Redukcja kosztów cienkowarstwowej słonecznej technologii fotowoltaicznej może przeżywać renesans dzięki najnowszym innowacjom w zakresie wydajności opracowanym przez amerykańskiego producenta First Solar. Zdjęcie dzięki uprzejmości First Solar, Inc.
W rozległym jednopiętrowym budynku biurowym w Bedford w stanie Massachusetts w tajnym pomieszczeniu zwanym Growth Hall przyszłość energii słonecznej gotuje się w temperaturze ponad 2,500 20 ° F. Za zamkniętymi drzwiami i zasłoniętymi żaluzjami, niestandardowe piece o ambitnych nazwach, takie jak „Fearless” i „Intrepid”, pomagają udoskonalić nową technikę produkcji wafli krzemowych, które są koniem współczesnych paneli słonecznych. Jeśli wszystko pójdzie dobrze, nowa metoda może obniżyć koszt energii słonecznej o ponad XNUMX procent w ciągu najbliższych kilku lat.
„Ten skromny wafel pozwoli, aby energia słoneczna była tak tania jak węgiel i drastycznie zmieni sposób, w jaki zużywamy energię”, mówi Frank van Mierlo, dyrektor generalny 1366 Technologie, firma stojąca za nową metodą wytwarzania płytek.
Tajne pokoje czy nie, to ekscytujące czasy w świecie energii odnawialnej. Dzięki postępowi technologicznemu i przyspieszeniu produkcji w ciągu dekady parytet sieci - punkt, w którym źródła energii odnawialnej, takie jak energia słoneczna i wiatrowa, kosztują tyle samo, co energia elektryczna pochodząca ze spalania paliw kopalnych - szybko się zbliża. W niektórych przypadkach zostało to już osiągnięte, a dodatkowe innowacje czekające na skrzydłach stanowią ogromną obietnicę jeszcze niższych kosztów jazdy, zapoczątkowując zupełnie nową erę odnawialnych źródeł energii.
Niespodzianka słoneczna
W styczniu 2015 r. Firma z Arabii Saudyjskiej Moc ACWA zaskoczyli analitycy branżowi, gdy wygrał przetarg na budowę 200-megawatowej elektrowni słonecznej w Dubaju, która będzie w stanie wytwarzać energię elektryczną dla 6 centów za kilowatogodzinę. Cena była niższa niż koszt energii elektrycznej z elektrowni gazowych lub węglowych, pierwszy dla instalacji słonecznej. Według amerykańskiej Agencji Informacji Energetycznej energia elektryczna z nowych elektrowni gazowych i węglowych kosztowałaby, odpowiednio, 6.4 centów i 9.6 centów za kilowatogodzinę.
Postęp technologiczny, w tym fotowoltaika, które mogą przekształcać większy procent światła słonecznego w energię, sprawiły, że panele słoneczne są bardziej wydajne. Jednocześnie korzyści skali obniżyły ich koszty.
Przez większość początku 2000 roku cena panelu słonecznego lub modułu wahała się w okolicach 4 USD za wat. W tym czasie Martin Green, jeden z wiodących światowych badaczy fotowoltaicznych, obliczył koszt każdego komponentu, w tym polikrystalicznych wlewków krzemu używanych do produkcji płytek krzemowych, szkła ochronnego na zewnątrz modułu i srebra używanego w okablowaniu modułu . Słynny zielony oświadczył, że dopóki będziemy polegać na krystalicznym krzemie do energii słonecznej, cena prawdopodobnie nigdy nie spadnie poniżej 1 USD za wat.
„Jest tutaj jedna dziesiąta procenta przyrostu wydajności i redukcji kosztów, które przyczyniły się do tego, że energia słoneczna jest bardzo konkurencyjna.” - Mark Barineau Przyszłość, jak sądzili Green i prawie wszyscy inni w tej dziedzinie, dotyczy cienkich folii i modułów słonecznych które opierały się na materiałach innych niż krzem, które wymagały ułamka surowców.
Następnie, od 2007 do 2014, cena modułów z krzemu krystalicznego spadł z 4 USD za wat do 0.50 USD za wat, prawie kończy się rozwój cienkich filmów.
Znacząca redukcja kosztów wynikała z dużej liczby przyrostowych zysków, mówi Mark Barineau, analityk ds. Energii słonecznej z Badania Lux. Czynniki obejmują nowy, tani proces wytwarzania polikrystalicznego krzemu; cieńsze płytki krzemowe; cieńsze druty z przodu modułu, które blokują mniej światła słonecznego i zużywają mniej srebra; tańsze tworzywa sztuczne zamiast szkła; i większa automatyzacja produkcji.
„Jest tutaj jedna dziesiąta procent wzrostu wydajności i redukcja kosztów, które zwiększają konkurencyjność energii słonecznej” - mówi Barineau.
25 centów za wat
„Osiągnięcie poniżej 1 $ [na wat] przekroczyło moje oczekiwania”, mówi Green. „Ale teraz myślę, że może być jeszcze niżej”.
Jednym z prawdopodobnych kandydatów do zdobycia go jest nowa metoda wytwarzania płytek w 1366 roku. Wafle krzemowe za dzisiejszymi panelami słonecznymi są wycinane z dużych wlewków polikrystalicznego krzemu. Proces jest wyjątkowo nieefektywny, zamieniając aż połowę początkowego wlewka w trociny. 1366 stosuje inne podejście, topiąc krzem w specjalnie zbudowanych piecach i przekształcając go w cienkie wafle za mniej niż połowę kosztu na wafel lub 20-procentowy spadek całkowitego kosztu modułu z krzemu krystalicznego. 1366 ma nadzieję rozpocząć masową produkcję w 2016 r., Według van Mierlo.
Tymczasem cienkie filmy, kiedyś uważane za przyszłość energii słonecznej, a następnie zmiażdżone tanim krystalicznym krzemem, mogą przeżyć renesans. Niedawno ustanowiona rekordowa niska oferta energii słonecznej w Dubaju wykorzystuje cienkowarstwowe moduły słoneczne z tellurku kadmu wykonane przez amerykańskiego producenta First Solar. Firma nie tylko utrzymywała się, gdy zdecydowana większość firm cienkowarstwowych się zwinęła, ale konsekwentnie produkowała niektóre z najtańszych modułów, zwiększając wydajność swoich ogniw słonecznych przy jednoczesnym zwiększeniu produkcji. Firma twierdzi teraz, że może produkować moduły słoneczne mniej niż 40 centów za wat i przewiduje dalsze obniżki cen w nadchodzących latach.
Za dziesięć lat możemy łatwo zauważyć, że koszt modułów słonecznych spada do 25 centów za wat, czyli około połowy ich obecnych kosztów, mówi Green. Aby obniżyć koszty poza tym, efektywność konwersji światła słonecznego na energię elektryczną będzie musiała znacznie wzrosnąć. Aby się tam dostać, inne materiały półprzewodnikowe będą musiały być ułożone na istniejących ogniwach słonecznych, aby przekształcić szersze spektrum światła słonecznego w elektryczność.
„Jeśli umieścisz coś na krzemowym waflu, będzie to praktycznie nie do pobicia” - mówi Green.
Green i współpracownicy ustanowili rekord wydajności modułu słonecznego z krzemu krystalicznego na poziomie 22.9 procent w 1996 r., Który nadal obowiązuje. Zieleń wątpi w skuteczność samego krzemu krystalicznego, który kiedykolwiek będzie znacznie wyższy. Jednak ze stosami komórek mówi „niebo jest granicą”.
Kwestia wielkości
Podczas gdy energia słoneczna dopiero zaczyna osiągać parytet sieci, energia wiatrowa już tam jest. W 2014 r. Średnia światowa cena lądowej energii wiatrowej była taka sama jak energii elektrycznej z gazu ziemnego, według Bloomberg New Energy Finance.
Podobnie jak w przypadku energii słonecznej, zasługą są postępy technologiczne i wzrost wolumenu. Jednak w przypadku wiatru innowacje były głównie kwestią wielkości. Od 1981 r. Do 2015 r. Średnia długość łopaty wirnika turbiny wiatrowej ma wzrosła ponad sześciokrotnie, od 9 do 60 metrów, podobnie jak koszt energii wiatrowej spadła dziesięciokrotnie.
„Zwiększenie wielkości wirnika oznacza, że przechwytujesz więcej energii, i jest to jeden z najważniejszych czynników wpływających na zmniejszenie kosztów energii wiatru”, mówi D. Todd Griffith z Sandia National Laboratories w Albuquerque w Nowym Meksyku.
Griffith ostatnio nadzorował budowę i testowanie kilku 100-metrowych prototypowych ostrzy w Sandii. Kiedy projekt rozpoczął się w 2009 r., Największe ostrza w eksploatacji komercyjnej miały 60 metrów długości. Griffith i jego koledzy chcieli zobaczyć, jak daleko mogą popchnąć trend stale rosnących ostrzy, zanim napotkają ograniczenia konstrukcyjne i materiałowe.
„W pełni oczekuję, że zobaczę ostrza o długości 100 metrów i więcej.” - D. Todd Griffith Ich pierwszym prototypem było ostrze wykonane w całości z włókna szklanego, które wykorzystywało podobne konstrukcje i materiały, jakie znajdowały się wówczas w stosunkowo mniejszych ostrzach komercyjnych. W rezultacie powstało wyjątkowo ciężkie 126-tonowe ostrze, które było tak cienkie i długie, że było podatne na wibracje przy silnych wiatrach i obciążeniach grawitacyjnych.
Grupa wykonała dwa kolejne prototypy wykorzystujące mocniejsze, lżejsze włókno węglowe i kształt ostrza, który miał płaski spód zamiast ostrych krawędzi. Wynikowe 100-metrowe ostrze było o 60 procent lżejsze niż ich początkowy prototyp
Od czasu rozpoczęcia projektu w 2009 r. Największe łopaty stosowane w komercyjnych morskich elektrowniach wiatrowych wzrosły z 60 metrów do około 80 metrów, a obecnie opracowywane są większe komercyjne prototypy. „W pełni oczekuję, że zobaczę ostrza o długości 100 metrów i więcej” - mówi Griffith.
Gdy ostrza rosną dłużej, wieże, które je wznoszą, stają się coraz wyższe, aby złapać bardziej stały, szybszy wiatr. A ponieważ wieże rosną, koszty transportu stają się coraz droższe. Aby przeciwdziałać zwiększonym kosztom GE Niedawno zadebiutowała wieża „kosmiczna rama”, stalowa wieża kratowa owinięta tkaniną. Nowe wieże zużywają około 30 procent mniej stali niż konwencjonalne wieże rurowe o tej samej wysokości i mogą być dostarczane w całości w standardowych kontenerach transportowych do montażu na miejscu. Niedawno firma otrzymała dotację w wysokości 3.7 miliona dolarów z amerykańskiego Departamentu Energii na opracowanie podobnych łopatek kosmicznych.
Innowacje na morzu
Jednak, podobnie jak panele słoneczne z krzemu krystalicznego, istniejąca technologia wiatrowa w końcu spotka się z ograniczeniami materiałowymi. Kolejna innowacja na horyzoncie związana z wiatrem dotyczy zamiast lokalizacji. Farmy wiatrowe przenoszą się na brzeg w poszukiwaniu większych zasobów wiatru i mniej konfliktu użytkowania gruntów. Im bardziej oddalają się od brzegu, tym głębsza jest woda, co sprawia, że obecna metoda mocowania turbin do dna morskiego jest wyjątkowo droga. Jeśli zamiast tego przemysł przestawi się na pływające konstrukcje wsporcze, dzisiejsza konstrukcja ciężkich turbin wiatrowych prawdopodobnie okaże się zbyt niewygodna.
Jednym potencjalnym rozwiązaniem jest turbina z osią pionową, w której główny wał wirnika jest ustawiony pionowo, jak wesołe okrążenie, a nie poziomo, jak konwencjonalna turbina wiatrowa. Generator takiej turbiny mógłby być umieszczony na poziomie morza, co dawałoby urządzeniu znacznie niższy środek ciężkości.
„Istnieje bardzo duża szansa, że jakiś inny rodzaj technologii turbinowej, bardzo dobrze pionowa oś, będzie najbardziej opłacalny na głębokich wodach”, mówi Griffith.
Ostatnia dekada przyniosła niezwykłe innowacje w technologii słonecznej i wiatrowej, przynosząc poprawę wydajności i kosztów, które w niektórych przypadkach przekroczyły najbardziej optymistyczne oczekiwania. To, co przyniesie nadchodząca dekada, pozostaje niejasne, ale jeśli historia jest jakimkolwiek przewodnikiem, przyszłość odnawialnych źródeł energii wygląda wyjątkowo pozytywnie. 
Artykuł pierwotnie pojawił się na Ensia
O autorze
Phil McKenna jest niezależnym pisarzem zainteresowanym konwergencją fascynujących osób i intrygującymi pomysłami. Pisze przede wszystkim o energii i środowisku, koncentrując się na osobach stojących za wiadomościami. Jego praca pojawia się w Połączenia New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER i NOVA, gdzie jest redaktorem.
