på vognakslerne og kan genvinde energi, når Vili bremser.

Computerstyringen og særlige akselgear sørger for, at vognhjulene kan dreje uafhængigt, så der ikke opstår unødigt slid og energispild i kurver, der kan være så skarpe som 50 m i radius. Vili kan dog ikke rigtigt sammenlignes med et rigtigt passager- eller godstog. Der er snarere tale om en solcelle-drevet turistvogn, der er blevet bygget så let og spinkel som mulig for at kunne køre besøgende rundt alene ved hjælp af solenergi.

Solceller på hjul

Solcelledrevne biler er udviklet i snart sagt alle størrelser og former. De allerfleste er dog lette og spinkle køretøjer, der primært er bygget til brug i konkurrencer og til forskningsformål, hvilket da også gennem de seneste år har ført til væsentlig forbedret ydelse.
De allermest effektive køretøjer af slagsen kan køre 400 kilometer uden sollys alene på strøm fra batteriet og nå en hastighed på cirka 160 km/t.

Hybrid er nødvendigt

Desværre er en almindelig husholdningsbil noget nær umulig at designe til 100 procent solcelledrift med dagens teknologi, da den simpelthen er for tung, og overfladearealet for lille til et tilstrækkeligt antal solceller, hvos man vil opnå en blot tålelig ydelse.

Det er ikke nok at lægge et solpanel til tagmontering op på taget af en elbil. Et typisk solpanel fylder et sted mellem 1,5 og 2 kvadratmeter og yder 250 watt, når solen skinner med fuld styrke. Med en sådan ydelse vil et solpanel på taget være 112 timer om at producere 28 kWh (i fuldt solskin). Og bruger bilen energien lige så hurtigt, som panelet kan producere den, vil den blot kunne køre med en gennemsnitsfart på 1,4 km/t.

I Uganda kører solarbussen Kayoola med plads til 35 passagerer – og godt med sol-paneler på taget.

Men solceller kan også indgå i køretøjer på andre måder. Hybridbiler som eksempelvis Toyota Prius fås med solcelletag, der kan producere strøm nok til at drive bilens varme- og ventilationssystem.

Busser og rutebiler er lidt bedre egnet til solcelledrift. Men selv om tagarealet på en bus er væsentlig større end på en personbil, er der stadig store udfordringer med at tilvejebringe tilstrækkelig effekt til at drive en tung bus med mange passagerer alene med solenergi. Kun få såkaldte ”solarbusser” anvender udelukkende energi fra solpaneler til at drive bussens elmotorer og holde batterierne opladet.

Mitsubishi Fuso Truck of America tilbyder solcelleenergi til blandt andet kølevogne.

I New Mexico har der eksempelvis siden 2011 kørt en 14-sæders forsøgsbus indsat af det private selskab IntraCity. Denne såkaldte Solar Buzz er en ombygget elbus udstyret med hjemmebyggede solpaneler på taget, batterier fra en elektrisk golfvogn og drives af to elmotorer. Elforbruget pr. kilometer angives at være mindre end en kaffemaskines. Bussen kører regelmæssigt som en slags shuttle-service til 3 dollar pr. tur.

Lige i hælene ligger Kina, der indsatte sin første solarbustjeneste i 2012. Det kinesiske køretøj, der kan medtage op til 100 passagerer, drives 100 procent af energi fra solpaneler på taget og bruger omkring 0,7 kilowatttimer pr. kilometer. Derudover kører forskellige typer solcelledrevne busser rundt i Indien, Uganda, Østrig, Wales.

Solarbusser er i drift flere steder i verden. Strømmen bliver dog produceret af stationære solpaneler ved busstationerne.

Men de fleste ”solarbusser” i drift er i virkeligheden hybridkøretøjer, der kun drives delvis af solenergi. I stedet oplades bussens batterier af stationære solpaneler ved enten stoppesteder, hvor solpanelerne samtidig kan fungere som overdækning, eller i særlige opladestationer.

Strøm nok til Wi-Fi

Verdens første solcelledrevne bus af denne type blev sluppet løs i det solrige Australien i 2007. Den australske solarbus hedder Tindo og kører stadig udelukkende på energi fra Solen. Tindo kan køre 200 kilometer på en opladning og forcerer bakker med samme lethed som en dieselbus.

Bussen kan medbringe 40 passagerer, og rejsen er gratis. Der er oven i købet strøm nok til gratis Wi-Fi i bussen, der takket være den rene energiform skulle spare atmosfæren for 70 ton CO2 årligt.

Det vigtigste instrument i en solcelledrevet bil er den måler, der viser strømforbruget.

Samme princip vil naturligvis være fristende at tænke sig i forbindelse med mindre private elbiler, men omfanget af nødvendige solpaneler på opladestationerne rundt om i storbyer og forstæder gør foreløbig tanken temmelig upraktisk.

Vægtproblemet i forbindelse med eventuel komplet solcelledrift er naturligvis endnu større for lastvogne og trucks. Endnu findes der heller ikke nogen 100 procent solcelledrevne godsbiler, men det amerikanske firma Mitsubishi Fuso Truck of America tilbyder dog solcelledrevet teknik til kølevogne, kranbiler, gaffeltrucks, vippeladvogne og lignende. Firmaet kan tilbyde alt fra små 30 watt-paneler til store 6400 watt-systemer, hvilket både sparer brændstof og nedsætter CO2-udslippet.