Chińska maszyna słoneczna

Dziesięć lat temu panele słoneczne były produkowane głównie w Stanach Zjednoczonych, Niemczech i Japonii. Chińscy producenci prawie nic nie zrobili. Ale do 2006 roku chińska firma Suntech Power była w stanie wyprodukować ponad milion krzemowych paneli słonecznych rocznie i była już trzecim co do wielkości producentem na świecie. Obecnie chińscy producenci wytwarzają około 50 milionów paneli słonecznych rocznie — ponad połowa światowej podaży w 2010 roku — i obejmują czterech z pięciu największych producentów paneli słonecznych na świecie. To, co sprawia, że ​​jest to szczególnie imponujące, to fakt, że branża w innych krajach podwaja swoją wielkość co dwa lata, a chińscy producenci radzą sobie jeszcze lepiej, podwajając swoją produkcję mniej więcej co roku.

Ta dominacja nie wynika z taniej siły roboczej w chińskich fabrykach: produkcja ogniw słonecznych wymaga tak drogiego sprzętu i materiałów, że robocizna stanowi zaledwie niewielki ułamek ogólnych kosztów. Nie dzieje się tak również dlatego, że chińskie firmy wprowadziły ogniwa, które działają dłużej lub wytwarzają więcej energii: w zasadzie produkują ten sam typ krzemowych paneli słonecznych, co wielu ich konkurentów na całym świecie, używając tego samego sprzętu. Udało im się to w dużej mierze dlatego, że budowanie fabryk jest dla nich szybsze i tańsze dzięki niedrogim, wydajnym ekipom budowlanym i usprawnionemu procesowi wydawania pozwoleń w Chinach. Nowe fabryki mają najnowocześniejszy, najbardziej wydajny sprzęt, co pomaga obniżyć koszty. Podobnie jak wydajność związana z rozmiarem. W rezultacie chińscy producenci byli w stanie podkopać innych producentów krzemowych paneli słonecznych i zniweczyć nadzieje wielu nowicjuszy mających nadzieję na wprowadzenie nowej technologii.

Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2012

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Jednak rynek energii słonecznej szybko ewoluuje, a innowacje technologiczne stają się coraz bardziej istotne. Chociaż zapotrzebowanie na energię słoneczną wciąż rośnie na całym świecie, rynek jest zalewany panelami fotowoltaicznymi: światowe moce produkcyjne wzrosły ponad dwukrotnie w latach 2009-2010 i nadal rosły w 2011 roku. Nadmiar mocy był tak duży, że zeszłej jesieni chińscy producenci mieli kłopoty sprzedawanie paneli słonecznych za więcej niż koszt ich wykonania. Na takim rynku sposobem na wyróżnienie swojego produktu – i naładowanie go na tyle, aby utrzymać się na powierzchni – jest uczynienie go lepszym niż konkurencja.

Dla dzisiejszych producentów energii słonecznej oznacza to wynalezienie ogniw, które są bardziej wydajne w przekształcaniu światła w energię elektryczną. Ponieważ cena paneli słonecznych spadła, koszty instalacji zaczęły stanowić większy procent kosztów energii słonecznej. Klienci chcą paneli o większej mocy, aby mogli zainstalować ich mniej. Od teraz najlepszym sposobem dla chińskich producentów na obniżenie kosztu w przeliczeniu na wat energii słonecznej może nie być obniżenie kosztów produkcji, ale zamiast tego zwiększenie liczby watów generowanych przez każdy panel. Gra się teraz zmienia, mówi Mark Pinto, wiceprezes wykonawczy ds. rozwiązań energetycznych i środowiskowych w firmie Applied Materials w Santa Clara w Kalifornii, największym na świecie dostawcy sprzętu do produkcji energii słonecznej. Wcześniej chodziło tylko o skalę. Teraz chodzi o wydajność konwersji przy jednoczesnym obniżeniu kosztów.

Może to brzmieć jak zła wiadomość dla chińskich producentów, którzy skoncentrowali się na rozbudowie standardowej technologii. Jednak ich doświadczenie w budowaniu konwencjonalnych paneli słonecznych może pomóc im wdrożyć nowe projekty, które znacznie poprawią wydajność krzemowych ogniw słonecznych. Z biegiem lat producenci ci obniżyli koszty po części dzięki opracowaniu lepszych sposobów wytwarzania ogniw. Dzięki temu rozumieją, co działa, a co nie w fabryce. Mają też kapitał i inżynierów, którzy pomogą im przełożyć nowsze technologie na masową produkcję. Być może początkowo nie zamierzali komercjalizować tych technologii, ale teraz, po opanowaniu rynku konwencjonalnych paneli słonecznych, są gotowi właśnie to zrobić.

UTRZYMANIE TEMPO

W 2010 roku, kiedy amerykański sekretarz ds. energetyki Steven Chu wygłosił przemówienie w National Press Club, w którym przedstawił swoją sprawę, że Stany Zjednoczone są zapóźnione w zaawansowanej produkcji, Suntech Power był jego eksponatem A. Zwiedził jego fabrykę i był pod wrażeniem tego, co zobaczył. To nowoczesna, zautomatyzowana fabryka, powiedział. To się nie udaje z powodu taniej siły roboczej. Nie tylko to, zauważył, ale Suntech opracował rodzaj ogniwa słonecznego o rekordowej na świecie wydajności.

Daleko z przodu

Powiększ wykres.

Ocena Chu mogła zaskoczyć niektórych obserwatorów, ale rekordowe ogniwa słoneczne Suntech są robi wrażenie. Zastosowana w nich technologia wykorzystuje zmiany zarówno w projektowaniu, jak i technice wytwarzania. Przewodzące linie metalowe, które zbierają ładunek elektryczny z krzemu, nie są tworzone metodą sitodruku, jak to jest w standardzie. Zamiast tego Suntech korzysta z zastrzeżonego procesu do nanoszenia znacznie cieńszych, gęściej rozmieszczonych linii, które są bardziej wydajne w pobieraniu energii elektrycznej z ogniw. Zmiany pozwoliły firmie osiągnąć poziomy wydajności i redukcje kosztów, które mapa drogowa przemysłu opublikowana w 2011 roku wyznaczyła jako cele na rok 2020. Kiedy połączysz te wszystkie rzeczy razem, nie tylko robimy lepiej niż to, co ludzie robią teraz, mówi Stuart Wenham, dyrektor ds. technologii w Suntech. Robimy też lepiej, niż im się wydaje, że mogliby robić za 10 lat.

Do tej pory Suntech wyprodukował stosunkowo niewiele paneli słonecznych opartych na nowej technologii. Zamiast tego skoncentrował swoje zasoby na ulepszaniu procesów produkcyjnych, aby obniżyć koszty wytwarzania konwencjonalnych krzemowych paneli słonecznych. Ale to może się wkrótce zmienić. W tym roku Suntech zaczął zwiększać produkcję nowych ogniw, a teraz jest w stanie wyprodukować ich tyle rocznie, aby wytworzyć 500 megawatów energii — około 2,5 miliona paneli słonecznych. To osiągnięcie wiele zawdzięcza sukcesowi firmy jako producenta wyrobów konwencjonalnych.

Technologia nowych ogniw została opracowana w latach 90. na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii w Australii, ale techniki stosowane w laboratorium były zbyt drogie do produkcji komercyjnej. Był to strasznie wyrafinowany proces, obejmujący fotolitografię, osadzanie próżniowe całkiem egzotycznych metali i wszelkiego rodzaju procesy chemiczne, mówi Wenham, który jest również szefem programu badawczego fotowoltaiki w UNSW i był wcześniej profesorem dyrektora generalnego i założyciela firmy Suntech, Zhengronga Shi. . Według Wenhama technologia pozostawała laboratoryjną ciekawostką przez dziesięciolecia, dopóki naukowcy z Suntech nie wymyślili, jak dostosować ją do linii montażowej. Wymyślili prosty, tani sposób na zastąpienie tego wszystkiego, osiągając te same wyniki, mówi. Nowa technologia może zwiększyć moc wyjściową panelu słonecznego o standardowych rozmiarach z 205 watów do 220 watów lub więcej, a produkcja ogniw jest tańsza niż w przypadku konwencjonalnych.

Poszczególne części technologii szybko odniosły sukces. Suntech wprowadził je do swoich standardowych linii produkcyjnych, mając na celu wyprzedzenie konkurentów pod względem kosztów i wydajności. Skalowanie całego procesu było jednak wyzwaniem. Pilotażowa linia produkcyjna została uruchomiona w 2009 r., ale firma musiała opracować i wdrożyć nowy sprzęt, aby uzyskać wydajność i tempo produkcji na tyle, aby proces był ekonomiczny. Tutaj pozycja Suntech jako lidera rynku z doświadczeniem w opracowywaniu nowych urządzeń produkcyjnych okazała się krytyczna. Firma nie tylko posiadała wiedzę niezbędną do usprawnienia procesu; miał też środki na kontynuowanie pracy nad technologią przez lata, nie przynosząc znaczących przychodów.

Suntech nie jest jedynym chińskim producentem energii słonecznej, który zidentyfikował obiecującą nową technologię i znalazł sposoby na jej produkcję na dużą skalę. We wrześniu ubiegłego roku firma Yingli Green Energy z siedzibą w Baoding ogłosiła, że ​​dzięki partnerstwu z holenderskim ośrodkiem badawczym ECN uzyskano panele słoneczne, które mogą przekształcić 17,6 procent energii słonecznej w energię elektryczną; średnia wynosi nieco ponad 14 proc. ECN udostępnił tę technologię każdemu na świecie, kto tego chciał, mówi Wenham. Jednak dopiero Yingli przejęła tę technologię i opracowała, jak produkować ją na dużą skalę przy niskich kosztach.

PRZEWAGA MATERIAŁOWA

Nawet teraz, gdy chińscy producenci energii słonecznej przenoszą się z produkcji na innowacje, mogą istnieć ograniczenia w tym, co mogą zrobić z wybranym materiałem, krystalicznym krzemem. Ten materiał jest atrakcyjny, ponieważ branża wie, jak z nim pracować, po części dzięki dziesięcioleciom badań nad mikrochipami krzemowymi. Ale w porównaniu z niektórymi innymi półprzewodnikami kiepsko pochłania światło słoneczne. Niektóre alternatywy, takie jak arsenek galu, można przetworzyć w folie z materiału, który może generować tyle energii elektrycznej, co typowe ogniwo krzemowe, ale ma tylko jedną setną grubość, co potencjalnie obniża koszty materiałów. Takie cienkie folie mogą być również elastyczne: można je zwijać, co zmniejsza koszty pakowania i wysyłki, a także można je wbudowywać w gonty dachowe w celu zmniejszenia kosztów instalacji.

Jednak pomimo ich potencjalnych zalet, cienkowarstwowe ogniwa słoneczne mają trudności z konkurowaniem z coraz niższymi kosztami i poprawą wydajności ogniw z krzemu krystalicznego. Pewnej firmie, First Solar z siedzibą w Arizonie, udało się opracować tanie techniki produkcji cienkowarstwowych paneli słonecznych, ale metody te wykorzystują materiał — tellur kadmu — który powoduje, że panele są mniej wydajne niż krzemowe. Inne firmy próbowały konkurować z krzemem, stosując bardziej wydajne cienkowarstwowe panele z selenku miedziowo-indowo-galowego. Część z nich musiała jednak ogłosić upadłość i zamknąć swoje fabryki po tym, jak nie udało się wystarczająco szybko obniżyć kosztów produkcji.

Pomimo tych zmagań Wenham wierzy, że technologia cienkowarstwowa ostatecznie rzuci wyzwanie konwencjonalnym panelom słonecznym. Jeśli to prawda, chińscy producenci krystalicznych krzemowych ogniw słonecznych mogą nie zdominować rynku na zawsze. Jednak strategia polegająca na najpierw zwiększaniu skali technologii konwencjonalnej, a następnie wprowadzaniu innowacyjnych projektów w celu dalszego obniżania kosztu w przeliczeniu na wat energii słonecznej, zapewniła im dobrą pozycję do utrzymania wiodącej pozycji przez lata. W międzyczasie niektórzy, jak Suntech, pracują nad produkcją własnych paneli cienkowarstwowych. Kiedy cienkie folie zastępują krystaliczny krzem, mogą je wytwarzać chińscy producenci.

Kevin Bullis jest Przegląd technologii Starszy Redaktor ds. Energii.

ukryć