Framtidens energi

Digitaliseringen av energi

Hur kan vi få tillgång till energi när och där det behövs?

 

Den rusande ekonomiska tillväxten i länder som Kina och Indien innebär att vi som planet är på väg att öka vår energiförbrukning med minst 50 % fram till år 2030. Mycket av den massiva tillväxten sker på avlägsna platser som aldrig tidigare har haft elektricitet. Samtidigt blir de traditionella kraftkällor som vi har förlitat oss på allt färre. Allt det gör att vi alltmer aggressivt söker nya energikällor och nya sätt att överföra kraften från dem.

Det pågår ett intensivt arbete att hitta och maximera förnyelsebara energi och skapa innovativa sätt att lagra den kraften så att den kan användas även när solen inte skiner och vinden inte blåser. Smarta kraftnät är livsviktiga för det målet. De använder programvara, givare, elektroniska mätare och internet till att hantera information så att tillgången och efterfrågan på el kan hanteras effektivare och elen levereras när och där den behövs.

Videon, artikeln och informationsgrafiken nedan visar på den massiva omvandling som energibranschen genomgår för att förändra hur världen drivs. Övergången är betydande och kommer att innebära att vi producerar, mäter, säljer, konsumerar, reglerar, lagrar, byter och överför elkraft. Vilken roll spelar smarta kraftnät i det här? Hur kan 3DEXPERIENCE-plattformen hjälpa företag som försöker producera och leverera energi mer effektivt att samarbeta och komma med innovationer?

Går vi in i solkraftens tidsålder?

Året är 2035 och i soliga tropiker och världens ökenområden samlar enorma solpaneler solenergi för produktion av el som skickas vidare till nät som använder den förfinade trådlösa kraftöverföringsteknik som nyligen har förfinats till perfektion. Tillräckligt med energi lagras för kraftproduktion nattetid efter solnedgången.

I miljoner hem och kontor ger prisvärda och effektiva solpaneler och kraftgenererande fönster ytterligare småskalig energiproduktion på plats och under dagens ljusa timmar. Människor kör utsläppsfria bilar som utvecklades redan under 2010-talet av stora biltillverkare som Audi, BMW, Toyota och Honda och drivs med vätebränsle. Bränslet skapas med hjälp av solkraft som delar upp avfallsvatten i väte och syre. Under natten blickar mänskligheten upp mot nya glimrande objekt bland stjärnorna: stora solpaneler i omlopp som skördar kraft dygnet runt i rymdens eviga solljus och skickar den till jorden via mikrovågor eller laserstrålar som fångas upp av jättelika mottagare på marken.

Fantasi? Långt ifrån. Idéer om solkraft och dess potential som jordens dominerande kraftkälla är mycket äldre än hotet från klimatförändringar och åderlåtningen av lättillgängliga fossila bränslen. Den första solenergicellen togs fram 1883 och författaren Isaac Asimov publicerade 1941 novellen Reason som beskriver en rymdstation som strålade ned enorma mängder solenergi med hjälp av mikrovågor. 1968 tog den amerikanska vetenskapsmannen Peter Glaser fram planer på att göra Asimovs drömmar till verklighet, men hindrades av tidens tekniska begränsningar.

Tekniken för en solkraftsdriven värld finns dock redan och tystar de kritiker som menar att global solkraft aldrig kommer att övervinna problemen med långdistansöverföring från soliga till mindre soliga områden, eller lagringslösningar som gör det möjligt att fortsätta producera kraft när det är mörkt.

Kina bygger till exempel redan högspänningskraftledningar för kraftdistribution från växande solkraftsanläggningar över sitt enorma territorium. Bara under de tre första månaderna 2015 utökade den asiatiska giganten kapaciteten i sitt kraftnät med 5 gigawatt solkraft, vilket motsvarar solkraftstillgången i ett större europeiskt land som Frankrike.

Lagringslösningar som redan nu används världen över har framgångsrikt visat hur två metoder fungerar. Med den ena metoden används solkraft till att skapa smälta salter vars värmelagringsegenskaper ger den kraft som behövs för att driva elturbiner hela natten. Andra solkraftsanläggningar använder solstrålar för att komprimera gas som sedan frigörs under natten för att driva turbinerna.

Titta uppåt

Ett mer radikalt svar på problemen med att producera kraft när solen gått ned är rikta uppmärksamheten mot en plats där en aldrig går ned: rymden. Både Kina och Japan planerar rymdbaserade solkraftstationer fram till år 2030 som kommer att få tidigare liknande projekt att se små ut i jämförelse. ”En kommersiellt gångbar rymdskraftstation skulle vara riktigt enorm, med en total solpanelyta på uppemot 5 till 6 kvadratkilometer”, förklarar Wang Xiji från kinesiska vetenskapsakademin.

Varför skulle man bygga kraftstationer i rymden? En stor anledning är att komma åt de betydligt högre nivåerna av solstrålning som finns i rymden, dygnet runt. Mer än 60 % av solens energi går förlorad till följd av reflektion och absorption i jordens atmosfär. ”Rymdbaserade solpaneler kan generera tio gånger mer el än markbaserade paneler per ytenhet”, förklarar den kinesiska rymdteknikern Duan Baoyan.

Det finns enorma utmaningar med rymdbaserad solkraft, särskilt behovet av att säkerställa en mycket precis överföring så att stora ytor av jorden inte bränns av en oerhört kraftfull rörlig stråle. ”Vid kraftöverföring med mikrovågor innebär det en avsevärd utmaning att överföra kraften med träffsäker precision till en mottagande anläggning på marken. Överföring av mikrovågor från en höjd på 36 000 km till en platt yta med en diameter på 3 km är som att trä en nål”, säger Yasuyuki Fukumuro på Japans rymdstyrelse JAXA.

Shimizu Corporation i Japan föreslår ett desto mer häpnadsväckande alternativ med rymdbaserade solpaneler, en 400 km brett bälte av solceller runt månens 11 000 km långa ekvator. Bältet som döpts till Luna Ring skulle kunna stråla ned tillräckligt med energi för att tillgodose världens energibehov på ett ögonblick.

Andra utmaningar är systemunderhåll i den hårda rymdmiljön och att få rymdbaserade solkraftstationer i omlopp. En kommersiellt gångbar rymdskraftstation skulle troligtvis väga mer än 10 000 ton, men få raketer kan idag bära nyttolaster på mer än 100 ton.

Rymdbaserade solkraftstationer utgör enorma utmaningar, men de är ett eko av den typ av utmaningar som föregick människans första steg i rymden på 1960-talet. Många ifrågasatte poängen med att överhuvudtaget skicka människor till rymden och ändå fortsätter de tekniska framstegen och kunskaperna från övervinnandet av de utmaningarna att påverka vår moderna värld.

Markledning

Även om rymdbaserade solkraftstationer är ett fantastiskt mål som driver tekniken mot nya gränser finns den verkliga potentialen i de framsteg som görs på marken. Sanningen är att tillräckligt med solenergi nått jordens yta, även om den försvagas av atmosfären, för att tillgodose mänsklighetens kraftbehov många gånger om. Global Apollo Programme som publicerades av ledande brittiska energiexperter 2015 menar att solen ger 5 000 gånger mer energi till jordens yta än vad hela mänskligheten använder för närvarande.

Utöver det har el från solkraft ständigt blivit billigare i åratal. Kostnaden för solpaneler har störtdykt till en tjugondedel av priset för 25 år sedan, samtidigt som effektiviteten ökar. Dagens kiselbaserade paneler omvandlar ca 20 % av solljuset som träffar dem till elektricitet, tre gånger så mycket som tidiga paneler. Nya paneler baserade på föreningar som galliumarsenid (en bättre elektrisk ledare än kisel) lovar ytterligare förbättringar. Detta trots det faktum att det finns inneboende fysiska begränsningar av solpanelernas effektivitet på grund av olika faktorer – energi som går förlorad genom reflektion och ledningsförmågan hos olika material (Shockley-Queisser-gränsen).

Hur kommer det sig då att endast 1 % av världens elbehov för närvarande kommer från solenergi? Enligt rapporter som Global Apollo Programme och MIT:s rapport 2015, The Future of Solar Energy, är det huvudsakliga hindret inte tekniskt utan politisk tröghet som huvudsakligen upprätthålls av de stora fossila bränsleföretagens intressen och brist på ordentliga investeringar. De visar hur enorma globala subventioner döljer den verkliga kostnaden för den elektricitet som produceras från fossila bränslen och även hur kostnaderna för skador på miljö och hälsa inte räknas in.

Ett annat skäl är i grunden en ”brist på överensstämmelse mellan lagstiftare, regelverk och teknikföretag”, enligt Stéphane Declée, VD för Energy, Process & Utilities industry på Dassault Systèmes, ett globalt programföretag.

”Våra kunder behöver anpassa sig till föränderliga regler och krav. Med vår 3DEXPERIENCE-plattform kan solkraftsföretag demonstrera lösningarnas duglighet och säkerhet för olika intressenter, från lagstiftare till finansiärer och från lokala samhällen till medier”.

En annan utmaning, noterar Declée, är att ”med en växande andel intermittenta energikällor, till exempel solkraft, kommer kraftproduktionen inte alltid att vara tillräcklig i tider av hög efterfrågan”. Lösningen är enligt Declée att utveckla system, exempelvis smarta kraftnät, som reglerar efterfrågan med större precision och bättre kan balansera intermittent tillgång med mer flexibel efterfrågan, till exempel genom att lagra en del av den förnyelsebara energin för användning vid senare tillfällen.

Befintliga exempel

Utöver projekt som drivs av länder som Kina och Japan har många företag innovativa program för att hitta ännu mer effektiva och kostnadseffektiva sätt att producera och lagra energi. Arizonas gigantiska Solana-anläggning är ett bra exempel på den termiska solkraftens potential i en solkraftsdriven framtid. Anläggningens 3 000 jättelika speglar fokuserar öknens solstrålar och genererar supervarm vattenånga som driver jättelika turbiner vilka ger tillräckligt med energi för att driva 70 000 hem. Framförallt har Solana jättelika behållare fyllda med smält salt som lagrar tillräckligt med värme under dagen för att driva turbinerna på full kapacitet i sex timmar efter solnedgången. Inte undra på att antalet anläggningar med termisk solkraft spås fördubblas världen över fram till 2018.

Andra småskaliga tekniska framsteg banar också vägen för en solkraftsdriven framtid. Nya transparenta polymersolceller (PSC) utgör komponenterna i ”solfönster” som producerar el genom att absorbera infrarött ljus medan synligt ljus släpps genom. ”Våra polymersolceller är lätta, flexibla och kan tillverkas i höga volymer till låga kostnader” förklarar Yang Yang, ledare för det UCLA-team som utvecklade cellerna. ”Solfönster är en revolutionerande idé.”

Spelreglerna ändras även inom transportbranschen. Under 2015 har det fjäderlätta planet från Solar Impulse gjort solkraftsdrivna framsteg världen runt även om det är mer troligt att kommersiell luftfart använder solkraft till att producera väte för användning som bränsle. Elbilar som drivs av solkraftsproducerat väte finns redan på vägarna med imponerande resultat. Eicke Weber, chef för Fraunhofer-institutet för solenergisystem i Tyskland, kör en bil som kan färdas 300 km på en 5-minuters laddning vid den solkraftsdrivna ”vätepumpen”.

Befintlig teknik har redan öppnat upp vägen till en framtid med solkraft. En framtid med rymdbaserade stationer som utmanar våra bästa ingenjörer att tänja våra tekniska gränser bland stjärnorna. Allt vi behöver för att solen ska skina klart på den här potentiella energirevolutionen är en förändring av politiska och ekonomiska prioriteringar.

Med företag som Dassault Systèmes som knyter ihop det hela och ger en tydligare gemensam vision av vad framtiden kan bära med sig kan drömmen om en solkraftsdriven framtid snart bli verklighet.

Videon, informationsgrafiken och artikeln publicerades först som en reklamkampanj på bbc.com och skapades av BBC-avdelningen Advertising Commercial Production i samarbete med Dassault Systèmes.