Mistä saadaan sähköä – uusiutuvat!

Uusiutuvat

Mennään nyt ensin teoria edellä ja siirrytään sitten käytäntöihin. Uusiutuvan energian tuotannon analysointi Maxwellin yhtälöiden ja PDE -yhtälöiden avulla perustuu sähkö- ja magneettikenttien vuorovaikutuksen kuvaamiseen, sillä monet uusiutuvat energialähteet (erityisesti aurinko- ja tuulivoima) perustuvat sähkömagneettisiin ilmiöihin.

1. Maxwellin yhtälöt uusiutuvassa energiatuotannossa

Maxwellin yhtälöt kuvaavat sähkö- ja magneettikenttien käyttäytymistä ja niiden välistä vuorovaikutusta. Nämä yhtälöt ovat erityisen tärkeitä, kun tarkastellaan energian muuntamista sähköksi esimerkiksi aurinko- ja tuulivoimaloissa.

Maxwellin yhtälöt ovat

1. Gaussin laki sähkökentälle

∇ x E = ρ / ε₀

Tämä kuvaa, miten sähkövaraukset aiheuttavat sähkökentän E. Esim. aurinkopaneeleissa auringonsäteily aiheuttaa sähkövarauksen siirtymistä paneelin materiaalissa.

2. Gaussin laki magneettikentälle

∇ x B = 0

Tämä ilmaisee, että magneettikentillä ei ole yksittäisiä lähteitä (monopoleja), vaan magneettikenttä muodostaa suljettuja silmukoita. Tämä on olennaista esim. tuulivoimaloiden generaattoreissa, joissa pyörivä liike synnyttää suljetun magneettikentän.

3. Faradayn induktiolaki

∇ x E = -∂B/∂t

Tämä laki on keskeinen sähkön tuottamisessa, sillä se kuvaa, kuinka muuttuva magneettikenttä indusoi sähkökentän. Tuulivoimaloissa tuulen liike pyörittää generaattoria, joka synnyttää muuttuvan magneettikentän, ja tämä magneettikentän muutos indusoi sähkövirran.

4. Ampèren laki (Maxwellin lisäyksellä)

∇ x B = μ₀ J + μ₀ε₀ ∂E/∂t

Tämä kuvaa, kuinka sähkövirta ja muuttuva sähkökenttä voivat luoda magneettikentän. Sähkön tuotannossa tämä liittyy sähkövirran aikaansaamaan magneettikenttään, joka on tärkeä generaattoreissa ja muuntajissa.

2. PDE -yhtälöt ja uusiutuvat energialähteet

Uusiutuvan energian analysointi voidaan laajentaa käyttäen PDE -yhtälöitä, joilla kuvataan esimerkiksi auringon säteilyn vaikutusta aurinkokennoissa tai tuulivoiman aerodynaamisia ilmiöitä.

Aurinkopaneelit ja sähkömagneettinen säteily

Aurinkopaneelit toimivat hyödyntämällä sähkömagneettista säteilyä, joka absorboituu puolijohdemateriaaliin ja aiheuttaa elektronien siirtymistä (valosähköinen ilmiö). Säteilyenergia voidaan laskea Maxwellin yhtälöillä, ja auringon säteilyn dynamiikkaa voidaan kuvata PDE -yhtälöillä, kuten:

∂E/∂t = c²∇² E

Tässä E kuvaa sähkökenttää ja c on valon nopeus. Tämä yhtälö kuvaa sähkömagneettisten aaltojen etenemistä tilassa ja ajassa.

Tuulivoima ja virtausdynamiikka

Tuulivoimalat perustuvat tuulen kineettisen energian muuntamiseen sähköksi. Tuulen virtaus voidaan kuvata Navier-Stokesin yhtälöillä, jotka ovat PDE -yhtälöitä kuvaamaan nesteiden liikettä. Tuulivoiman siipiä analysoidaan Bernoullin periaatteen ja virtausdynamiikan avulla:

ρ (∂v/∂t + (v x ∇) v) = –∇p + μ∇² v

Missä:

• v = tuulen nopeusvektori.
• p = paine.
• ρ = ilman tiheys.
• μ = dynaaminen viskositeetti.

Tämä yhtälö kuvaa tuulen liikettä ja sen vaikutusta tuuliturbiinin siipiin, jotka muuntavat liike-energian pyörimisliikkeeksi ja edelleen sähköksi.

3. Energian tuotanto ja hyötysuhde

Uusiutuvilla energialähteillä, kuten tuuli- ja aurinkovoimalla tuotettu sähkö määräytyy Maxwellin ja PDE -yhtälöiden avulla laskettavien kenttien muutosten kautta. Esim. aurinkopaneelien hyötysuhde voidaan laskea integroiden säteilyenergian ja valosähköisen ilmiön vaikutukset PDE -yhtälöillä, ja tuulivoiman teho saadaan virtausdynamiikan ja generaattorin sähkömagneettisen ilmiön yhteisvaikutuksesta. Näiden ilmiöiden laskenta yhdistyy käytännössä energiantuotantoon niin, että uusiutuvien energialähteiden kapasiteetti kasvaa jatkuvasti, mutta siihen liittyy myös haasteita, kuten sähköverkon kyky käsitellä vaihtelevaa tuotantoa.

Kulunut vuosi 2024 ja uusiutuvat

Vuonna 2024 uusiutuvien energialähteiden arvioidaan tuottavan yli kolmanneksen maailman sähköstä, mikä on merkittävä virstanpylväs. Aurinko- ja tuulivoima ovat uusiutuvien energialähteiden kasvun kärjessä, ja aurinkovoiman kapasiteetti kasvoi 17 % ja tuulivoiman 16 % jo vuonna 2023. Tämä kasvu merkitsee sitä, että aurinko- ja tuulivoima todennäköisesti tuottavat enemmän sähköä kuin vesivoima vuonna 2024, ja vuoteen 2025 mennessä uusiutuvat energialähteet ovat ohittamassa kivihiilen maailman suurimpana sähköntuotannon lähteenä.

Vaikka uusiutuvan energian osuus kasvaa, fossiiliset polttoaineet ovat edelleen pääasiallinen energialähde globaalisti, ja energian kysynnän odotetaan kasvavan. Tämä edellyttää merkittäviä lisäinvestointeja uusiutuviin energialähteisiin. Erityisesti haasteina ovat riittämätön sähköverkkojen infrastruktuuri ja lupaprosessien viiveet, jotka hidastavat uusiutuvien energialähteiden käyttöönottoa. Jos hallitukset pystyvät ratkaisemaan nämä ongelmat, uusiutuvien energialähteiden osuus voi nousta yli 42 % maailman sähköntuotannosta vuoteen 2028 mennessä.

Lähde:

https://www.weforum.org/agenda/2024/02/renewables-energy-capacity-demand-growth/