Kostensenkende Dünnschicht-Photovoltaik-Technologie könnte eine Renaissance, dank der jüngsten Effizienz Innovationen des US-Herstellers First Solar erleben. Foto mit freundlicher Genehmigung von First Solar, Inc.
In einem weitläufigen, einstöckigen Bürogebäude in Bedford, Massachusetts, in einem geheimen Raum, der als Growth Hall bekannt ist, kocht die Zukunft der Solarenergie bei mehr als 2,500 ° F. Hinter verschlossenen Türen und nach unten gebogenen Jalousien helfen maßgefertigte Öfen mit ehrgeizigen Namen wie "Fearless" und "Intrepid", eine neue Technik zur Herstellung von Siliziumwafern, dem Arbeitspferd der heutigen Solarmodule, zu perfektionieren. Wenn alles gut geht, könnte die neue Methode die Kosten für Solarstrom in den nächsten Jahren um mehr als 20 Prozent senken.
"Dieser bescheidene Wafer wird ermöglichen, dass Solar so billig wie Kohle ist und die Art, wie wir Energie verbrauchen, drastisch verändern wird", sagt Frank van Mierlo, CEO von 1366-Technologien, das Unternehmen hinter der neuen Methode der Waferherstellung.
Geheime Räume oder nicht, das sind aufregende Zeiten in der Welt der erneuerbaren Energien. Dank des technologischen Fortschritts und des Produktionsanstiegs im Laufe des Jahrzehnts nähert sich die Netzparität - der Punkt, an dem erneuerbare Energiequellen wie Solar- und Windenergie genauso viel kosten wie Strom aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe. In einigen Fällen wurde es bereits erreicht, und zusätzliche Innovationen, die noch in den Startlöchern stehen, versprechen eine noch tiefere Senkung der Fahrkosten und damit eine völlig neue Ära für erneuerbare Energien.
Solar Überraschung
Im Januar 2015, saudi-arabische Firma ACWA Strom Englisch: bio-pro.de/en/region/stern/magazin/...1/index.html Die Industrieanalysten waren überrascht, als sie den Zuschlag für den Bau eines 200 - Megawatt - Solarkraftwerks in Dubai erlangten, das Strom für die Zukunft produzieren kann 6 Cent pro Kilowattstunde. Der Preis lag unter den Kosten für Strom aus Erdgas- oder Kohlekraftwerken, eine Premiere für eine Solaranlage. Der Strom aus neuen Erdgas- und Kohlekraftwerken würde nach Angaben der US Energy Information Agency geschätzte 6.4-Cent bzw. 9.6-Cent pro Kilowattstunde kosten.
Technologische Fortschritte, einschließlich der Photovoltaik, die höhere Anteile von Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln kann, haben Solarzellen effizienter gemacht. Zur gleichen Zeit, Skalen haben ihre Kosten nach unten getrieben.
Für einen Großteil der frühen 2000s, der Preis für ein Solarpanel oder Modul schwebte rund $ 4 pro Watt. Zu der Zeit Martin Green, einer der führenden Photovoltaik-Forscher der Welt verwendet, um die Kosten der einzelnen Komponenten, einschließlich der polykristallinen Silizium-Ingots berechnet Silizium-Wafern bei der Herstellung, das Schutzglas auf der Außenseite des Moduls und das Silber in der Modul Verdrahtung . Grün erklärte berühmt, dass so lange, wie wir für Solarstrom auf kristallinem Silizium angewiesen sind, würde der Preis wahrscheinlich nie unter $ 1 / Watt fallen.
"Hier gibt es ein Zehntel Prozent eines Effizienzgewinns und Kostensenkungen, die dazu beigetragen haben, dass Solar sehr wettbewerbsfähig geworden ist." - Mark BarineauDie Zukunft, Green und fast alle anderen auf dem Gebiet glaubten, war mit Dünnschichten, Solarmodulen die auf anderen Materialien als Silizium basierten, die einen Bruchteil der Rohmaterialien benötigten.
Dann, von 2007 zu 2014, der Preis für kristalline Silizium-Module fiel von $ 4 pro Watt auf $ 0.50 pro Watt, die Entwicklung von dünnen Filmen fast zu beenden.
Die drastische Senkung der Kosten kam von einer großen Anzahl von zusätzlichen Gewinnen, sagt Mark Barineau, ein Solaranalyst mit Lux-Forschung. Faktoren umfassen einen neuen, kostengünstigen Prozess polykristallines Silizium für die Herstellung; dünnere Wafer aus Silizium; dünnere Drähte auf der Vorderseite des Moduls, das weniger Sonnenlicht blockieren und weniger Silber verwenden; anstelle von Glas weniger teuren Kunststoff; und eine stärkere Automatisierung in der Fertigung.
"Hier gibt es ein Zehntel Prozent eines Effizienzgewinns und Kostensenkungen, die dazu beigetragen haben, Solar sehr konkurrenzfähig zu machen", sagt Barineau.
25 Cent pro Watt
"Unter $ 1 [pro Watt] zu kommen hat meine Erwartungen übertroffen", sagt Green. "Aber jetzt, ich denke, es kann noch niedriger werden."
Ein möglicher Kandidat, um es dort zu bekommen, ist 1366's neue Methode der Waferherstellung. Die Siliziumwafer hinter den heutigen Solarmodulen werden aus großen Ingots aus polykristallinem Silizium geschnitten. Der Prozess ist äußerst ineffizient und macht so viel wie die Hälfte des anfänglichen Barrens zu Sägemehl. 1366 verfolgt einen anderen Ansatz: Das Schmelzen des Siliziums in speziell gebauten Öfen und das Umschmelzen zu dünnen Wafern für weniger als die Hälfte der Kosten pro Wafer oder ein 20-prozentualer Abfall der Gesamtkosten eines kristallinen Siliziummoduls. 1366 hofft, mit Van Mierlo die Massenproduktion in 2016 zu beginnen.
Inzwischen dünne Filme, dachte einmal die Zukunft der Solarenergie zu sein, dann durch Low-Cost-kristallinen Silizium-zerkleinert, könnte eine Renaissance erleben. Die jüngste Rekord-Low-Cost-Angebot für Solarstrom in Dubai nutzt Dünnschicht-Cadmium-Tellurid-Solarmodule von US-Herstellers First Solar. Das Unternehmen hielt nicht nur an der großen Mehrheit der Dünnschichtfirmen fest, sondern produzierte konsequent einige der kostengünstigsten Module, indem es die Effizienz seiner Solarzellen steigerte und gleichzeitig die Produktion erhöhte. Das Unternehmen gibt jetzt an, dass es Solarmodule herstellen kann weniger als 40 Cent pro Watt und erwartet weitere Preissenkungen in den kommenden Jahren.
In zehn Jahren könnten wir leicht sehen, dass die Kosten für Solarmodule auf 25-Cent pro Watt fallen oder ungefähr die Hälfte ihrer derzeitigen Kosten, sagt Green. Um die Kosten darüber hinaus zu senken, muss die Umwandlungseffizienz von Sonnenlicht in Elektrizität wesentlich erhöht werden. Um dorthin zu gelangen, müssen andere halbleitende Materialien auf bestehende Solarzellen gestapelt werden, um ein breiteres Spektrum von Sonnenlicht in Elektrizität umzuwandeln.
"Wenn man etwas auf einem Silizium-Wafer-Stapel kann es so ziemlich unschlagbar sein wird", sagt Green.
Green und seine Kollegen haben einen Rekord für die Effizienz von Solarmodulen aus kristallinem Silizium bei 22.9 in 1996 gesetzt, der bis heute Bestand hat. Green bezweifelt, dass die Effizienz von kristallinem Silizium allein jemals viel höher werden wird. Mit Zellenstapel sagt er jedoch "der Himmel ist die Grenze".
Eine Frage der Größe
Während Solarenergie gerade beginnt die Netzparität zu erreichen, ist die Windenergie schon da. In 2014 betrug der durchschnittliche Weltmarktpreise von Onshore-Windenergie die gleiche wie Strom aus Erdgas, Laut Bloomberg New Energy Finance.
Wie bei der Solarenergie geht der Kredit auf technologische Fortschritte und Volumensteigerungen zurück. Für Wind war Innovation jedoch hauptsächlich eine Frage der Größe. Von 1981 bis 2015 hat die durchschnittliche Länge eines Rotorblattes einer Windkraftanlage um mehr als das Sechsfache erhöht, von 9-Metern zu 60-Metern, wie die Kosten der Windenergie haben um einen Faktor von 10 gesunken.
"Die Erhöhung der Rotorgröße bedeutet, dass Sie mehr Energie gewinnen, und das ist der wichtigste Faktor, um die Kosten der Windenergie zu senken", sagt D. Todd Griffith von Sandia National Laboratories in Albuquerque, New Mexiko.
Griffith leitete vor kurzem den Bau und die Prüfung von mehreren 100 Meter langen Prototyp Klingen an den Sandia. Wenn das Projekt in 2009 begann, waren die größten Blätter in den kommerziellen Betrieb 60 Meter lang. Griffith und seine Kollegen wollten sehen, wie weit sie den Trend der stetig wachsenden Blätter schieben konnte, bevor sie in Design und Materialbeschränkungen lief.
"Ich erwarte 100 Meter-Blätter und darüber hinaus zu sehen." - D. Todd GriffithTheir erste Prototyp ein Allfiberglas Klinge war, die verwendet ähnliche Entwürfe und Materialien, wie sie in relativ kleineren kommerziellen Klingen zu der Zeit gefunden. Das Ergebnis war ein untragbar schwere 126 Tonnen schwere Klinge, die so dünn und lang war, war es anfällig für Vibrationen bei starkem Wind und Gravitations Belastung.
Die Gruppe machte zwei aufeinanderfolgende Prototypen, bei denen stärkere, leichtere Kohlefasern und eine Klingenform verwendet wurden, die flach und nicht scharfkantig war. Die resultierende 100-Meter-Klinge war 60-Prozent leichter als ihr ursprünglicher Prototyp
Seit dem Start des Projekts in 2009 sind die größten in kommerziellen Offshore-Windturbinen verwendeten Rotorblätter von 60-Metern auf ungefähr 80-Meter angewachsen, wobei größere kommerzielle Prototypen in Entwicklung sind. "Ich erwarte voll und ganz 100 Messerklingen und darüber hinaus", sagt Griffith.
Als Klingen länger wachsen, die Türme, die sie erheben werden immer größer konsequenter, höhere Geschwindigkeit Wind zu fangen. Und wie Türme höher wachsen, Transportkosten steigen immer teurer. Um dem entgegenzuwirken, die erhöhten Kosten GE vor kurzem debütierte ein "Space Frame" -Turm, ein Stahlgitterturm in Stoff eingewickelt. Die neuen Türme verbrauchen rund 30 Prozent weniger Stahl als herkömmliche Rohrtürme gleicher Höhe und können komplett in Standard-Versandcontainern für die Montage vor Ort geliefert werden. Das Unternehmen erhielt kürzlich vom US-Energieministerium eine Unterstützung in Höhe von $ 3.7, um ähnliche Space-Frame-Blades zu entwickeln.
Offshore-Innovation
Wie kristalline Silizium-Sonnenkollektoren stößt die vorhandene Windtechnologie jedoch an die Grenzen des Materials. Eine weitere Innovation, die sich am Horizont abzeichnet, bezieht sich auf den Standort. Windparks bewegen sich vor der Küste, um größere Windressourcen und weniger Landnutzungskonflikte zu erreichen. Je weiter sie von der Küste entfernt sind, desto tiefer wird das Wasser. Die derzeitige Methode, Turbinen am Meeresboden zu befestigen, ist zu teuer. Wenn sich die Industrie stattdessen auf schwimmende Stützstrukturen verlagert, wird sich das Design der heutigen, schwerlastigen Windkraftanlage wahrscheinlich als zu unhandlich erweisen.
Eine mögliche Lösung ist eine vertikale Axialturbine, bei der die Hauptrotorwelle vertikal ausgerichtet ist, wie eine Karusselle, und nicht horizontal wie eine herkömmliche Windkraftanlage. Der Generator für eine solche Turbine könnte auf Meereshöhe platziert werden, was der Vorrichtung einen viel niedrigeren Schwerpunkt verleiht.
"Es besteht eine sehr gute Chance, dass eine andere Art von Turbinentechnologie, eine sehr gute vertikale Achse, in tiefem Wasser am kostengünstigsten ist", sagt Griffith.
Das vergangene Jahrzehnt hat bemerkenswerte Innovationen in der Solar- und Windtechnologie hervorgebracht, die zu Effizienz- und Kostenverbesserungen führten, die in einigen Fällen die optimistischsten Erwartungen übertroffen haben. Was das kommende Jahrzehnt bringen wird, bleibt unklar, aber wenn die Geschichte ein Hinweis ist, sieht die Zukunft der erneuerbaren Energien äußerst positiv aus. 
Dieser Artikel erschien ursprünglich auf ENSIA
Über den Autor
Phil McKenna ist ein freiberuflicher Autor, der sich für die Konvergenz faszinierender Individuen und faszinierender Ideen interessiert. Er schreibt vor allem über Energie und Umwelt mit Fokus auf die Personen, die hinter den Nachrichten stehen. Seine Arbeit erscheint in Das New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER und NOVA, wo er Redakteur ist.
