Solkraft arealbehov

Dette er femte innlegg i en serie om energi. Det handler om arealbehovet til solkraft. Det første innlegget i serien er en oversikt, og hele serien er samlet i en pdf-file.

Jeg vil se på energi produsert med solceller. De omdanner solenergi direkte til elektrisk energi ved hjelp av den fotovoltaiske (PV) effekten. De kan monteres i liten skala på hustak og lignende, eller i stor skala i svære kraftverk. Solkraft kan også generes ved å konsentrere solstrålene til et lite område (Concentrated Solar Power, CSP) der varmeenergien brukes til å generere strøm i et varmekraftverk. I 2017 sto CSP for bare 2 prosent av installert solkraftkapasitet. CSP er lite aktuelt i Norge, og det vil ikke omtales mer i dette innlegget.

Et tidligere innlegg har satt det nyttbare energibehovet til en person lik ti tusen kilowattimer (kWh) per år. Et solcellepanel på cirka 50 m², avhengig av lokasjon, dekker det behovet. Når det monteres på hustak og lignende, er det ikke noe ytre arealbehov utover det. I store solcellekraftverk kommer veier, bygninger og annen infrastruktur i tillegg. Slike kraftverk bygges i solrike områder, som i sørlige USA, og legger typisk direkte beslag på cirka 125 m² for å dekker det nyttbare energibehovet til en person. Totalarealet til solkraftverkene er typisk 10 prosent større enn det direkte beslaglagte området.

Arealbehov små solcellepaneler

Jeg ser først på små solcellepaneler som monteres på bygninger og lignende.

Et godt Panasonic solpanel har kapasitet cirka 200 watt per m². Tabell 1 tar utgangspunkt et slikt panel på 50 m², dvs. med kapasitet 10 kW. Nettsiden Global Solar Atlas beregner forventet energimengde (PVOUT) som et solcellepanel med en gitt kapasitet vil produsere per år. Den tar hensyn til breddegrad, sol- og værforhold og panelets orientering. Tabell 1 viser seks forskjellige plasseringer.

Tabell 1: Forventet årlig produksjon fra et solcellepanel med kapasitet 10 kW. Det er beregnet av Global Solar Atlas for små solcellepanel (small residential ).Orientering i fet skrift er beregnet av Global Solar Atlas som optimal orientering. Rotasjon 180 grader er vendt mot syd, og 270 grader er vendt mot vest. Et solcellepanel med kapasitet 10 kW dekker cirka 50 m².

Det nyttbare energibehovet til en person er cirka ti tusen kWh per år. Med optimal orientering må et solcellepanel i Oslo dekke 53 m², på Stord 60 m², i Munchen 46 m² og i New Dehli 37 m² for å dekke det behovet. Dette er arealet til selve solcellepanelet. Arealbehov inne i bygningene til elektronikk, ledninger etc. kommer i tillegg.

Arealbehov store solcellekraftverk

NREL skrev rapporten Land-Use Requirements for Solar Power Plants in the United States i 2013 der de undersøkte arealbehovet til solkraftverk som var i drift og under planlegging. For store kraftverk basert på solcellepaneler beregnet de som et vektet gjennomsnitt at direkte beslaglagte arealer med paneler, veier, bygninger og annen infrastruktur la beslag på 12,5 m² per tusen kWh strøm per år. Det tilsvarer 125 m² for å dekke det nyttbare energibehovet til en person. Det totale arealet var 9,7 prosent større, dvs. at det nyttbare energibehovet til en person krever totalt 137 m² areal.

Effektivitet

Global Solar Atlas beregner også energien i solinnstrålingen per m² på et skråstilt solcellepanel (GTI). Hvis vi antar at solcellepanelets kapasitet er 200 watt per m², viser beregningene til Global Solar Atlas at effektiviteten, dvs. hvor mye av solinnstrålingen som konverteres til strøm, er mellom 15 og 16 prosent for de seks lokasjonene i Tabell 1. Wikipedia forklarer godt faktorene som påvirker effektiviteten, og verdiene jeg regnet meg frem til basert på Global Solar Atlas virker rimelige.

Kapasitetsfaktor

Kapasiteten til solceller oppgis i watt som vil produseres under optimale solforhold. Men fordi solen ikke alltid skinner er gjennomsnittlig effekt betydelig mindre enn kapasiteten. Kapasitetsfaktoren er forholdet mellom gjennomsnittlig produsert effekt og kapasiteten. I følge Wikipedia var kapasitetsfaktoren i USA i 2018 i kommersielle solcellekraftverk i gjennomsnitt 26 prosent. De skriver at det er store variasjoner, og at kapasitetsfaktoren i Massachuset var 13,4 prosent. I Storbritannia har den i de siste årene vært omkring 11 prosent. Gjennomsnittlig kapasitetsfaktor for store solcellekraftverk i den tidligere omtalte NREL rapporten har jeg beregnet til 26,5 prosent.

Kapasitetsfaktoren for de fire lokasjonene med optimal orientering i Tabell 1 varierer fra 9,5 prosent på Stord til 15,4 prosent i New Delhi. I solrike områder sør i USA finner jeg med Global Solar Atlas områder med kapasitetsfaktor opp til 22 prosent, men ikke høyere. Disse faktorene ligger alle i spennet som Wikipedia hevder.

Eksempel stort solcellekraftverk

Agua Caliente i Arizona er et av verdens største solcellekraftverk. Det har kapasitet 290 MW og årlig produksjon 740 GWh, som tilsvarer en kapasitetsfaktor på 29 prosent. Basert på anslagene til Global Solar Atlas er forventet kapasitetsfaktor 21,5 prosent for et solkraftverk på denne lokasjonen, dvs. betydelig mindre enn Agua Caliente oppnår. Jeg antar at det skyldes at Agua Caliente bruker bedre solcelleteknologi enn Global Solar Atlas baserer sine beregninger på.

Solkraftverket dekker totalt 971 hektar, som betyr at 131 m² i dette kraftverket dekker det nyttbare energibehovet til en person. Det er litt mindre, dvs. bedre, enn gjennomsnittet på 137 m² i NREL-rapporten omtalt tidligere.