Omkostningsreducerende solcelle fotovoltaisk teknologi med tynd film kan opleve en renæssance takket være de seneste effektivitetsinnovationer fra den amerikanske producent First Solar. Foto med tilladelse fra First Solar, Inc.
Inde i en vidtstrakt en-etagers kontorbygning i Bedford, Mass., I et hemmeligt rum, der er kendt som Growth Hall, koges fremtiden for solenergi ved mere end 2,500 ° F. Bag lukkede døre og nedfældede persienner hjælper specialbyggede ovne med ambitiøse navne som “Fearless” og “Intrepid” til at perfektionere en ny teknik til fremstilling af siliciumskiver, arbejdshesten til dagens solpaneler. Hvis alt går godt, kan den nye metode reducere omkostningerne til solenergi med mere end 20 procent i de næste par år.
"Denne ydmyge skive giver solenergi mulighed for at være så billigt som kul og vil drastisk ændre den måde, vi bruger energi på," siger Frank van Mierlo, administrerende direktør for 1366 Teknologier, virksomheden bag den nye metode til fremstilling af wafer.
Hemmelige værelser eller ej, dette er spændende tider i en verden af vedvarende energi. Takket være teknologiske fremskridt og en forbedring af produktionen i løbet af årtiet nærmer netparitet - det punkt, hvor kilder til vedvarende energi som sol og vind koster det samme som elektricitet fra brændende fossile brændstoffer - snart at nærme sig. I nogle tilfælde er det allerede opnået, og yderligere innovationer, der venter i vingerne, giver et enormt løfte om køreomkostninger endnu lavere og indleder en helt ny æra for vedvarende energi.
Soloverraskelse
I januar 2015, saudiarabisk selskab ACWA Power overrasket industrianalytikere, da det vandt et bud på at bygge et 200-megawatt solkraftværk i Dubai, der vil være i stand til at producere elektricitet til 6 cent pr. Kilowatt-time. Prisen var mindre end omkostningerne ved elektricitet fra naturgas- eller kulkraftværker, en første til en solcelleinstallation. Elektricitet fra nye naturgas- og kulfabrikker ville koste anslagsvis henholdsvis 6.4 cent og 9.6 cent per kilowatt-time ifølge det amerikanske energinformationsagentur.
Teknologiske fremskridt, herunder fotovoltaik, der kan omdanne højere procentdel af sollys til energi, har gjort solcellepaneler mere effektive. På samme tid har stordriftsfordele nedbragt deres omkostninger.
I store dele af de tidlige 2000'ere svævede prisen på et solcellepanel eller -modul omkring $ 4 pr. Watt. På det tidspunkt beregnet Martin Green, en af verdens førende fotovoltaiske forskere, omkostningerne for hver komponent, inklusive de polykrystallinske siliciumgryder, der blev brugt til fremstilling af siliciumskiver, beskyttelsesglas på modulets yderside og sølvet, der blev brugt i modulets ledninger . Green erklærede berømt, at så længe vi er afhængige af krystallinsk silicium til solenergi, ville prisen sandsynligvis aldrig falde til under $ 1 / watt.
”Der er en tiendedel af en effektivitetsgevinst her og omkostningsreduktioner der, der har lagt sammen for at gøre solen meget konkurrencedygtig.” - Mark Barineau Fremtiden, Green og næsten alle andre på området troede, var med tynde film, solcellemoduler der var afhængig af andre materialer end silicium, der krævede en brøkdel af råvarerne.
Derefter, fra 2007 til 2014, prisen på krystallinske siliciummoduler faldt fra $ 4 pr. watt til $ 0.50 pr. watt, alt sammen med at afslutte udviklingen af tynde film.
Den dramatiske reduktion i omkostningerne kom fra et stort antal stigende gevinster, siger Mark Barineau, en solanalytiker hos Lux Research. Faktorer inkluderer en ny, billig proces til fremstilling af polykrystallinsk silicium; tyndere siliciumskiver; tyndere ledninger på forsiden af modulet, der blokerer for mindre sollys og bruger mindre sølv; billigere plast i stedet for glas; og større automatisering i fremstillingen.
"Der er en tiendedel af en procentdel af en effektivitetsgevinst her og omkostningsreduktioner der, der har lagt sammen for at gøre solenergi meget konkurrencedygtig," siger Barineau.
25 cent pr. Watt
”At komme under $ 1 [pr. Watt] har overskredet mine forventninger,” siger Green. ”Men nu tror jeg, det kan blive endnu lavere.”
En sandsynlig kandidat til at få det der, er 1366's nye metode til fremstilling af skiver. Siliciumskiverne bag nutidens solcellepaneler er skåret ud af store blokke af polykrystallinsk silicium. Processen er ekstremt ineffektiv og forvandler så meget som halvdelen af den oprindelige gød til savsmuld. 1366 indtager en anden tilgang og smelter silicium i specielt bygget ovne og omarbejder det til tynde skiver til mindre end halvdelen af prisen pr. Skive eller et fald på 20 procent i de samlede omkostninger ved et krystallinsk siliciummodul. 1366 håber at starte masseproduktion i 2016, ifølge van Mierlo.
I mellemtiden kunne tynde film, der engang blev antaget at være solkraftens fremtid, derefter knust af billig kristallinsk silicium, opleve en renæssance. Det nylige lavprisoptagelsesbud på solenergi i Dubai udnytter solcellemoduler til tyndfilm cadmium telluride lavet af den amerikanske producent Første Solar. Virksomheden hang ikke kun med, da langt de fleste tyndfilmselskaber foldede, men har konsekvent produceret nogle af de billigste moduler ved at øge effektiviteten af deres solceller, mens de skalerer op produktionen. Virksomheden siger nu, at den kan fremstille solcellemoduler til mindre end 40 cent pr. watt og forventer yderligere prisfald i de kommende år.
Om ti år fra nu kunne vi let se omkostningerne ved solcellemoduler falde til 25 cent pr. Watt, eller omtrent halvdelen af deres nuværende omkostninger, siger Green. For at reducere omkostningerne ud over det, skal konverteringseffektiviteten af sollys til elektricitet øges betydeligt. For at komme dertil skal andre halvledende materialer stables oven på eksisterende solceller for at konvertere et bredere spektrum af sollys til elektricitet.
”Hvis du kan stakke noget oven på en siliciumskive, vil det være temmelig meget uovervindelig,” siger Green.
Green og kolleger satte en rekord for effektivitet i krystallinsk siliciummodul til 22.9 procent i 1996, der stadig holder i dag. Grøn tvivler på, at effektiviteten af krystallinsk silicium alene nogensinde vil blive meget højere. Med cellestabling siger han imidlertid "himlen er grænsen."
Et spørgsmål af størrelse
Mens solenergi lige er begyndt at nå netparitet, er vindenergi allerede der. I 2014 var den gennemsnitlige verdensomspændende pris på onshore vindenergi den samme som elektricitet fra naturgas, ifølge Bloomberg New Energy Finance.
Som med sol, går kredit til teknologiske fremskridt og volumen stiger. For vinden har innovation dog hovedsageligt været et spørgsmål om størrelse. Fra 1981 til 2015 har den gennemsnitlige længde af en vindmøllerotorblade steg mere end seks gange, fra 9 meter til 60 meter, som prisen på vindenergi har faldt med en faktor 10.
"Forøgelse af rotorstørrelsen betyder, at du indfanger mere energi, og det er den mest importerende driver til at reducere omkostningerne til vindenergi," siger D. Todd Griffith fra Sandia National Laboratories i Albuquerque, New Mexico.
Griffith har for nylig overvåget konstruktion og afprøvning af flere 100 meter lange prototyper i Sandia. Da projektet startede i 2009, var de største knive i kommerciel drift 60 meter lange. Griffith og hans kolleger ønskede at se, hvor langt de kunne skubbe tendensen til stadigt stigende klinger, inden de løb ind i design- og materialebegrænsninger.
”Jeg forventer fuldt ud at se 100 meter knive og derover.” - D. Todd Griffith. Deres første prototype var en fiberglas kniv, der brugte lignende design og materialer som dem, der findes i relativt mindre kommercielle klinger på det tidspunkt. Resultatet var et uoverkommeligt tungt 126 ton blad, der var så tyndt og langt, at det var modtageligt for vibrationer i stærk vind og tyngdekraft.
Gruppen lavede to efterfølgende prototyper, der anvendte stærkere, lettere carbonfiber og en bladform, der var fladstøttet i stedet for skarpkantet. Det resulterende 100 meter blad var 60 procent lettere end deres oprindelige prototype
Siden projektet startede i 2009 er de største klinger, der bruges i kommercielle offshore vindmøller, vokset fra 60 meter til ca. 80 meter med større kommercielle prototyper, der nu er under udvikling. ”Jeg forventer fuldt ud at se 100 meter knive og derover,” siger Griffith.
Når bladene bliver længere, bliver tårne, der løfter dem, højere for at fange mere ensartet vind med højere hastighed. Og når tårne vokser højere, bliver transportomkostningerne stadig dyrere. At modvirke de øgede omkostninger GE for nylig debuterede et “pladsramme” -tårn, et stålgittertårn pakket ind i stof. De nye tårne bruger ca. 30 procent mindre stål end konventionelle rørtårne i samme højde og kan leveres helt i forsendelsescontainere i standardstørrelse til montering på stedet. Virksomheden modtog for nylig et tilskud på $ 3.7 millioner fra det amerikanske energiministerium til at udvikle lignende pladsrammer.
Offshore innovation
Ligesom krystallinske siliciums solpaneler vil eksisterende vindteknologi dog i sidste ende løbe op mod materialegrænser. En anden nyskabelse i horisonten for vind er i stedet relateret til placering. Vindmølleparker bevæger sig offshore i jagt efter større vindressourcer og mindre jordbrugskonflikt. Jo længere offshore de går, jo dybere er vandet, hvilket gør den nuværende metode til at fastgøre turbiner til havbunden uoverkommeligt dyrt. Hvis industrien i stedet flytter til flydende støttestrukturer, vil nutidens toptunge vindmølldesign sandsynligvis vise sig for uhåndterligt.
En potentiel løsning er en turbine med en lodret akse, en hvor hovedrotorakslen er indstillet lodret, ligesom en lystig rund, snarere end vandret som en konventionel vindmølle. Generatoren til en sådan turbin kunne placeres i havoverfladen, hvilket giver enheden et meget lavere tyngdepunkt.
”Der er en meget god chance for, at en anden type turbinteknologi, meget godt lodret akse, vil være den mest omkostningseffektive på dybt vand,” siger Griffith.
Det sidste årti har givet anerkendte innovationer inden for sol- og vindteknologi, hvilket har medført forbedringer i effektivitet og omkostninger, der i nogle tilfælde har overskredet de mest optimistiske forventninger. Hvad det kommende tiår vil medføre forbliver uklart, men hvis historien er nogen vejledning, ser fremtiden for vedvarende energi yderst positiv ud. 
Denne artikel blev oprindeligt vist på Ensia
Om forfatteren
Phil McKenna er en freelance skribent interesseret i konvergensen af fascinerende individer og spændende ideer. Han skriver primært om energi og miljøet med fokus på individerne bag nyheden. Hans arbejde vises i New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER og NOVA, hvor han er en bidragydende redaktør.
