Når sne bliver til fremtidens energikilde
I lande med koldt klima betyder vinteren typisk højere varmeregninger og svagere produktion fra solcelleanlæg. Et hold fra Californien hævder imidlertid, at almindelige snefnug kan omdannes til fremtidens brændstof – brint.
Når tage dækkes af sne, falder ydeevnen hos solcelleinstallationer dramatisk. For et forskerhold fra University of California i Los Angeles er det dog ikke et problem, men en mulighed.
Hvad er Snow-TENG-teknologien?
Forskerne arbejder på en teknologi kaldet Snow-TENG – en triboelektrisk nanogenerator baseret på sne. Det er et kompliceret navn for en enkel idé: at udnytte snens naturlige egenskaber til at producere elektrisk strøm. Sne bærer i sig selv en positiv ladning og afgiver villigt elektroner. Giver man den en passende overflade, begynder den at generere strøm.
Vi har længe vidst, at gnidning af forskellige materialer skaber statisk elektricitet – det såkaldte triboelektriske effekt. Det er præcis det samme fænomen, der får gnister til at flyve fra håret, når man tager en akryltrøje af. Forskerne har besluttet sig for at udnytte dette fænomen i praktisk skala med sne. Teknologien vil primært kunne fungere i regioner som Skandinavien, Canada eller dele af Tjekkiet, hvor sne ligger i lang tid.
Sådan fungerer en generator lavet af snefnug
For at opsamle ladningen fra sne har man brug for et materiale med modsat ladning. Holdet fra UCLA testede mange løsninger og fandt ud af, at silikon fungerer bedst – det er billigt, let tilgængeligt og relativt enkelt at bearbejde.
Snow-TENG-enheden ligner en tynd, elastisk, gennemsigtig folie med et lag silikon. Projektet forudsætter, at man kan lægge den direkte oven på eksisterende solcellepaneler. Når solen skinner, lader folien lyset passere, og panelerne arbejder normalt. Når det sner, lander fnuggene på silikonoverfladen, og der opstår elektrisk ladning ved kontakt.
Når sneen smelter, kan vandet bruges som råmateriale til brintproduktion. Det hele er designet til at fungere passivt: uden bevægelige dele, uden støj og uden kompliceret mekanik. Generatoren kan printes på en 3D-printer, hvilket markant sænker installationsomkostningerne og letter projektets udbredelse.
Hvorfor vandt silikon dette kapløb?
Silikon optrådte ikke tilfældigt i projektet. Forskerne havde brug for et materiale, der opfylder flere centrale krav på én gang.
Det skal have en negativ ladning i kontrast til snens positive ladning. Samtidig skal det være billigt at producere og tilgængeligt i stor skala. Det er desuden vigtigt, at det kan påføres store flader – for eksempel hele tage eller paneler. Og sidst men ikke mindst skal det tåle krævende atmosfæriske forhold som frost, UV-stråling og fugt.
Efter mange forsøg viste silikon sig at være det mest fordelagtige kompromis mellem elektriske parametre og økonomi. Forskerne fra University of California testede også andre polymerer, men silikon gav det bedste forhold mellem ydeevne og pris. Materialet reagerer desuden let med snefnug og genererer en tilstrækkelig stærk elektrisk strøm til videre anvendelse.
Fra snefnug til brint – vejen mod et nyt brændstof
Den mest interessante del af konceptet stopper ikke ved selve strømmen. Forskerne ønsker at bruge den genererede energi til en proces kaldet elektrolyse. Det handler om at spalte vandmolekyler – i dette tilfælde smeltet sne – til brint og ilt.
Energien fra sne driver elektrolysen, og den smeltede sne bliver råmaterialet. Ud af ét vinterdække opstår der altså både strøm og brændstof. Brint har i mange år figureret i energistrategier som en kandidat til fremtidens brændstof.
Det kan forbrændes i specialmotorer eller anvendes i brændselsceller til at forsyne biler, busser og endda bygninger med strøm. Problemet er, at konventionel brintproduktion er energikrævende og ofte benytter fossile brændstoffer. Her ser scenariet anderledes ud: energien er vedvarende, og vandet stammer fra nedbør.
I regioner med lange og snerigte vintre – som Norge, Sverige eller dele af Polen og Tjekkiet – kunne en sådan løsning udgøre en ekstra søjle i den lokale energiforsyning. Forskerne fra UCLA regner med, at teknologien primært vil fungere i bjergområder og byer med regelmæssigt snefald.
Hvor giver denne løsning mest mening?
Snow-TENG-teknologien passer bedst i lande, hvor sne ikke er en sjælden gæst. Set fra et dansk perspektiv ville det primært dreje sig om regioner med langvarig snedække. Installation kan teoretisk set placeres på mange forskellige steder:
- Tage på private huse og offentlige bygninger
- Solcellepaneler på solfarme
- Konstruktioner ved skisider, hvor der er mest sne
- Parkeringspladser og store industribygninger i frostige områder
- Anlæg i Skandinavien og Canada med regelmæssige vintre
- Bjergbyer og højlandsområder med stabile vinterforhold
I kombination med brintlagre ville sådanne steder om vinteren kunne producere overskudsenergi og om sommeren udnytte solenergi. Det reducerer sæsonmæssige udsving og øger energisikkerheden. Forskerne påpeger, at systemet fungerer bedst der, hvor sne ligger i flere måneder om året.
Passiv teknologi frem for store turbiner
Snow-TENG adskiller sig fra klassiske vedvarende energikilder på flere punkter. Det kræver ikke roterende vinger som vindmøller. Det behøver hverken dæmninger eller omformning af landskabet som vandkraftværker. Det fungerer lydløst, uden flimmereffekt eller andre fænomener, der udløser lokale protester.
Det er snarere et lag oven på eksisterende infrastruktur end et helt nyt kraftværk, der griber ind i landskabet. I praksis kan Snow-TENG opfylde to funktioner på én gang: forbedre energibalancen om vinteren og reducere problemet med sne, der dækker panelerne.
Efterhånden som sneen falder, genererer den strøm, og som vand ledes den derefter ind i elektrolysesystemet. Det er en dobbelt udnyttelse af det samme vejrfænomen. Forskerne fra Californien nævner, at teknologien også kan fungere ved let regn eller støvregn, om end med lavere effektivitet. Den største fordel forbliver fraværet af støj og mekaniske dele, der kunne gå i stykker.
Hvilke udfordringer står forskerne stadig over for?
Selvom konceptet er lovende, er der flere markante forhindringer, før sne kan blive en almindelig energikilde. Et laboratorium er én ting – hundredtusinder af kvadratmeter folie på tage er noget helt andet.
Materialet skal holde til mange sæsoner med skiftevis sne, is og sol uden at miste sine egenskaber. De samlede omkostninger til installation, drift og brintlagring skal være konkurrencedygtige. Brintlagre kræver desuden strenge sikkerhedsstandarder. Forskerne fra UCLA erkender, at kommerciel anvendelse stadig kan være flere år ude i fremtiden.
Hertil kommer spørgsmålet om uforudsigeligt vejr. Vintrene bliver stadig mindre forudsigelige. Nogle år er der masser af sne, andre år næsten ingen. En sådan teknologi skal derfor fungere som en del af et bredere energimiks – ikke som dets eneste grundlag. Forskerne foreslår at kombinere Snow-TENG med solceller og batterier.
Hvad kan det betyde for den almindelige bruger?
For den gennemsnitlige husstand kan denne teknologi betyde, at taget begynder at arbejde på en ny måde hele året rundt. Om sommeren spiller solen hovedrollen, om vinteren er det sne og brint.
Der tegner sig scenarier, hvor et hus om vinteren delvist selv producerer brændstof til sin egen opvarmning eller opladning af en brintbil. Overskudsenergi kan ledes ind i det lokale net som en del af et energifællesskab. Installationen bliver derved en ekstra sikring ved strømafbrud.
Selv om vi stadig taler om en løsning i forskningsfasen, peger selve retningen på en interessant ændring i tænkemåde. Et tempereret klima med frostige vintre behøver ikke være en bremse for den grønne omstilling. Den samme sne, som i dag forbindes med trafikkaos og snerydning, kan begynde at arbejde for din elregning. Det kræver blot den rette teknologi og modet hos forskerne fra University of California til at føre projektet til ende.
