A költségcsökkentő vékonyrétegű napelemes fotovoltaikus technológia reneszánszba kerülhet, köszönhetően a First Solar amerikai gyártó közelmúltbeli hatékonysági újításának. Fotó: a First Solar, Inc. jóvoltából
Egy szétszórt, egyszintes irodaházban, a magán állambeli Bedfordban, a Growth Hall néven titkos szobában, a napenergia jövője több mint 2,500 ° F-on főz. A zárt ajtók és az elhanyagolt redőnyök mögött az olyan nagyra törő névvel készített, egyedi célokra épített sütők, mint a „Fearless” és az „Intrepid” elősegítik a szilícium ostya - a mai napelemek műtárgyának - készítésének új módszerének tökéletesítését. Ha minden jól megy, az új módszer több mint 20 százalékkal csökkenti a napenergia költségeit az elkövetkező néhány évben.
"Ez a szerény ostya lehetővé teszi, hogy a napenergia olcsóbb legyen, mint a szén, és drasztikusan megváltoztatja az energiafogyasztási módot" - mondta Frank van Mierlo, a 1366 Technológiák, a cég az új ostyagyártási módszer mögött.
Titkos szobák vagy sem, ezek izgalmas idők a megújuló energia világában. A technológiai fejlődésnek és az elmúlt évtizedben a termelés felgyorsulásának köszönhetően a hálózat paritás - azon a ponton, ahol a megújuló energiaforrások, például a napenergia és a szél ára megegyezik a fosszilis tüzelőanyagok égetéséből származó villamos energiával - gyorsan megközelíthető. Egyes esetekben már elérték, és a szárnyakban várható további újítások hatalmas ígéretet jelentenek a vezetési költségek még alacsonyabb szintjére, egy teljesen új korszakba vezetve a megújuló energiaforrásokat.
Solar Meglepetés
2015 januárjában Szaúd-Arábiai cég ACWA teljesítmény meglepte az iparági elemzőket, amikor nyert ajánlatot egy 200 megawattos napenergia-erőmű építésére Dubajban, amely képes villamosenergia-termelésre 6 cent kilowattóra. Az ár alacsonyabb volt, mint a földgáz- vagy szénerőművek villamosenergia-költsége, az első napkollektoros létesítmény. Az Egyesült Államok Energiainformációs Ügynöksége szerint az új földgáz- és szénüzemből származó villamos energia becslések szerint 6.4 cent és 9.6 cent / kWh / óra kerülne.
A technológiai fejlődés, beleértve a fotovoltaikus energiát is, amely a napfény nagyobb százalékát képes energiá konvertálni, hatékonyabbá tette a napelemeket. Ugyanakkor a méretgazdaságosság csökkentette költségeit.
A 2000-es évek elején a napelemek vagy a modulok ára wattonként 4 dollár körül mozogott. Abban az időben Martin Green, a világ egyik vezető fotovoltaikus kutatója kiszámította minden alkatrész költségét, ideértve a szilikon ostyák készítéséhez használt polikristályos szilikon rúdot, a modul külső oldalán lévő védőüveget és a modul huzalozásában használt ezüstöt. . Green híresen kijelentette, hogy mindaddig, amíg a napenergia kristályos szilíciumra támaszkodunk, az ár valószínűleg soha nem esik 1 watt / watt alá.
„Tíz százalék a hatékonyságnövekedés és az ott levő költségcsökkentések, amelyek hozzájárulnak ahhoz, hogy a napenergiát nagyon versenyképessé tegyék.” - Mark BarineauA jövő, a Green és a szinte mindenki más hitte, vékony fóliákkal, napelemes modulokkal. amelyek a szilikonon kívüli egyéb anyagokat támasztották alá, amelyeknek a nyersanyagok töredékére volt szükségük.
Ezután 2007 és 2014 között a kristályos szilícium modulok ára wattonként 4 dollárról 0.50 dollárra csökkent, a vékony filmek fejlesztésének kivételével.
A költségek drámai csökkenése számos inkrementális haszonnal jött létre - mondja Mark Barineau, a Naprendszer elemzője Lux kutatás. A tényezők között szerepel egy új, olcsó eljárás a polikristályos szilícium előállítására; vékonyabb szilícium ostyák; a modul elején lévő vékonyabb huzalok, amelyek blokkolják a kevesebb napfényt és kevesebb ezüstöt használnak; olcsóbb műanyagok üveg helyett; és nagyobb automatizálás a gyártásban.
"Itt van egy tized százalék a hatékonyságnövekedésből és az ott levő költségcsökkentésekből, amelyek hozzájárulnak ahhoz, hogy a napenergia nagyon versenyképes legyen" - mondja Barineau.
25 cent wattonként
„Ha 1 watt / dollár alá kerül, akkor meghaladtam a várakozásomat” - mondja Green. "De most azt hiszem, még ennél is alacsonyabb lesz."
Az egyik várható jelölt az 1366-os új ostyagyártási módszer. A mai napelemek mögött levő szilícium ostyák nagy mennyiségű polikristályos szilíciumból vannak kivágva. A folyamat rendkívül nem hatékony, mivel a kezdeti öntvény akár felét fűrészporgá alakítja. Az 1366-os számú megközelítés eltérő megközelítést alkalmaz: a szilíciumot speciálisan gyártott kemencékben megolvasztja és vékony ostyává alakítja át, az ostyánkénti költség kevesebb mint felének, vagy a kristályos szilícium modul teljes költségének 20 százalékos csökkenésével. Van Mierlo szerint 1366 azt reméli, hogy 2016-ban megkezdi a tömegtermelést.
Eközben a vékony fóliák, amelyeket egyszer a napenergia jövőjének gondoltak, majd olcsó kristályos szilíciummal összetörték, megújulást idézhetnek elő. A Dubaiban a közelmúltban megrendezésre kerülő, alacsony költségű, napenergia-árajánlat az amerikai gyártó által készített vékonyrétegű kadmium-tellurid napelem modulokat használja fel First Solar. A társaság nemcsak ott lógott, amikor a vékonyréteg-társaságok túlnyomó többsége összehajtogatott, hanem következetesen gyártott a legolcsóbb modulok közül néhányat, növelve napelemeik hatékonyságát, miközben növelte a termelést. A cég most azt mondja, hogy napelemes modulokat gyárthat kevesebb, mint 40 cent wattonként és további árcsökkentésre számít az elkövetkező években.
Tíz év múlva könnyen láthattuk, hogy a napelemes modulok költsége watton 25 centre esik, vagyis a jelenlegi költségek nagyjából felére esik, mondja Green. Az ezen túlmenő költségek csökkentése érdekében a napfény villamos energiává történő átalakításának hatékonyságát jelentősen növelni kell. Ahhoz, hogy oda tudjon jutni, más félvezető anyagokat a meglévő napelemek tetejére kell rakni, hogy a napfény szélesebb spektrumát villamos energiává alakítsák.
"Ha valamit összerakhat egy szilícium ostya tetejére, az nagyjából verhetetlen lesz" - mondja Green.
A Green és munkatársai a kristályos szilícium napelemes modulok hatékonyságának rekordját 22.9 százalékra állították 1996-ban, amely továbbra is fennáll. Green kételkedik abban, hogy önmagában a kristályos szilícium hatékonysága sokkal magasabb lesz. A cellák egymásra rakásával azonban azt mondja, hogy „az ég a határ”.
A méret kérdése
Miközben a napenergia csak most kezd elérni a hálózati paritást, a szélenergia már ott van. 2014-ben a szárazföldi szélenergia átlagos ára világszerte megegyezett a földgázból származó villamos energiával, szerint a Bloomberg New Energy Finance.
Akárcsak a napenergia, a hitel a technológiai fejlődéshez és a volumen növekedéséhez vezet. A szél esetében azonban az innováció elsősorban méret kérdése. 1981 és 2015 között egy szélturbina forgórészlapjának átlagos hossza volt több mint hatszorosa, 9 méterről 60 méterre, mint a szélenergia költségei 10-szeresére esett vissza.
"A forgórész méretének növelése azt jelenti, hogy több energiát kell felvenni, és ez az egyetlen legfontosabb hajtóerő a szélenergia költségeinek csökkentésében" - mondja D. Todd Griffith, Sandia National Laboratories az Albuquerque-ben, Új-Mexikóban.
Griffith nemrégiben felügyelt több száz méter hosszú prototípus penge építését és tesztelését Sandialon. Amikor a projekt 100-ben elindult, a kereskedelemben használt legnagyobb pengék 2009 méter hosszúak voltak. Griffith és kollégái azt akarták látni, hogy mennyire tudják tovább tolni az egyre növekvő pengék trendjét, mielőtt a tervezési és anyagkorlátozásokba ütköznének.
„Teljesen elvárom, hogy látjam a 100 méteres pengéket és azon túl is.” - D. Todd GriffithAz első prototípus egy teljes üvegszálas penge volt, amely hasonló mintákat és anyagokat használt, mint az akkoriban viszonylag kisebb kereskedelmi pengék. Az eredmény egy meglehetősen nehéz 126 tonnás penge, amely oly vékony és hosszú volt, hogy erős szélben és gravitációs feszültség alatt hajlamos rezgésre.
A csoport két egymást követő prototípust készített erősebb, könnyebb szénszálakból és egy penge alakból, amely lapos hátú, nem éles szélű. A kapott 100 méteres penge 60 százalékkal könnyebb volt, mint eredeti prototípusuk
A projekt 2009-es kezdete óta a kereskedelmi tengeri szélturbinákban használt legnagyobb pengék 60 méterről 80 méterre nőttek, nagyobb fejlesztésű prototípusokkal jelenleg fejlesztés alatt állnak. "Teljesen azt várom, hogy látjam a 100 méteres pengéket és azon túl" - mondja Griffith.
Ahogy a pengék hosszabb ideig növekednek, az emelő tornyok egyre magasabbak lesznek, hogy következetesebb, nagyobb sebességű szeleket kapjanak. És amint a tornyok magasabbak lettek, a szállítási költségek egyre drágábbá válnak. A megnövekedett költségek ellensúlyozása GE nemrég debütált egy „űrkeret” torony, egy szövetbe csomagolt acél rácstorony. Az új tornyok körülbelül 30 százalékkal kevesebb acélt használnak, mint az azonos magasságú hagyományos csőtornyok, és teljes méretben szállíthatók szabvány méretű szállítótartályokban a helyszíni összeszereléshez. A vállalat nemrégiben 3.7 millió dolláros támogatást kapott az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumától hasonló űrkeret-pengék fejlesztésére.
Tengeri innováció
A kristályos szilícium napelemekhez hasonlóan a meglévő széltechnika végül ütközni fog az anyaghatárokkal. A szél horizontjának újabb újdonsága inkább a helyhez kapcsolódik. A szélerőműparkok nagyobb tengeri erőforrások és kevesebb földhasználat-konfliktus érdekében törekszenek a tengeren. Minél távolabb mennek a tengerparton, annál mélyebb a víz, és ezáltal a turbinák tengerfenékhez történő rögzítésének jelenlegi módja megfizethetetlenül drága. Ha az ipar ehelyett úszó tartószerkezetekre költözik, akkor a mai rendkívül nehéz szélturbinák kialakítása valószínűleg túl nehézkes lesz.
Az egyik lehetséges megoldás egy függőleges tengelyű turbina, amelyben a fő forgórész tengelyét függőlegesen állítják be, mint egy körhinta, nem pedig vízszintesen, mint egy hagyományos szélturbina. Az ilyen turbina generátora tengerszint feletti magasságban helyezhető el, így a készülék sokkal alacsonyabb a súlypontja.
"Nagyon jó esély van arra, hogy valamilyen más típusú turbinatechnológia, nagyon jól függőleges tengely, a leginkább költséghatékony legyen a mély vízben" - mondja Griffith.
Az elmúlt évtized figyelemre méltó újításokat hozott a nap- és szélenergia-technológiában, javítva a hatékonyságot és a költségeket, amelyek egyes esetekben meghaladták a legoptimistább várakozásokat. Még nem világos, hogy mit hoz a következő évtized, de ha a történelem valamilyen útmutatót tartalmaz, a megújuló energia jövője rendkívül pozitívnak tűnik. 
Ez a cikk eredetileg megjelent Ensia
A szerzőről
Phil McKenna szabadúszó író, akit érdekel a lenyűgöző egyének és érdekes ötletek konvergenciája. Elsősorban az energiáról és a környezetről ír, különös tekintettel a hírek mögött álló egyénekre. Mûve megjelenik A New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, új tudós, Technology Review, MATTER és NOVA, ahol közreműködő szerkesztő.
