Kostenbesparende dunne film fotovoltaïsche zonne-energie-technologie kan een renaissance ervaren, dankzij de recente efficiëntie-innovaties van de Amerikaanse fabrikant First Solar. Foto met dank aan First Solar, Inc.

In een uitgestrekt kantoorgebouw met één verdiepingen in Bedford, Massachusetts, kookt de toekomst van zonne-energie in een geheime ruimte die bekend staat als de Groeihal, op meer dan 2,500 ° F. Achter gesloten deuren en naar beneden gerichte jaloezieën helpen op maat gemaakte ovens met ambitieuze namen als "Fearless" en "Intrepid" om een ​​nieuwe techniek te perfectioneren voor het maken van siliciumwafels, het werkpaard van de hedendaagse zonnepanelen. Als alles goed gaat, kan de nieuwe methode de kosten van zonne-energie in de komende jaren met meer dan 20 procent verlagen.

"Deze eenvoudige wafer maakt zonne-energie net zo goedkoop als steenkool en zal de manier waarop we energie verbruiken drastisch veranderen", zegt Frank van Mierlo, CEO van 1366-technologieën, het bedrijf achter de nieuwe methode van waferfabricage.

Geheime kamers of niet, dit zijn spannende tijden in de wereld van hernieuwbare energie. Dankzij technologische vooruitgang en een toename van de productie in de loop van het decennium, komt roosterpariteit - het punt waarop bronnen van hernieuwbare energie zoals zonne- en windkosten hetzelfde zijn als elektriciteit afkomstig van het verbranden van fossiele brandstoffen - snel naderbij. In sommige gevallen is dit al gelukt, en extra innovaties die wachten in de vleugels zijn een enorme belofte om de kosten nog verder te verlagen, waarmee een geheel nieuw tijdperk voor hernieuwbare energie wordt ingeluid.

Solar Surprise

In januari 2015, Saoedi-Arabisch bedrijf ACWA Power verraste analisten uit de industrie toen ze een bod won om een ​​200-megawatt zonne-energiecentrale in Dubai te bouwen die in staat zal zijn om elektriciteit te produceren voor 6 cent per kilowattuur. De prijs was lager dan de kosten van elektriciteit uit aardgas of kolencentrales, een primeur voor een zonne-installatie. Elektriciteit van nieuwe aardgas- en kolencentrales zou naar schatting 6.4 cent en 9.6 cent per kilowattuur kosten, volgens het Amerikaanse Energy Information Agency.

Technologische ontwikkelingen, waaronder fotovoltaïsche energie die hogere percentages zonlicht in energie kunnen omzetten, hebben zonnepanelen efficiënter gemaakt. Tegelijkertijd hebben schaalvoordelen hun kosten gedrukt.

Voor veel van de vroege 2000s schommelde de prijs van een zonnepaneel of module rond $ 4 per watt. Martin Green, een van 's werelds toonaangevende fotovoltaïsche onderzoekers, berekende destijds de kosten van elk onderdeel, inclusief de polykristallijne siliciumgietstukken die werden gebruikt voor het maken van siliciumwafels, het beschermende glas aan de buitenkant van de module en het zilver dat wordt gebruikt in de bedrading van de module . Groen heeft beroemd verklaard dat zolang we afhankelijk zijn van kristallijn silicium voor zonne-energie, de prijs waarschijnlijk nooit lager zal worden dan $ 1 / watt.

"Er is hier een tiende procent winstverbetering en daar zijn kostenbesparingen bij opgeteld om zonne-energie zeer competitief te maken." - Mark Barineau De toekomst, Green en bijna iedereen in het veld, geloofde, was met dunne films, zonnemodules die vertrouwden op andere materialen dan silicium die een fractie van de grondstoffen nodig hadden.

Vervolgens, van 2007 naar 2014, de prijs van kristallijn siliciummodules daalde van $ 4 per watt naar $ 0.50 per watt, alles behalve het beëindigen van de ontwikkeling van dunne films.

De dramatische kostendaling was het gevolg van een groot aantal incrementele winsten, zegt Mark Barineau, een zonne-analist bij Lux Research. Factoren omvatten een nieuw, goedkoop proces voor het maken van polykristallijn silicium; dunnere siliciumwafels; dunnere draden aan de voorkant van de module die minder zonlicht blokkeren en minder zilver gebruiken; minder dure kunststoffen in plaats van glas; en grotere automatisering in de productie.

"Er is hier een tiende procent winstverbetering en daar zijn kostenbesparingen bij opgeteld om zonne-energie zeer competitief te maken", zegt Barineau.

25 Cents per Watt

"Het krijgen van minder dan $ 1 [per watt] heeft mijn verwachtingen overtroffen", zegt Green. "Maar nu denk ik dat het nog lager kan worden."

Een mogelijke kandidaat om het daar te krijgen is de nieuwe methode van 1366 voor het maken van wafer. De siliciumwafels achter hedendaagse zonnepanelen worden gesneden uit grote blokken polykristallijn silicium. Het proces is uiterst inefficiënt en draait de helft van de oorspronkelijke staaf om in zaagsel. 1366 kiest voor een andere aanpak door het silicium in speciaal gebouwde ovens te smelten en het om te vormen tot dunne wafels voor minder dan de helft van de kosten per wafer of een 20-procentuele daling van de totale kosten van een kristallijne siliciummodule. 1366 hoopt met massaproductie te beginnen in 2016, aldus van Mierlo.

Ondertussen zouden dunne films, ooit beschouwd als de toekomst van zonne-energie, dan verbrijzeld door goedkoop kristallijn silicium, een renaissance kunnen meemaken. Het recente record-setting low-cost bod voor zonne-energie in Dubai maakt gebruik van dunne film cadmium telluride zonnemodules gemaakt door de Amerikaanse fabrikant First Solar. Het bedrijf bleef niet alleen hangen omdat de overgrote meerderheid van de dunnefilmbedrijven foldde, maar heeft consequent enkele van de minst dure modules geproduceerd door de efficiëntie van hun zonnecellen te verhogen en de productie op te schalen. Het bedrijf zegt nu dat het zonnemodules kan produceren minder dan 40 cent per watt en anticipeert op verdere prijsdalingen in de komende jaren.

Over tien jaar konden we gemakkelijk de kosten van zonnepanelen zien dalen tot 25 cent per watt, of ongeveer de helft van hun huidige kosten, zegt Green. Om de kosten verder te drukken, zal de omzettingsefficiëntie van zonlicht in elektriciteit aanzienlijk moeten stijgen. Om daar te komen, moeten andere halfgeleidende materialen worden gestapeld bovenop bestaande zonnecellen om een ​​breder spectrum van zonlicht om te zetten in elektriciteit.

"Als je iets bovenop een siliciumwafer kunt stapelen, is het vrijwel onverslaanbaar", zegt Green.

Groen en collega's leggen een record vast voor de efficiëntie van kristallijn siliciumzonemodules bij 22.9 procent in 1996 dat vandaag nog steeds bestaat. Green twijfelt dat de efficiëntie van kristallijn silicium alleen al veel hoger zal worden. Met celstapeling zegt hij echter: "the sky is the limit."

Een kwestie van grootte

Terwijl de zonne-energie net begint met het bereiken van netpariteit, is windenergie er al. In 2014 was de gemiddelde wereldwijde prijs van onshore windenergie hetzelfde als elektriciteit uit aardgas, volgens Bloomberg New Energy Finance.

Net als bij zonne-energie gaat het om technologische vooruitgang en volumestijgingen. Voor wind was innovatie echter vooral een kwestie van grootte. Van 1981 tot 2015 is de gemiddelde lengte van een rotorblad van een windturbine meer dan vervijfvoudigd, van 9-meters tot 60-meters, zoals de kosten van windenergie gedaald met een factor 10.

"Het vergroten van de rotorafmetingen betekent dat u meer energie kunt vastleggen, en dat is de enige importdrive die de kosten van windenergie verlaagt", zegt D. Todd Griffith van Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexico.

Griffith heeft onlangs de leiding over de constructie en het testen van verschillende 100-meterslange prototypebladen bij Sandia. Toen het project in 2009 startte, waren de grootste bladen in commerciële exploitatie 60 meters lang. Griffith en zijn collega's wilden zien hoe ver ze de trend van steeds groter wordende bladen konden doortrekken voordat ze te maken kregen met ontwerp- en materiaalbeperkingen.

"Ik verwacht ten volle dat de 100-meterbladen en daarbuiten te zien zijn." - D. Todd Griffith. Hun eerste prototype was een mes van volledig glasvezel dat vergelijkbare ontwerpen en materialen gebruikte als die in relatief kleinere commerciële bladen werden gevonden. Het resultaat was een onbetaalbaar zwaar 126-ton mes dat zo dun en lang was dat het gevoelig was voor trillingen bij harde wind en zwaartekracht.

De groep maakte twee opeenvolgende prototypen met sterkere, lichtere koolstofvezels en een bladvorm met een platte achterkant in plaats van een scherpe rand. Het resulterende 100-meterblad was 60 procent lichter dan hun oorspronkelijke prototype

Sinds het project in 2009 is begonnen, zijn de grootste bladen die worden gebruikt in commerciële offshore windturbines gegroeid van 60-meters tot ongeveer 80-meters met grotere commerciële prototypen die nu in ontwikkeling zijn. "Ik verwacht ten volle dat de 100-meterbladen en daarbuiten te zien zijn," zegt Griffith.

Naarmate de bladen langer worden, worden de torens die ze heffen groter om meer consistente, sneller draaiende wind te vangen. En naarmate torens groter worden, worden transportkosten steeds duurder. Om de verhoogde kosten tegen te gaan GE debuteerde onlangs met een "space frame" -toren, een stalen roostertoren gewikkeld in stof. De nieuwe torens gebruiken ongeveer 30 procent minder staal dan conventionele buismasten van dezelfde hoogte en kunnen volledig worden geleverd in standaard zeecontainers voor assemblage ter plaatse. Het bedrijf ontving onlangs een subsidie ​​van $ 3.7 miljoen van het Amerikaanse ministerie van Energie om soortgelijke ruimteframes te ontwikkelen.

Offshore-innovatie

Net als kristallijn silicium zonnepanelen zal de bestaande windtechnologie uiteindelijk echter oplopen tegen materiële limieten. Een andere innovatie aan de horizon voor wind is gerelateerd aan locatie. Windparken gaan offshore, met als doel meer windkracht en minder conflicten over landgebruik. Hoe verder uit de kust ze gaan, hoe dieper het water, waardoor de huidige methode om turbines op de zeebodem te bevestigen onbetaalbaar is. Als de industrie zich verplaatst naar zwevende ondersteuningsconstructies, zal het top-zware windturbineontwerp van vandaag waarschijnlijk te log zijn.

Een mogelijke oplossing is een turbine met verticale as, waarbij de hoofdrotoras verticaal wordt geplaatst, zoals een draaimolen, in plaats van horizontaal zoals een conventionele windturbine. De generator voor een dergelijke turbine kan op zeeniveau worden geplaatst, waardoor het apparaat een veel lager zwaartepunt heeft.

"Er is een grote kans dat een ander type turbinetechnologie, zeer goed verticale as, het meest kosteneffectief is in diep water," zegt Griffith.

Het afgelopen decennium heeft opmerkelijke innovaties opgeleverd op het gebied van zonne- en windenergie, waardoor de efficiëntie en kosten zijn verbeterd die in sommige gevallen de meest optimistische verwachtingen hebben overtroffen. Wat het komende decennium zal brengen is onduidelijk, maar als de geschiedenis een leidraad is, ziet de toekomst van hernieuwbare energie er buitengewoon positief uit.

Dit artikel verscheen oorspronkelijk op Ensia

Over de auteur

Phil McKenna is een freelance schrijver die geïnteresseerd is in de convergentie van fascinerende individuen en intrigerende ideeën. Hij schrijft vooral over energie en het milieu met een focus op de personen achter het nieuws. Zijn werk verschijnt in De New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATERIEEL en NOVA, waar hij een bijdragende redacteur is.

Gerelateerd boek

at

Bedankt voor het bezoeken InnerSelf.com, waar er zijn 20,000+ levensveranderende artikelen waarin ‘nieuwe attitudes en nieuwe mogelijkheden’ worden gepromoot. Alle artikelen zijn vertaald naar 30+ talen. Inschrijven aan InnerSelf Magazine, dat wekelijks verschijnt, en Marie T Russell's Daily Inspiration. InnerSelf Magazine verschijnt sinds 1985.