Een hetere planeet maakt zonne-energie minder efficiënt

Zonne-energie is een groene, hernieuwbare energiebron en een belangrijke manier om de afhankelijkheid van de planeet van fossiele brandstoffen te verminderen. De grote hoop is dat deze en andere hernieuwbare bronnen kunnen helpen de opwarming die ons klimaat bedreigt, terug te draaien.

Maar er is een probleem: klimaatverandering zal waarschijnlijk een aanzienlijke impact hebben op de opwekking van zonne-energie, niet in de laatste plaats vanwege veranderingen in de hoeveelheid invallend zonlicht in verschillende delen van de wereld. Sommige gebieden zullen meer zonlicht zien en andere minder vanwege veranderingen in bewolking, atmosferisch watergehalte, aerosolen, enzovoort. De meeste plaatsen zullen een grotere variabiliteit zien.

De exacte veranderingen op specifieke locaties zijn moeilijk te berekenen. Dat is de reden waarom wetenschappers, beleidsmakers, energieleveranciers en anderen moeite hebben om te voorspellen hoe hun gebieden zullen worden beïnvloed.

Vandaag laten Ian Peters en Tonio Buonassisi van het MIT zien waarom er nog een andere factor in aanmerking moet worden genomen: temperatuur. De output van fotovoltaïsche cellen daalt naarmate ze heter worden. Maar hoe dit zich zal opstapelen naarmate de planeet opwarmt, is slecht begrepen, en dat is waar Peters en Buonassisi tussenkomen.

Fotovoltaïsche cellen creëren stroom wanneer zonlicht energie overdraagt ​​aan elektronen in het materiaal. Dit proces creëert ook positief geladen gaten in de structuur die in de tegenovergestelde richting van elektronen stromen.

Een belangrijke factor in de efficiëntie van fotovoltaïsche cellen is de snelheid waarmee elektronen recombineren met de gaten, een proces dat ze uit de geleidingsband haalt en zo de output vermindert. Deze snelheid is zeer temperatuurgevoelig: hoe heter het is, hoe hoger de recombinatiesnelheid.

Dat zal waarschijnlijk een belangrijke rol spelen naarmate de planeet opwarmt, zeggen Peters en Buonassisi. Ze berekenen dat het fotovoltaïsche vermogen gemiddeld met 0,45% afneemt voor elke graad temperatuurstijging.

Vervolgens bestuderen ze het effect van deze verandering aan de hand van de temperatuurverandering die is voorspeld door het International Panel on Climate Change. Het IPCC heeft verschillende voorspellingen gedaan op basis van verschillende schattingen van de toekomstige uitstoot van broeikasgassen. Peters en Buonassisi gebruiken het zogenaamde 'Representative Concentration Pathway 4.5'-scenario, waarin de uitstoot in 2040 piekt en de gemiddelde wereldtemperatuur in 2100 met 1,8 graden Kelvin stijgt.

Aangezien de temperatuur bijna overal op de landmassa van onze planeet stijgt, wordt de energie-output overal verminderd, zeggen ze. Maar sommige gebieden zullen slechter af zijn dan andere. Vooral de zuidelijke Verenigde Staten, Zuid-Afrika en Centraal-Azië worden getroffen.

Ze gaan verder met het produceren van een globale kaart die de omvang van de verandering in het vermogen in elk gebied laat zien.

Uiteraard wijzen de onderzoekers op een aantal kanttekeningen. Ze zeggen dat andere factoren ook het vermogen van fotovoltaïsche cellen zullen beïnvloeden. In het bijzonder zal de hoeveelheid invallend zonlicht afhangen van de bewolking en het atmosferische watergehalte (d.w.z. vochtigheid).

En ze wijzen erop dat het cijfer van -0,45%/K dat ze gebruiken om de daling van het uitgangsvermogen te berekenen slechts een representatief getal is. Doorbraken in de materiaalwetenschap zouden dit in de toekomst aanzienlijk kunnen veranderen. Materialen met een grotere bandafstand, zoals cadmiumtelluride, hebben bijvoorbeeld een aanzienlijk kleinere daling in efficiëntie.

Toch is de boodschap duidelijk. Door de opwarming van de aarde zal de hoeveelheid stroom die fotovoltaïsche cellen kunnen produceren, op sommige plaatsen aanzienlijk verminderen. En daar moet rekening mee worden gehouden als het gaat om toekomstige energieplanning.

Referentie: arxiv.org/abs/1908.00622 : De impact van de opwarming van de aarde op silicium PV-energieopbrengst in 2100

zich verstoppen