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? TW 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

Solar ¡RadiaFon ¡PotenFal • 1368 W/m 2 “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/m 2 D D = 12,735 km X surface area of earth A = 51 Gha = 87 x 10 15 W = 87 PW

Power ¡per ¡Land ¡Area ¡EsFmates 1. Average ¡Global ¡Solar ¡RadiaFon 170 ¡W/m 2 • 2. Wind ¡power ¡(v ¡= ¡6m/s, ¡ ρ ¡= ¡1.3 ¡kg/m 3 , ¡5d spacing) 4.4 ¡W/m 2 • 3. NPP ¡(NPP/13 ¡Gha) 0.4 ¡W/m 2 •

How ¡much ¡do ¡we ¡use? BP ¡StaFsFcal ¡Review ¡2011

How ¡much ¡is ¡there? 12X10 9 toe x 42 GJ/toe = 504 EJ 504 EJ/(32 x 10 6 sec) = 16 TW TW 16 TW Solar ¡= ¡87,000/16 ¡ ≈ ¡5000X

Photovoltaics 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. Pic on left: Vandasye.com

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/m 2 ¡= ¡1500 ¡kWh/yr ¡= ¡4.1 ¡kWh/day

• 170 ¡W/m 2 ¡= ¡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 • Efficiency ¡improving noon rapidly • 255 ¡W/m2 ¡-­‑ ¡Niamey, ¡Niger, • Costs ¡coming ¡down Average rapidly ¡due ¡in ¡part ¡to • 170 ¡W/m2 ¡Global ¡Ave. over ¡capacity • 105 ¡W/m2 ¡Hamburg, • “Most ¡appealing” ¡Smil Germany ¡Average • Global ¡opFmizaFon • 19 ¡W/m2 ¡-­‑ ¡actual ¡output Santa ¡Cruz, ¡CA, ¡Average • But ¡potenFal ¡(5000 ¡X (WOHA ¡p ¡40) current ¡use) ¡is ¡over ¡sold • 5 ¡W/m2 ¡-­‑ ¡actual ¡output Bavaria, ¡Germany, ¡Ave.

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

Life ¡cycle ¡CO2 ¡of ¡photovoltaic Stage ¡1 Stage ¡2 Stage ¡3 Stage ¡4 Stage ¡5 Stage ¡6 Stage ¡7 SOG-­‑Si ¡ Poly-­‑Si Si-­‑ingot Wafer Cell PV ¡module Usage ¡and ¡Waste 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 2 ! " 1 4 d 2 v 3 = " Power Land Area = 200 ! v 3 25 d 2 Spacing should be at least 5d see Smil (SENS p 255) Graphic from MacKay (WOHA) For ρ = 1.3 kg/m 3 , v = 6 m/s, eff. = 1.0 this gives 4.4 W/m 2

Wind ¡-­‑ ¡Albert ¡Betz ¡1919 P C p ! 1 2 " v 3 A Fig 7.17 from Fay and Golomb, other graphic from MacKay

Power ¡per ¡Land ¡Area ¡EsFmates 1. Average ¡Global ¡Solar ¡RadiaFon ¡(30% ¡eff.) 170 ¡ ⇒ ¡50 ¡W/m 2 • 2. Wind ¡power ¡(v ¡= ¡6m/s, ¡ ρ ¡= ¡1.3 ¡kg/m 3 , ¡5d spacing, ¡50% ¡eff.) 4.4 ¡ ⇒ ¡2.2 ¡W/m 2 • 3. NPP ¡(NPP/13 ¡Gha) 0.4 ¡W/m 2 •

Wind-­‑ ¡Summary • Power ¡ ≈ ¡v 3 , ¡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 t = 0 1 2 3 4 5… t L e E m Time to breakeven = t B = E m /e Energy Return on Energy Investment = EROI = et L /E m

Current Estimates* EROI Time to break even (assume 25 yr life) • Wind ¡~ ¡25 • Wind ¡~ ¡1 ¡year • Nuclear ¡~ ¡5 ¡to ¡15 • Nuclear ¡~2-­‑5 ¡years • PV ¡~ ¡5 ¡to ¡12 • PV ¡~ ¡2 ¡to ¡5 ¡years *Values can range considerably, these agree with Smil 2008

Kubiszewski,Cleveland, 2007, 2011

EROI in Smil (SENS 2008)

EROI for Wind Energy Kubiszewski,Cleveland, 2007, 2011

Effects of Growth on Energy Payback 2007-2008 Vital Signs

Ensemble showing Growth t = 0, 1 2 3 4 5 e1 E1

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

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

Ensemble Energy Measures 0 ! n ! t L ! M = E m N o (1 + r ) n n (1 + r ) i # 1 = eN o r [(1 + r ) n # 1] " ! p = eN o i = 1 r [(1 " rt B )(1 + r ) n " 1] ! T = " ! M + ! p = eN o (GGB)

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

OpFmum ¡Growth ¡Rate

Ensemble Performance Metrics (1 + r ) n " 1 EsEROI = ! p = 1 ! M (1 + r ) n rt B n B = ! log(1 ! rt B ) log(1 + r ) (GGB)

n B Figure 1: n B Vs r

n B /t B Figure 2: n B / t B Vs r t B

PV ¡Case ¡Example 1. t B = 1.5 years; t L = 25 years; EROI = 16.7; r = 20% This gives, n B = 2 years and EsEROI (t L ) = 3.3 2. t B = 3 years; t L = 25 years; EROI = 8.3; r = 30% This gives, n B = 8.8 years and EsEROI (t L ) = 1.1 3. t B = 3 years; t L = 25 years; EROI = 8.3; r = 35% This gives, n B = , EsEROI(t L ) < 1 and ε T (t L )<0. (GGB)

n B <t L n B >t L n B → ∞

Growth • Dynamic ¡effect ¡depends ¡on ¡staFc ¡measures and ¡growth ¡relaFve ¡to ¡t B • 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 t B = E M + E storage e ! " roundtrip

OpportuniFes ¡for ¡Improvement min e = ! e e max E M = E M ! M min t B = E M 1 " E M e = ! M ! e e max

Sustainable ¡energy – ¡without ¡the ¡hot ¡air UK ¡Energy demand esFmate ¡195 ¡kWh/p/day ( ≅ ¡260 ¡GJ/yr) Note: Canada 450 GJ/y USA 360 GJ/y EU 160 GJ/y hpp://www.withouthotair.com/ Japan 185 GJ/y (SENS p 285)

Solar ¡– ¡PV ¡(roof) Assuming ¡the ¡higher ¡end ¡efficiency ¡of ¡20%: 20% ¡x ¡110 ¡W/m 2 ¡= ¡22 ¡W ¡/ ¡m 2 Assuming ¡10 ¡m 2 ¡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 ¡10m 2 ¡x ¡110 ¡W/m 2 Solar ¡heaFng ¡can ¡deliver: 13 ¡kWh/day/person