RENEWABLES 2.83/2.813 T. Gutowski with S. Sahni Readings (in - - PowerPoint PPT Presentation

RENEWABLES

2.83/2.813

• T. ¡Gutowski

with ¡S. ¡Sahni

Readings ¡(in ¡bold) ¡& ¡References

• Ashby Ch.10
• Smil, p. 26-34, 196-210
• MacKay, “Sustainable Energy - without the hot

air” (available free on-line)

– Solar p 38-42, 45-48 – Wind p 32-34, 263-268, off-shore p 60-66

• Gutowski, Gershwin, Buonassisi, “Energy

Payback…” IEEE 2009 (GGB)

• Smil, “Energy in Nature and Society” MIT 2008

(SENS)

Outline

• 1. Available ¡renewable ¡energy ¡resources
• 2. Photovoltaics
• 3. Wind
• 4. Energy ¡Payback ¡and ¡Growth
• 5. Renewables ¡esFmate ¡for ¡the ¡UK
• 6. Summary ¡Comments

Powering ¡the ¡Biosphere

Solar radiation Gravitational pull Core heat

How ¡much ¡is ¡there?

Refs: ¡Solar: Smil, Energy p32

Geothermal: Smil, Energy in nature and society, p39 Wind: (SENSp254), Global potential for wind-generated electricity PNAS, andhttp://www.thinkglobalgreen.org/WINDPOWER.html Biomass: Calculated from NPP Tidal: http://www.thew2o.net/events/oceanenergy/images/tidal_energy.pdf Hydro: Renewable Energy, Johnson, Kelly, Reddy, and Williams, Island Press, 1993

TW

Solar ¡RadiaFon ¡PotenFal

D

• 1368 W/m2 “solar constant”
• Losses:
• 1/2 for dark side
• 1/2 for curvature
• 1/2 for reflection and absorption

This gives a global average of 170 W/m2 X surface area of earth = 87 x 10 15 W = 87 PW

D = 12,735 km A = 51 Gha

Power ¡per ¡Land ¡Area ¡EsFmates

• 1. Average ¡Global ¡Solar ¡RadiaFon
• 170 ¡W/m2
• 2. Wind ¡power ¡(v ¡= ¡6m/s, ¡ρ ¡= ¡1.3 ¡kg/m3, ¡5d

spacing)

• 4.4 ¡W/m2
• 3. NPP ¡(NPP/13 ¡Gha)
• 0.4 ¡W/m2

How ¡much ¡do ¡we ¡use?

BP ¡StaFsFcal ¡Review ¡2011

How ¡much ¡is ¡there?

Solar ¡= ¡87,000/16 ¡≈ ¡5000X

12X109 toe x 42 GJ/toe = 504 EJ 504 EJ/(32 x 106 sec) = 16 TW

16 TW TW

Photovoltaics

Pic on left: Vandasye.com

PV: Solid state semiconductor devices, photons deliver energy to carriers of electric current - electrons and holes. A semiconductor diode separates and collects the carriers and conducts the generated electrical current preferentially in a specific direction. For single junction panels without concentrators the Shockley-Queisser efficiency Limit (radiation/electricity) is 31%

Luque & Hegedus, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering). J. Wiley.

2011 Handbook of Photovoltaic Science and Technology, Luque & Hegedus

Shockley-­‑Queisser ¡Limit

Si- single crystal

PV development

Annual Average Improvement 2.1%

Solar ¡-­‑ ¡PV

MacKay, 2009

• 170 ¡W/m2 ¡= ¡1500 ¡kWh/yr ¡= ¡4.1 ¡kWh/day

• 170 ¡W/m2 ¡= ¡1500 ¡kWh/yr ¡= ¡4.1 ¡kWh/day

PV potential including temperature effect

Kawajiri, Ooseki, Genchi, ES&T 2011

PV ¡Summary

• 1000W/m2 ¡-­‑ ¡sunny ¡day ¡at

noon

• 255 ¡W/m2 ¡-­‑ ¡Niamey, ¡Niger,

Average

• 170 ¡W/m2 ¡Global ¡Ave.
• 105 ¡W/m2 ¡Hamburg,

Germany ¡Average

• 19 ¡W/m2 ¡-­‑ ¡actual ¡output

Santa ¡Cruz, ¡CA, ¡Average (WOHA ¡p ¡40)

• 5 ¡W/m2 ¡-­‑ ¡actual ¡output

Bavaria, ¡Germany, ¡Ave.

• Efficiency ¡improving

rapidly

• Costs ¡coming ¡down

rapidly ¡due ¡in ¡part ¡to

• ver ¡capacity
• “Most ¡appealing” ¡Smil
• Global ¡opFmizaFon
• But ¡potenFal ¡(5000 ¡X

current ¡use) ¡is ¡over ¡sold

Luque, ¡A.; ¡Hegedus, ¡S. ¡Handbook ¡of ¡Photovoltaic ¡Science ¡ and ¡Engineering, ¡John ¡Wiley ¡and ¡Sons. ¡2011

Life ¡cycle ¡CO2 ¡of ¡photovoltaic

Stage ¡1 SOG-­‑Si ¡ Stage ¡6 PV ¡module Stage ¡7 Usage ¡and ¡Waste Stage ¡5 Cell Stage ¡2 Poly-­‑Si Stage ¡3 Si-­‑ingot Stage ¡4 Wafer

Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5 Stage 1 US CA CA CA CA Stage 2 CN JP JP JP JP Stage 3 CN NO NO NO NO Stage 4 CN JP JP JP JP Stage 5 CN JP JP JP JP Stage 6 CN ES ES ES ES Stage 7 DE US Tibet Gobi Nepal

• K. Kawajiri and Y. Genchi,

The Right Place for the Right Job in the Photovoltaic Life Cycle ES&T (under review)

Wind

Power ¡=

Wind ¡-­‑ ¡spacing ¡at ¡5d

Power Land Area = 1 2 ! " 4 d 2v3 25d 2 = " 200 !v3

For ρ = 1.3 kg/m3, v = 6 m/s, eff. = 1.0 this gives 4.4 W/m2 Spacing should be at least 5d see Smil (SENS p 255) Graphic from MacKay (WOHA)

Wind ¡-­‑ ¡Albert ¡Betz ¡1919

Fig 7.17 from Fay and Golomb, other graphic from MacKay

Cp ! P 1 2 "v3A

Power ¡per ¡Land ¡Area ¡EsFmates

• 1. Average ¡Global ¡Solar ¡RadiaFon ¡(30% ¡eff.)
• 170 ¡⇒ ¡50 ¡W/m2
• 2. Wind ¡power ¡(v ¡= ¡6m/s, ¡ρ ¡= ¡1.3 ¡kg/m3, ¡5d

spacing, ¡50% ¡eff.)

• 4.4 ¡⇒ ¡2.2 ¡W/m2
• 3. NPP ¡(NPP/13 ¡Gha)
• 0.4 ¡W/m2

Wind-­‑ ¡Summary

• Power ¡≈ ¡v3, ¡go ¡high ¡and ¡go ¡off-­‑shore
• Range ¡1.2 ¡to ¡22 ¡W/m2 ¡(SENS ¡p ¡255)
• Maintenance ¡and ¡corrosion ¡off-­‑ ¡shore
• Fast ¡energy ¡payback
• Limited ¡potenFal ¡≈ ¡6 ¡TW ¡not ¡72 ¡TW ¡(several

sources)

Power/ ¡land ¡density ¡from ¡Smil

Energy, Beginners Guide (SENS Ch 11)

Energy Return on Investment (EROI)

Cutler Cleveland

Energy Payback

Time to breakeven = tB = Em/e Energy Return on Energy Investment = EROI = etL/Em

Em e t = 0 1 2 3 4 5… tL

Current Estimates*

Time to break even

• Wind ¡~ ¡1 ¡year
• Nuclear ¡~2-­‑5 ¡years
• PV ¡~ ¡2 ¡to ¡5 ¡years

EROI

(assume 25 yr life)

• Wind ¡~ ¡25
• Nuclear ¡~ ¡5 ¡to ¡15
• PV ¡~ ¡5 ¡to ¡12

*Values can range considerably, these agree with Smil 2008

Kubiszewski,Cleveland, 2007, 2011

EROI in Smil (SENS 2008)

Kubiszewski,Cleveland, 2007, 2011

EROI for Wind Energy

Vital Signs 2007-2008

Effects of Growth on Energy Payback

E1 e1 t = 0, 1 2 3 4 5

Ensemble showing Growth

E1 e1 E2 e2 t = 0, 1 2 3 4 5

Ensemble showing Growth

E1 e1 E2 E3 E4 e2 e4 t = 0, 1 2 3 4 5

Ensemble showing Growth

Ensemble Energy Measures

!M = EmNo(1+ r)n

! p = eNo

i=1 n

"

(1+ r)i#1 = eNo r [(1+ r)n #1]

!T = "!M + ! p = eNo r [(1" rtB)(1+ r)n "1]

0 ! n ! tL

(GGB)

Total Net Energy for Different Growth Rates: r = 0.32 and r = 0.35

OpFmum ¡Growth ¡Rate

Ensemble Performance Metrics

EsEROI = ! p !M = 1 rtB (1+ r)n "1 (1+ r)n

nB = ! log(1! rtB) log(1+ r)

(GGB)

nB Figure 1: nB Vs r

Figure 2: nB / tB Vs r tB

nB/tB

PV ¡Case ¡Example

• 1. tB = 1.5 years; tL = 25 years; EROI = 16.7; r = 20%

This gives, nB = 2 years and EsEROI (tL) = 3.3

• 2. tB = 3 years; tL = 25 years; EROI = 8.3; r = 30%

This gives, nB = 8.8 years and EsEROI (tL) = 1.1

• 3. tB = 3 years; tL = 25 years; EROI = 8.3; r = 35%

This gives, nB = , EsEROI(tL) < 1 and εT(tL)<0. (GGB)

nB<tL nB>tL nB→∞

Growth

• Dynamic ¡effect ¡depends ¡on ¡staFc ¡measures

and ¡growth ¡relaFve ¡to ¡tB

• Can ¡significantly ¡delay ¡benefits
• Quickly ¡reversed
• StaFc ¡measures ¡become ¡worse ¡with ¡storage
• “No ¡growth” ¡never ¡happens, ¡replacement

guarantees ¡that ¡there ¡is ¡always ¡some ¡growth

ReducFons ¡in ¡Performance

• Breakdown
• Fouling
• Nature
• Storage ¡round ¡trip

efficiency

• Energy ¡requirements

for ¡the ¡storage ¡units

When ¡you ¡add ¡storage

tB = EM + Estorage e!"roundtrip

OpportuniFes ¡for ¡Improvement

EM = EM

min

!M

e = !eemax

tB = EM e = 1 !M!e " EM

min

emax

Sustainable ¡energy – ¡without ¡the ¡hot ¡air

UK ¡Energy demand esFmate ¡195 ¡kWh/p/day (≅ ¡260 ¡GJ/yr)

hpp://www.withouthotair.com/ Note: Canada 450 GJ/y USA 360 GJ/y EU 160 GJ/y Japan 185 GJ/y (SENS p 285)

Solar ¡– ¡PV ¡(roof)

Assuming ¡the ¡higher ¡end ¡efficiency ¡of ¡20%: 20% ¡x ¡110 ¡W/m2 ¡= ¡22 ¡W ¡/ ¡m2 Assuming ¡10 ¡m2 ¡of ¡solar ¡panel ¡space ¡per ¡person (this ¡equals ¡all ¡south ¡facing ¡roofs ¡in ¡the ¡UK) Total ¡solar ¡power ¡delivered: 5 ¡kWh ¡/ ¡day ¡/ ¡person

Solar ¡-­‑ ¡thermal

Assume ¡a ¡50% ¡efficiency ¡of ¡the ¡solar ¡thermal panels ¡to ¡convert ¡sunlight ¡to ¡hot ¡water 50% ¡x ¡10m2 ¡x ¡110 ¡W/m2 Solar ¡heaFng ¡can ¡deliver: 13 ¡kWh/day/person

What ¡about ¡solar ¡farming?

Solar ¡forms ¡in ¡Nellis ¡AFB

hpp://www.defenseindustrydaily.com/Baking-­‑in-­‑the-­‑Mojave-­‑Sun-­‑US-­‑Army-­‑Awards-­‑2B-­‑Fort-­‑Irwin-­‑Solar-­‑Farm-­‑Project-­‑05858/

Lets ¡cover ¡5% ¡of ¡UK ¡with ¡10% efficiency ¡panel ¡(since ¡they ¡are cheaper ¡to ¡scale ¡up) 10% ¡x ¡100 ¡W/m2 ¡x ¡200 ¡m2 ¡per person 50 ¡kWh/day/person

Wind

UK ¡populaFon ¡density ¡= ¡250 ¡people ¡/ ¡km2 ¡= ¡4000 ¡m2 ¡/ ¡person Wind ¡power ¡per ¡unit ¡area ¡= ¡2 ¡W ¡/ ¡m2 Wind ¡power ¡can ¡generate ¡= ¡8000 ¡W ¡/ ¡person ¡= ¡200 ¡kWh/person/day Assuming ¡not ¡more ¡than ¡10% ¡of ¡land ¡will ¡be ¡covered PotenNal ¡for ¡Wind ¡Energy ¡= ¡20 ¡kWh ¡/ ¡d

Solar ¡& ¡Wind

Solar and wind = 88 kWh/d Vs 195 kWh/d (demand) We Need More!

Wind ¡offshore

Power ¡density ¡of ¡3 ¡W/m2 ¡from ¡empirical ¡data This ¡is ¡50% ¡more ¡than ¡the ¡onshore ¡esFmate Shallow ¡offshore Deep ¡Offshore Around ¡Britain ¡the shallow ¡water ¡is about ¡40,000 ¡km2 = ¡48 ¡kWh/d/person Leaving ¡space ¡for shipping ¡corridors and ¡fishing = ¡16 ¡kWh/d/person Around ¡Britain ¡the shallow ¡water ¡is about ¡80,000 ¡km2 = ¡96 ¡kWh/d/person Leaving ¡space ¡for shipping ¡corridors = ¡32 ¡kWh/d/person

Power density of biomass = 0.5 W/m2 Assume 3/4th of land is covered with quality green stuff  0.5 W/m2 * 3000 m2 per person = 36 kWh/d 24 kWh/d

Application efficiency

67%

More ¡Renewables

Solar, wind, hydro, biomass = 161.5 kWh/d Vs 195 kWh/d (demand) We Need a Little More!

Total ¡= ¡18 ¡kWh/d

UK ¡Energy ¡Demand ¡and ¡Renewable ¡Supply

Average British energy demand excluding imports and solar energy acquired thru food production

What ¡are ¡the ¡opFons ¡for ¡the ¡UK?

• ConservaFon
• Trading
• Nuclear ¡Power?

Summary

• DiluFon ¡and ¡land ¡requirements
• Nature ¡and ¡her ¡effects
• Global ¡opFmizaFon
• Growth ¡effects
• Storage
• New ¡technologies
• Cost ¡and ¡payback