Proceedings of the 2024 Southern African Sustainable Energy Conference
SASEC 2024
- 2026
- Buch
- Herausgegeben von
- Cristina Trois
- Richmore Kaseke
- John Edison Sempiira
- Buchreihe
- Springer Proceedings in Energy
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
Über dieses Buch
Die Southern African Sustainable Energy Conference (SASEC 2024) konzentriert sich auf die Erforschung, Entwicklung und den Einsatz von Methoden, Technologien und Systemen im Zusammenhang mit nachhaltiger Energie im südlichen Afrika und darüber hinaus. Diese Konferenz bietet Forschern, Ingenieuren, Praktikern, Entscheidungsträgern und politischen Entscheidungsträgern die Möglichkeit, aktuelle Entwicklungen auf diesem Gebiet auszutauschen und zu diskutieren.Diese Vorträge stellen eine Sammlung der innovativen Forschungsarbeiten dar, die auf der Konferenz von führenden Einrichtungen höherer Bildungs- und Forschungsräte in Südafrika, der südafrikanischen Region, Afrika und weltweit zu einem breiten Spektrum aktueller Themen erneuerbarer und nachhaltiger Energien präsentiert wurden. Zu den behandelten Themen gehören Solarphotovoltaik (PV), Solarthermie, Windenergie, grüner Wasserstoff und Power2X, Bioenergie und Abfallenergie (thermochemische, biologische, chemische und physikalische Gesprächssysteme), die Zirkularität erneuerbarer Energietechnologien, Energiesystemplanung, Nachfrageseitenmanagement, Bewertungen erneuerbarer Energieressourcen und Instrumente zur Modellierung und Entscheidungsunterstützung sowie Energie- und Dekarbonisierungsübergänge. Präsentiert den aktuellen Stand der Forschung zu nachhaltiger Energie; diskutiert Herausforderungen und Chancen im Bereich der Erneuerbaren Energien; erkundet Unternehmertum und Kommerzialisierung im Bereich der Innovation erneuerbarer Energien.
Mit KI übersetzt
Über dieses Buch
The Southern African Sustainable Energy Conference (SASEC 2024) focuses on researching, developing, and deploying methodologies, technologies, and systems related to sustainable energy within the Southern African context and beyond. This conference offers researchers, engineers, practitioners, decision-makers, and policymakers an opportunity to share and discuss recent developments in the field.
These proceedings provide a collection of the innovative research work presented at the conference from leading institutions of higher learning and research councils in South Africa, the Southern African Region, Africa, and globally on a wide range of topical renewable and sustainable energy themes. Topics covered include solar photovoltaic (PV) energy, solar thermal energy, wind energy, green hydrogen and Power2X, bioenergy and waste energy (thermochemical, biological, chemical, and physical conversation systems), the circularity of renewable energy technologies, power systems planning, demand side management, renewable energy resource assessments, and modeling and decision support tools, as well as just energy and decarbonization transitions.
Presents current state-of-the-art research on sustainable energy; Discusses research challenges and opportunities in renewable energy; Explores entrepreneurship and commercialization in renewable energy innovation.
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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Solar PV Energy Systems
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Frontmatter
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Behaviour of Electrical Characteristics of Individual Cells in a Crystalline Photovoltaic (PV) Module Operating under Partial Shading Conditions
Poland Michael, E. Ernest van Dyk, Monphias Vumbugwa, Petja Dobreva, Frederik J. VorsterDiese Studie untersucht das Verhalten einzelner Zellen in einem kristallinen Photovoltaik-Modul (PV-Modul) unter Teilverschattungsbedingungen, ein häufiges Problem, das zu unterdurchschnittlicher Leistung der Module und Hotspots führen kann. Die Forschung untersucht, wie partielle Beschattung die elektrischen Eigenschaften einzelner Zellen und die Gesamtmodul-Leistung beeinflusst. Es untersucht die Rolle von Bypass-Dioden und verschiedenen Maximum Power Point Tracking (MPPT) -Algorithmen bei der Abmilderung der Auswirkungen partieller Beschattung. Die Studie zeigt, dass einzelne Zellen bei teilweiser Beschattung unterschiedlich reagieren, was zu unterschiedlichem elektrischen Verhalten führt. Hochentwickelte MPPT-Algorithmen wie Artificial Neural Networks (ANN), Fuzzy Logic Controllers (FLC) und Particle Swarm Optimization (PSO) sind effektiver bei der Verfolgung des Maximum Power Point (MPP) unter partiellen Beschattungsbedingungen als herkömmliche Algorithmen. Die Forschung hebt auch den Einfluss der teilweisen Beschattung auf die Leistung und das thermische Verhalten sowohl schattierter als auch unschattierter Zellen hervor. Die Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, eine partielle Beschattung bei der Gestaltung von PV-Anlagen zu berücksichtigen und geeignete MPPT-Algorithmen auszuwählen, um die Leistung zu maximieren und das Risiko von Hot Spotting zu minimieren. Die Studie liefert wertvolle Erkenntnisse zur Optimierung von Moduldesign, Leistung und Wartung in realen Anwendungen.KI-Generiert
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AbstractPV modules are susceptible to shading, which can significantly impact their electrical performance. While previous research has focused on the effects of shading on module-level performance, the electrical characteristics of individual cells operating within a shaded module remain understudied. Partial shading can cause bumps on the current-voltage (I-V) curve and shift the operational point of the module, affecting the electrical behaviour of individual cells. Under uniform irradiance, all cells with identical characteristics will behave similarly, but under partial shading, these cells respond differently. A custom-built setup was used to measure the voltage and current of a full-cell crystalline silicon module and its individual cells while shading a single cell. The results show that shading a cell reduces its operational voltage and affects the voltages of the unshaded cells, which depends on the module’s operational current-voltage point, which is determined by the Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithm used. The results further show that efforts to extract maximum power from a partially shaded module result in the shaded cell operating at higher temperatures, which can lead to hot spot formation and module degradation. -
Assessment of Plane of Array Irradiance Models in South Africa
Brighton Mabasa, Kristy Langerman, Hartmut WinklerIn diesem Kapitel werden 17 Bestrahlungsmodelle (Plane of Array, POA) ausgewertet, um die genauesten zur Vorhersage der Leistung von Photovoltaikanlagen (PV) in Südafrika zu bestimmen. Die Studie konzentriert sich auf drei unterschiedliche Orte: Irene, George und Mthatha, wobei radiometrische Daten im Wert von einem Jahr verwendet werden. Zu den Schlüsselthemen zählen die Bewertung der Modellleistung anhand statistischer Kennzahlen wie dem relativen Mean Bias Error (rMBE), dem relativen Root Mean Square Error (rRMSE), dem relativen Mean Absolute Error (rMAE) und dem Determinationskoeffizienten (R ²). Die Ergebnisse zeigen, dass das France1988 Perez-Modell an den Stationen Irene und George am besten abschneidet, während das isotrope Modell in Mthatha am genauesten ist. Die Studie unterstreicht auch die Bedeutung der Berücksichtigung ortsspezifischer atmosphärischer Bedingungen und des Potenzials für die Korrektur von Verzerrungen zur Verbesserung der Modellleistung. Darüber hinaus unterstreichen die Forschungen die Variabilität der Modellleistung in verschiedenen Klimazonen und die Notwendigkeit weiterer Untersuchungen über die Auswirkungen der Wolkendecke auf die Schätzungen der POA-Strahlungsintensität.KI-Generiert
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AbstractIn the realm of solar energy, POA models are extensively used to determine the quantity of solar radiation on inclined surfaces or solar photovoltaic (PV) panels. The study validates seventeen transposition or plane of array (POA) solar radiation models with various complexes, namely: Isotropic, Perez-Driesse, Hay-Davies, Klucher, Reindl, King, and Perez (the Perez model contains 11 sets of equations based on data from unique geographical regions). Three study sites in various climatic zones — Mthatha, George, and Irene — are considered during the year-long examination. A pyranometer tilted 30° from the horizontal establishes the reference POA measurements. It is discovered that all models accurately predict POA irradiance at the three locations, albeit to different extents. The Perez model with the France 1988 coefficients performs best at Irene and George stations, whereas the Isotropic model performs best at the Mthatha station. Transposition models underestimate POA irradiance at Irene and George but overestimate it at Mthatha. The study’s findings may be employed in PV simulation tools to improve PV system modeling, monitoring, and forecasting in South Africa. -
Effects of Partial Shading on Thermal and Electrical Characteristics of Half-Cell Crystalline Photovoltaic Module at Operational Maximum Power Voltages
Monphias Vumbugwa, Poland Michael, Jacqueline Crozier Mccleland, Frederik J. Vorster, Ernest E. van DykDiese Studie untersucht die Auswirkungen einer teilweisen Beschattung auf die thermischen und elektrischen Eigenschaften von halbzelligen kristallinen Photovoltaik-Modulen (PV-Modulen). Schlüsselthemen sind die Auswirkungen der Beschattung auf Zellspannungen und -ströme, die Dynamik abnormaler thermischer Signaturen und die Rolle von Bypass-Dioden bei der Abschwächung von Performance-Problemen. Die Forschung zeigt, wie unterschiedliche Schattierungsgrade von 12,5% bis 100% die Betriebsspannungen und das thermische Verhalten einzelner Zellen innerhalb des Moduls beeinflussen. Insbesondere führen höhere Schattierungsgrade in schattierten Zellen zu umgekehrter Voreingenommenheit und erhöhten Temperaturen, was die Gesamtleistung des Moduls beeinträchtigt. Die Studie untersucht auch, wie unschattierte Zellen die unterdurchschnittliche Leistung schattierter Zellen kompensieren und enthüllt das komplexe Zusammenspiel zwischen elektrischen und thermischen Eigenschaften. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung regelmäßiger Inspektionen und des Einsatzes von Wärmebildkameras zur Früherkennung von Anomalien, um die langfristige Zuverlässigkeit und Effizienz von PV-Anlagen zu gewährleisten.KI-Generiert
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AbstractHalf-cell (H-C) module technology is a relatively new development to the photovoltaic (PV) industry which have been reportedly to offer reduced hot-spotting impacts and improved performance under shading conditions compared to conventional full-cell (F-C) modules due to the parallel or “butterfly” configuration of the substrings. PV modules deployed in the field experience changes in load conditions, soiling and shading levels which can influence the level of mismatch of electrical and thermal characteristics. These dynamic operating conditions affect the interpretation of thermal imaging and electrical characterisation measurements. This paper analyses the dynamics of electrical characteristics and abnormal thermal signatures observed on a mono-facial H-C crystalline PV module and individual cells that were captured at maximum operational voltage of the module under different cell shading levels. Partial shading on a cell reduces the operational voltages of the shaded cell and the substring containing the shaded cell and affects the operational current of the substring paralleled to it. When the operational voltage of the substrings is reduced, the substring paralleled to the shaded substring generates higher current to match the currents generated by other substrings and maintain the module’s current. The change in the operational voltage of the substrings and individual cells in these paralleled substrings will influence the dynamics of the abnormal thermal signatures resulting in poor quality cells showing or not showing their abnormal thermal signatures on thermal images. Poor quality cells will show their abnormal thermal signatures when the operational voltage is less than maximum power voltage (delivering more current) than when its operational voltage is higher than the maximum power voltage (delivering less current). This work gives valuable information which can advance the interpretation of thermal images of half-cut crystalline PV modules and improve maintenance of PV plants. -
Performance and Safety Testing of End-of-Life Photovoltaic Modules
J. L. Crozier McCleland, M. Vumbugwa, M. N. Crozier, N. W. Mngomezulu, P. G. Ntsala, E. E. van Dyk, F. J. VorsterDieses Kapitel untersucht die Leistungs- und Sicherheitstests von Photovoltaik-Modulen am Ende ihrer Lebensdauer, um ihr Potenzial für Wiederverwendung oder Recycling zu bewerten. Die Studie konzentriert sich auf Module einer kommerziellen Dachinstallation und betont die Bedeutung der visuellen Inspektion, maximaler Leistungstests und der Elektrolumineszenz-Bildgebung bei der Bestimmung der Modultauglichkeit. Zu den wichtigsten Ergebnissen gehört die Identifizierung des Rückseitenabbaus als kritisches Problem mit Auswirkungen auf das Eindringen von Feuchtigkeit und die elektrische Sicherheit. Die Leistungstests zeigen, dass die Module die Garantiestandards erfüllen, was auf ein Wiederverwendungspotenzial nach Reparaturen schließen lässt. Das Kapitel diskutiert auch die wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile der Wiederverwendung von PV-Modulen und betont die Notwendigkeit standardisierter Prüfprotokolle und weiterer Forschung in diesem Bereich. Durch die Untersuchung der Durchführbarkeit von Reparaturen und der langfristigen Machbarkeit wiederverwendeter Module bietet diese Studie wertvolle Erkenntnisse über nachhaltige Praktiken im Bereich des Abfallmanagements.KI-Generiert
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AbstractAs the Photovoltaic (PV) Industry in South Africa grows so will the eventual increase in Photovoltaic waste, either due to end-of-life or due to early failures. The reuse of PV modules is preferable to the disposal or recycling of the waste modules as it retains the most value and it could improve energy access in the country. To reuse these modules a thorough testing process is necessary to determine if the PV module is safe and efficient to continue to operate. The paper presents a case study on the testing processes of end-of-life modules and discusses the appropriate outcome, either reuse, repair, or recycling. Second life modules have been sourced by repowering activities, preventative maintenance and insurance claims which require testing protocols to meet the concerns of the end user. Modules that pass the performance tests have significant safety issues that require further repairs. The tests required are dependent on the conditions of the PV modules and the requirements of the end user. Ultimately, safety issues associated with the use of the modules should be the primary concern. Included in this study, is the testing of 70 modules donated to a local Community Centre. Testing of these modules indicated that power exceeded the expected performance based on the linear degradation warranty for nine-year-old modules, however, the modules have backsheet cracks which compromise the electrical insulation of the module. These modules were determined to be unsafe for reuse without repair in a cost-effective way before they could be safely used. -
Intelligent Single Axis Solar Tracker with Shade Optimization and Back Tracking
Matthew Sivewright, Stefan Van Aardt, Frederik J. Vorster, E. Ernest van DykDieses Kapitel untersucht die Konzeption und Implementierung eines intelligenten einachsigen Solartrackers, der die Effizienz und Haltbarkeit von Photovoltaik-Systemen (PV-Systemen) deutlich steigert. Der Tracker setzt aktive und passive Methoden ein, um die Erfassung von Sonnenenergie auch unter Teilverschattungsbedingungen zu optimieren. Zu den wichtigsten Merkmalen zählen Echtzeit-Strom- und Schattenüberwachung, die Verringerung der Windlast durch automatische Anpassung und ein modulares Design für einfachen Transport und Einsatz. Die Leistung des Systems wird durch detaillierte Strömungssimulationen und Stressanalysen bewertet, wodurch sichergestellt wird, dass es Windgeschwindigkeiten von bis zu 15 m / s standhalten kann. Zusätzlich verfügt der Tracker über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle für Echtzeit-Leistungsdaten und Systemüberwachung. Das Kapitel schließt mit einer detaillierten Kostenliste, einem Zeitplan und Leistungsmaßstäben, was es zu einem umfassenden Leitfaden für Fachleute macht, die auf der Suche nach maximaler Solarenergie-Ausbeute und Systemlebensdauer sind.KI-Generiert
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AbstractThe intelligent single-axis solar tracking system enhances energy efficiency by actively and passively tracking the sun, optimizing photovoltaic (PV) output even under partial shading conditions. Research shows that partial shading significantly reduces energy production, and incorporating tracking systems with optimization algorithms can mitigate these effects. The system maximizes energy by adjusting the PV modules’ orientation throughout the day, with active backtracking methods reducing shading impacts. Fluid simulations for wind loads were conducted on the structure, and results showed the system can withstand wind speeds of 15 m/s with a factor of safety. The system also mitigates wind load risks by moving into a safe stow position during high winds, increasing durability. With 12-h autonomy and data logging, it supports real-time performance analysis. Its dismantlable design offers flexibility for transport, making it adaptable to various environments, and an effective solution for maximizing solar energy generation. -
A Methodology for Evaluating the Performance of a Concentrator Photovoltaic Module
Elizabeth M. Hagemann, Frederik J. Vorster, E. Ernest van DykDieses Kapitel vertieft sich in die Bewertung von Konzentrator-Photovoltaik-Systemen (CPV) und konzentriert sich auf die entscheidende Rolle spektraler Zusammensetzung und Umweltdaten bei der Bestimmung der Modulleistung. Die Studie präsentiert eine Methodik, die direkte normale Bestrahlungsstärke (DNI), spektrale Zusammensetzung und Leistungskennzahlen zur Bewertung der CPV-Effizienz integriert. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen der Einfluss spektraler Verschiebungen auf die Modulleistung und die Bedeutung spektraler Normalisierung. Das Kapitel vergleicht auch die Leistung von CPV-Modulen mit Flachplattenmodulen unter unterschiedlichen meteorologischen Bedingungen und betont die Notwendigkeit unterschiedlicher Bewertungsmethoden. Darüber hinaus untersucht die Studie die Verwendung der durchschnittlichen Photonenenergie (APE) als Vergleichsparameter und ihre Korrelation mit der Leistung. Die Schlussfolgerung betont die positiven Beziehungen zwischen APE, DNI und Leistung pro Flächeneinheit und liefert wertvolle Erkenntnisse für die Optimierung der CPV-Technologie.KI-Generiert
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AbstractConcentrator photovoltaic (CPV) modules, which utilize optical techniques to concentrate solar irradiance onto high-performance multijunction (MJ) cells, differ significantly from conventional flat-plate photovoltaic (PV) modules. Despite the differences and the relative novelty of CPV systems, CPV systems can often benefit from the lessons learned in established PV technologies, yet the distinction requires CPV-tailored methodologies. Despite their advanced design, CPV systems face challenges due to incomplete data, expensive equipment, and difficulties in spectral analysis. Thus, to develop the understanding of CPV modules further, their performance must be carefully monitored. This is true for parameters influencing 5-junction CPV module performance, including the spectral composition of the DNI.This investigation aims to develop a methodology to evaluate the performance of CPV modules with considerations for absent data, standardized equipment, and spectral analysis. By focusing on a 5-junction CPV module and leveraging meteorological, power metric and spectral data from the Outdoor Research Facility at Nelson Mandela University, this methodology aims to enhance the understanding and optimization of CPV technology. -
Enhancing Photovoltaic Fault Classification Accuracies Through Variational Autoencoders
Edward J. Westraadt, Chantelle M. Clohessy, Warren J. Brettenny, E. Ernest van DykDieses Kapitel untersucht die Anwendung von Variationalen Autoencodern (VAEs), um die Genauigkeit der Photovoltaik-Fehlerklassifizierung zu verbessern, indem synthetische Daten für unterrepräsentierte Fehlerklassen erzeugt werden. Die Studie konzentriert sich auf zwei spezifische Fehlerklassen, den offenen Stromkreis der Module und die potenziell induzierte Degradation, die häufig durch kleine Stichprobengrößen begrenzt sind. Durch die Schulung von VAEs in diesen Klassen wurden die Datensatzgrößen signifikant erhöht, was zu einer verbesserten Klassifikationsgenauigkeit führte, wenn sie mit konvolutionalen neuronalen Netzwerken (CNNs) verwendet wurden. Die Studie vergleicht die Leistung von fünf CNN-Architekturen - InceptionV3, ResNet50, Xception, MobileNet und VGG16 - sowohl auf den ursprünglichen als auch auf den VAE-generierten Datensätzen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Verwendung von VAE-generierten Daten die Validierungsgenauigkeit im Allgemeinen verbessert, wobei die Xception-Architektur die höchste Genauigkeit erreicht. Die Studie unterstreicht das Potenzial von VAEs, die Herausforderungen der Datenverknappung bei der Erkennung von PV-Fehlern zu überwinden und zu zuverlässigeren und effizienteren Solarenergiesystemen beizutragen. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung von Datenerweiterungstechniken bei der Entwicklung robuster Deep-Learning-Modelle für die PV-Fehlerklassifizierung.KI-Generiert
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AbstractConvolutional Neural Networks (CNNs) are recognized as one of the most effective methods for accurate fault detection and classification in photovoltaic (PV) systems due to their ability to recognize complex patterns in image data. CNNs require large amounts of training data to perform optimally, which poses a challenge when dealing with insufficient data, particularly for less-common PV fault classes. This study employs Variational Autoencoders (VAEs) to generate synthetic data, significantly expanding smaller datasets. The focus was on underrepresented fault classes such as module open circuit and potential induced degradation, leading to over 450% increases in dataset size for these fault classes. The VAE-generated dataset was used to train CNNs within a fourteen-class classification framework. The results showed significant improvements in classification accuracy, validating the effectiveness of VAEs in addressing data scarcity and supporting CNNs in PV fault classification. This approach provides a scalable solution that maintains high standards in PV fault classification and analysis. -
Outdoor Photoluminescence Imaging of PhotovoltaicModules
R. P. Roodt, E. E. van Dyk, J. L. Crozier McClelandDieses Kapitel untersucht die Anwendung der Außenphotolumineszenz (PL), um Defekte und leistungsbegrenzende Faktoren in Photovoltaik-Modulen zu identifizieren. Die Studie vergleicht die PL-Bildgebung im Freien mit der Elektrolumineszenz (EL) und der visuellen Inspektion und zeigt die Wirksamkeit der PL-Bildgebung bei der Erkennung von Defekten wie Zellrissen und Schneckenspuren. Die Forschung nutzt eine 3,22 kWp PV-Anlage der Outdoor Research Facility (ORF) der Nelson Mandela University, die sich auf ein bestimmtes Modul mit sichtbaren Merkmalen und Defekten konzentriert. Die Ergebnisse zeigen, dass PL-Aufnahmen im Freien Risse in den Zellen des PV-Moduls und andere Defekte erkennen können, wie etwa Zellen von schlechterer Qualität, die höhere Lumineszenzsignale aufweisen. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die PL-Bildgebung im Außenbereich eine wertvolle Methode zur Beurteilung der Leistung und Lebensdauer von PV-Modulen ist, mit Potenzial für weitere Verbesserungen und zukünftige Arbeiten.KI-Generiert
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AbstractCommercially available silicon solar cells have reached efficiencies approaching their theoretical limit. This implies that the performance of Si-based photovoltaic (PV) modules is depended on the materials utilised within the module. As the PV market is working towards sustainability and a circular economy, the performance and longevity of PV modules is vital. Outdoor Electroluminescence (EL) imaging of large-scale PV power plants has become a standard practice to identify defects and electrical problems in modules. A technique that is similar to EL imaging is photoluminescence (PL) imaging. PL imaging has its advantages compared to EL imaging, as this can be done in daytime while the PV plant is in operation, utilising the sun as the photo-excitation source. In this study, outdoor PL imaging of commercially available silicon PV module is demonstrated and the usefulness of the technique to identify performance limiting defects and abnormalities in PV modules is illustrated. -
Encapsulant Degradation in Photovoltaic Modules
Frederik J. Vorster, E. Ernest van Dyk, Oleksandr Stroyuk, Claudia Buerhop-LutzDieses Kapitel vertieft die kritische Frage des Verkapselungsabbaus in Photovoltaik-Modulen (PV-Modulen) und konzentriert sich auf die Rolle von Polymerkomponenten für die langfristige Zuverlässigkeit von Silizium-PV-Modulen. Der Text untersucht die Struktur von Silizium-PV-Modulen und betont die Bedeutung von Einkapselungs- und Rückseitenmaterialien für den Schutz des Moduls vor Umwelteinflüssen. Es werden die verschiedenen Abbaumechanismen von Verkapselungsmaterialien diskutiert, darunter Deacetylierung, Hydrolyse und photothermische Zersetzung, die zu Korrosion und verringerter Modulleistung führen können. In diesem Kapitel werden auch verschiedene Arten von Einkapselungs- und Rückseitenmaterialien, ihre Eigenschaften und ihre Auswirkungen auf den Abbau von Modulen untersucht. Hochentwickelte Charakterisierungstechniken wie die Ultraviolettfluoreszenz- (UV-F) -Bildgebung und die Nah-Infrarot-Absorptionsspektroskopie (NIRA) werden als effektive Werkzeuge zur schnellen Identifizierung von Polymerkombinationen und Früherkennung von Degradierungen eingeführt. Der Text präsentiert Fallstudien aus Feldstudien über große PV-Farmen, die die praktische Anwendung dieser Techniken veranschaulichen. Visuelle Inspektionen und ihre Rolle bei der Identifizierung verschiedener Arten von Encapsulant-Backsheet-Kombinationen werden ebenfalls diskutiert. Das Kapitel schließt mit der Betonung der Bedeutung des Verständnisses des Polymerabbaus für die Gewährleistung der langfristigen Zuverlässigkeit von PV-Modulen und der Gesamtleistung von PV-Anlagen.KI-Generiert
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AbstractRecent studies have highlighted the major impact of the composition and quality of the polymer materials used in the transparent encapsulant and backsheets (BSs) on the lifetime and degradation of photovoltaic (PV) modules. The premature failure of the polymer components under demanding environmental conditions was found to be a major contributing factor in the underperformance of PV systems before the expected module lifetime of 20 to 30 years is reached. Previous studies have shown that polymer degradation tends to accelerate after 5–10 years of field exposure. This study is an overview of the structure and polymer material combinations that were found in modules that were tested during field studies in 2022–23 on large PV farms in the Northern Cape region of South Africa. The testing methods that were used and preliminary results will be presented.
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Green Hydrogen and Power2X
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Frontmatter
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Comprehensive Assessment of Green Hydrogen Production Socio-Economic and Environmental Impacts in South Africa
N. Dyantyi-GwanyaDieses Kapitel untersucht die sozioökonomischen und ökologischen Auswirkungen der grünen Wasserstoffproduktion in Südafrika und konzentriert sich dabei auf Chancen und Hindernisse für eine wirtschaftliche Expansion. Sie unterstreicht Südafrikas Engagement für eine gerechte Energiewende und die Einrichtung grüner Wasserstoffzentren wie den Boegoebaai und der Sonderwirtschaftszonen von Coega. Der Text untersucht das Potenzial für die Schaffung von Arbeitsplätzen, die Rolle erneuerbarer Energiequellen wie Solar- und Windenergie und die Herausforderungen der Speicherung und des Transports. Er diskutiert auch die Bedeutung der Einhaltung ökologischer Nachhaltigkeit und sozialer Inklusion und betont die Notwendigkeit der Entwicklung lokaler Märkte und der Umwidmung bestehender Infrastruktur. Das Kapitel schließt mit Empfehlungen zur Anpassung des regulatorischen Umfelds, um Investitionsrisiken zu verringern und die Umweltauswirkungen zu minimieren, und schlägt die Proton Exchange Membrane Fuel Cells als praktikable Technologie zur Steigerung der lokalen Nachfrage nach grünem Wasserstoff vor.KI-Generiert
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AbstractThe just energy transition and environmental sustainability initiatives promote hydrogen as a competitive energy carrier due to its chemical properties and low in-situ carbon emissions. Green hydrogen production in South Africa gained momentum with monetary investments due to the availability of natural resources and the waste-to-energy program for sustainable local feedstock. However, no clear strategies exist for sustainable socio-economic impact and cradle-to-grave compliance with the green status, particularly desalinating seawater and managing CO2 emissions during production/transportation. Hence, this study aimed to assess the socio-economic and environmental impacts of green hydrogen production in South Africa. The key findings were that the cost of production and transportation must be drastically reduced to make it economically competitive. Employing the complex economy model by diversifying products to green hydrogen as an energy carrier, synthetic fuels, green ammonia, green fertilizers and green steel production. Legal loopholes allowing community development and waste management negligence are underscored. -
Improved Activity in CO2-Hydrogenation Over Iron-Based Catalysts upon In-situ Dosing of Water
Nicholas S. Featherstone, Alisa G. Govender, Eric van SteenDieses Kapitel taucht in die faszinierende Welt der CO2-Hydrierung ein und konzentriert sich auf die erhöhte Aktivität eisenbasierter Katalysatoren, wenn Wasser eingeführt wird. Die Studie untersucht sorgfältig die Beziehung zwischen Umwandlung und Selektivität und zeigt, dass mit zunehmender CO2-Umwandlung die Selektivität gegenüber CO abnimmt, während der Ertrag von C2 + -Arten zunimmt. Ein bemerkenswertes Ergebnis ist die erhöhte Katalysatoraktivität, die nach dem Betrieb mit hoher Umwandlung oder Dosierung von flüssigem Wasser beobachtet wird, was auf eine vorteilhafte Umstrukturierung des Katalysators hindeutet. Die Forschung stellt auch die Theorie des "indirekten Weges" in Frage und zeigt, dass die Selektivität auf CO nicht auf Einheit extrapoliert, da die CO2-Umwandlung gegen Null tendiert. Darüber hinaus untersucht die Studie die Rolle des Wassers bei der Steigerung der Katalysatoraktivität und schlägt Mechanismen wie die hydroxylunterstützte COx-Dissoziation und strukturelle Veränderungen vor. Das Kapitel schließt mit dem Potenzial, die Umwandlung-Selektivitätsbeziehung und die Wasserdosierung zu nutzen, um den Ertrag wertvoller C2 + -Spezies in CO2-Hydrierungsprozessen zu verbessern.KI-Generiert
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AbstractCO2-hydrogenation presents a promising pathway for the synthesis of renewable drop-in hydrocarbon fuels from waste CO2. This is especially valuable when using “hard-to-mitigate” CO2, e.g. from the cement industry. Iron has been seen as the most promising catalyst for CO2-hydrogenation yielding liquid fuels and is known to exhibit a conversion-selectivity relationship which may be exploited to increase the yield of C2+ hydrocarbons. The original intention was to vary the CO2-conversion in a slurry phase reactor and assess the conversion-selectivity relationship. However, it was noticed that the catalyst performance improved significantly upon operation at sufficiently high conversion. This effect could be replicated by in-situ dosing of water following the catalyst activation during experimentation implying that product water caused the improved performance after exposure at elevated conversion levels. -
Towards an Evidence Base to Support Power-To-X (PTX) Decision-Making in South Africa: Applying Systems Thinking, Knowledge Co-production and Spatial Analysis
Luanita Snyman-van der Walt, Gregory O. Schreiner, Paul A. LochnerDieses Kapitel untersucht das transformative Potenzial der Power-to-X-Technologien (PtX) im Zuge des Wandels Südafrikas hin zu erneuerbaren Energien, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der grünen Wasserstoffproduktion und ihren Derivaten wie grünem Ammoniak und Methanol liegt. Es stellt eine erste Evidenzbasis zur Unterstützung der PtX-Entscheidungsfindung dar, wobei Ansätze des Systemdenkens, geografische Informationssysteme (GIS) und ein gemischter Methodenansatz mit Workshops in Arbeitsgruppen und quantitativen Erhebungen zum Einsatz kommen. Das Kapitel untersucht die wichtigsten Infrastrukturanforderungen für PtX-Technologien, einschließlich der Erzeugung erneuerbarer Energien, der Trinkwasserversorgung, der Elektrolyseure und der dazugehörigen Infrastruktur. Außerdem werden die potenziellen Vorteile und Risiken im Zusammenhang mit der PtX-Entwicklung diskutiert, wobei ein Driver-Pressure-State-Impact-Response (DPSIR) -Rahmenwerk zur Analyse ökologischer und sozialer Probleme verwendet wird. Darüber hinaus hebt das Kapitel die Rolle der GIS-Analyse bei der Identifizierung geeigneter Regionen für die PtX-Produktion hervor und betont die Bedeutung der strategischen Umweltbewertung (SEA) und der Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) für verantwortungsvolle PtX-Planung und -Entscheidungsfindung. Die Schlussfolgerung unterstreicht die Notwendigkeit von Systemdenken, koproduziertem Wissen und GIS-Analyse, um den nachhaltigen und verantwortungsvollen Aufbau einer südafrikanischen PtX-Wirtschaft sicherzustellen.KI-Generiert
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AbstractDe-fossilisation is a priority, globally and in South Africa. Power-to-X (PtX) technologies could contribute greatly to achieving these ambitions. South Africa’s renewable energy resources, land availability, platinum group metals resources, and port infrastructure, position it as a potential competitor in the global PtX economy. In addition to defossilisation, a domestic PtX economy could make substantial contributions to job creation, improve local livelihoods and facilitate a Just Energy Transition. Vast technologies and infrastructure are required to create the electricity and water inputs to deliver PtX products (for domestic use and export), which, if developed at a sufficient speed, scale, and intensity, could have cumulative, unforeseen consequences. We applied systems thinking, knowledge co-production and spatial analysis to develop a foundational evidence base for future planning, assessment and decision-making on PtX projects towards the sustainable and responsible establishment of a South African PtX economy. -
Additive Manufacturing of Multifunctional Electrolyser Components for Hydrogen Production
Fama Jallow, Gerrit Ter Haar, Craig McGregor, Melody NeavesDieses Kapitel befasst sich mit dem innovativen Einsatz der additiven Fertigung, insbesondere der Laser-Pulver-Bett-Fusion (L-PBF) zur Herstellung von Titangitterstrukturen für Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolysatoren (PEMWEs). Die Studie untersucht, wie unterschiedliche Maschengeometrien wie Porengröße und Stabdicke die Strömungsdynamik optimieren und die Effizienz dieser Elektrolyseure verbessern können. Oberflächenbehandlungen, einschließlich chemischer Politur und Anodisierung, werden auf ihre Fähigkeit hin untersucht, die Funktionalität dieser Maschen zu verbessern, wodurch sie sich besser für den Einsatz als Elektroden bei der Wasserstoffproduktion eignen. Die Forschung untersucht auch die Auswirkungen dieser Behandlungen auf die strukturelle Integrität und elektrochemische Leistung der Maschen. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die additive Fertigung in Kombination mit Oberflächenbehandlungen kostengünstige, multifunktionale Titanmaschen herstellen kann, die die Abhängigkeit von teuren Materialien wie Platin verringern. Dieses Kapitel bietet einen detaillierten Überblick über den Herstellungsprozess, die Auswirkungen von Oberflächenbehandlungen und das Potenzial dieser Maschen, die Leistung von PEMWEs zu verbessern und eine vielversprechende Alternative zur grünen Wasserstoffproduktion zu bieten.KI-Generiert
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AbstractProton exchange membrane water electrolysers (PEMWEs) represent an efficient and compact technology for hydrogen production. However, their widespread commercial adoption has been affected by the high costs associated with the fabrication of critical components such as the mesh flow distributor structures on the anode side. This component plays a crucial role in optimising two-phase (oxygen and water) counterflow distribution, enhancing electrical conductivity, and facilitating efficient heat transfer. The complex geometries required for these structures are challenging and costly to produce using conventional manufacturing techniques. This study investigates the potential of additive manufacturing technologies, specifically laser powder bed fusion, for fabricating titanium meshes with varying geometries. By controlling pore and strut shape and dimensions, meshes with tailored porosities and surface areas were produced and characterised using optical microscopy and scanning electron microscopy. Surface treatments were applied to enhance hydrophilicity for improving water transport to the catalyst layers and the treated surfaces were characterised. Moreover, the multifunctional potential of these mesh structures as electrodes was explored through anodisation, which generated nanoscale titanium dioxide (TiO₂) structures on the mesh surfaces. These hierarchically structured electrocatalysts are designed to reduce the reliance on expensive noble metals like platinum, offering cost reduction opportunities. The performance of the mesh electrodes was evaluated in the hydrogen evolution reaction, demonstrating their potential as multifunctional components in electrolyser systems. -
Optimal Sizing of a Green Ammonia Plant in South Africa
Joshua Woods, Chantelle van Staden, Arnold J. RixDieses Kapitel befasst sich mit der Optimierung einer grünen Ammoniakanlage in Südafrika, die erneuerbare Energiequellen nutzt, um die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren. Die Studie konzentriert sich auf die Integration von Solar-, Wind- und Batteriespeichern mit der Ammoniakproduktion, um die nivellierten Kosten von Ammoniak (LCOA) zu minimieren und den Kapazitätsfaktor der Anlage (CF) zu maximieren. Mittels einer umfassenden Sensitivitätsanalyse werden die Auswirkungen unterschiedlicher Kosten und Effizienzen auf die Leistung der Anlage untersucht. Der Optimierungsprozess nutzt einen genetischen Algorithmus, um verschiedene Konfigurationen der Anlage zu bewerten, darunter Kombinationen aus Solar-, Wind-, Batterie-, Wasserstoff- und Stickstoffspeichern. Die Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, diese Komponenten auszubalancieren, um eine kostengünstige und effiziente Ammoniakproduktion zu erreichen. Die Studie bietet auch Einblicke in die wirtschaftliche Lebensfähigkeit der grünen Ammoniakproduktion in Südafrika, wobei die Kosten für Ammoniak an verschiedenen Standorten detailliert analysiert werden. Die Forschung kommt zu dem Schluss, dass eine sorgfältige Optimierung der Anlagenkonfigurationen und die Berücksichtigung erneuerbarer Energiekapazitäten entscheidend sind, um den niedrigsten LCOA bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines hohen Kapazitätsfaktors zu erreichen.KI-Generiert
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AbstractThe challenge of optimally sizing the variable renewable energy input and storage elements for different locations to ensure a cost-effective and constant ammonia output is addressed in this work. Utilising renewable energy sources to power ammonia production may lead to a substantial reduction of approximately 1% of global carbon emissions resulting from this activity. A largescale islanded green ammonia plant is first simulated in Python using appropriate models from the literature. A multi-objective genetic algorithm is then employed to find the optimal mix of solar, wind, battery, hydrogen and nitrogen storage, that will result in the lowest levelized cost of ammonia and a high capacity factor for the plant. Careful consideration is given to the initial population and selection strategies to ensure a diverse population, thereby preventing premature convergence and resulting in a globally optimal solution. The genetic algorithm generated multiple configurations with varying performance levels of which the best-performing configurations are showcased. The optimization is conducted at various locations across South Africa to determine an appropriate site for a green ammonia plant. The optimal configuration is subsequently analyzed by employing a sensitivity analysis to determine how the different aspects influence the levelized cost of ammonia and the capacity factor. The optimized plant’s performance is then compared with existing literature studies to compare the feasibility of an ammonia plant in South Africa. -
Assessment of Green Ammonia Costing Tools
Clive T. Moyo, Paramespri NaidooDieses Kapitel vertieft sich in die Bewertung von Kosteninstrumenten für grünen Ammoniak und enthüllt eine breite Palette von Preisschätzungen zwischen 700 und 1800 Dollar pro Tonne. Die Studie vergleicht zwei prominente Instrumente, die Green Hydrogen Ammonia Business Models von GHBA und die PtX Market Opportunities for South Africa von GFA Consulting Group und CSIR, und konzentriert sich dabei auf ihre technischen und wirtschaftlichen Ansätze. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen die erheblichen Auswirkungen der Erzeugung erneuerbarer Energien und der Elektrolyse auf die Produktionskosten, die bis zu 70% der Gesamtkosten ausmachen. Die Analyse zeigt Diskrepanzen bei Annahmen wie der Effizienz von Elektrolyseuren und Kapazitätsfaktoren auf, die zu Abweichungen bei den Schätzungen der Levelized Cost of Ammoniak (LCOA) führen. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass substanzielle Verbesserungen dieser Instrumente erforderlich sind, um das Vertrauen in LCOA-Schätzungen zu stärken und die Einführung von grünem Ammoniak zu unterstützen. Durch die Untersuchung der Stärken und Schwächen jedes einzelnen Werkzeugs bietet dieses Kapitel einen umfassenden Überblick über den aktuellen Stand der Kosten für grünen Ammoniak und den Weg für zuverlässigere wirtschaftliche Bewertungen.KI-Generiert
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AbstractDifferent estimation tools for the Levelized Cost of Ammonia (LCOA) yield a broad range of predicted green ammonia prices, with estimates ranging from $700 to $1800 per ton. These discrepancies raise concerns about the reliability of these tools for policymaking and decision-making. An analysis reveals that the tools rely on a wide variety of economic and technical assumptions. The breakdown shows that renewable energy generation and electrolysis contribute up to 70% of the costs in green ammonia production. Significant improvements are needed in these tools to enhance confidence in LCOA estimates and support the adoption of green ammonia.
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- Titel
- Proceedings of the 2024 Southern African Sustainable Energy Conference
- Herausgegeben von
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Cristina Trois
Richmore Kaseke
John Edison Sempiira
- Copyright-Jahr
- 2026
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
- Electronic ISBN
- 978-3-032-12579-8
- Print ISBN
- 978-3-032-12578-1
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-032-12579-8
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