Wielki skok naprzód Solar

Aby zobaczyć przyszłość energii słonecznej, wybierz się na godzinną przejażdżkę pociągiem z Szanghaju w głąb lądu, a następnie przejedź się trąbiącą taksówką przez smog Wuxi, szybko rozwijającego się pięciomilionowego chińskiego miasta. Po przejechaniu przez park przemysłowy dotrzesz do drzwi wejściowych Suntech Power, firmy, która w ciągu kilku lat od jej powstania stała się największym na świecie producentem paneli słonecznych z krystalicznego krzemu.

Panele słoneczne pokrywają całą fasadę rozległej ośmiopiętrowej siedziby. Prawie 2600 dwumetrowych paneli tworzy największą na świecie podłączoną do sieci fasadę słoneczną. Wraz z tablicą 1800 mniejszych paneli na dachu może generować megawat energii w słoneczny dzień. Oczekuje się, że rocznie wyprodukuje ponad milion kilowatogodzin energii elektrycznej, co wystarczy dla ponad 300 osób w Chinach.

Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2010 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

W 2001 roku, kiedy firma Suntech została założona, wszystkie fabryki paneli słonecznych w Chinach działające na pełnych obrotach zajęłyby sześć miesięcy, aby zbudować wystarczającą liczbę paneli dla tak ogromnego układu. Pierwsza fabryka Suntech, otwarta w 2002 roku, skróciła ten czas do nieco ponad miesiąca. Dziś firma jest w stanie wyprodukować tak wiele paneli w czasie krótszym niż jedna 12-godzinna zmiana. Do końca tego roku robotnicy mogli skończyć do obiadu. Zdolności produkcyjne Suntech wzrosły z 10 megawatów rocznie w 2002 roku do ponad 1000 megawatów obecnie. Chińska produkcja energii słonecznej jako całość zwiększyła swoją moc z dwóch megawatów w 2001 roku do ponad 4000 megawatów.

Ten szybki wzrost, napędzany nieustannymi cięciami kosztów, pozwolił chińskim producentom wyprzedzić producentów ze Stanów Zjednoczonych, Japonii i Niemiec w mniej niż dekadę, stając się największym źródłem paneli słonecznych na świecie. Na całym świecie chińskie panele słoneczne stanowiły około połowy wszystkich dostaw w 2009 roku. Oczekuje się, że udział ten wzrośnie w tym roku. Spośród 10 największych producentów paneli słonecznych połowa ma siedzibę w Chinach. W 2007 roku amerykańscy producenci dostarczyli 43 procent paneli do programu rabatów słonecznych w Kalifornii. Reszta pochodziła prawie wyłącznie z Japonii i Niemiec; tylko 2 proc. pochodziło z Chin. Obecnie chińskie firmy dostarczają 42 procent paneli, a udział USA spadł do 15 procent, zgodnie z analizą Nathaniela Bullarda z Bloomberg New Energy Finance.

W 2004 r. wyprodukowanie krzemowych paneli słonecznych kosztowało średnio około 3,20 USD za wat. Obecnie, według analityków branży fotowoltaicznej z Photon Consulting w Bostonie, chiński producent może wyprodukować je już za 1,28 dolara za wat, podczas gdy najtańszy zachodni producent wyprodukuje porównywalną technologię za około 2 dolary za wat. Ta przewaga kosztowa nie tylko sprawiła, że ​​chińscy producenci dominowali w branży, ale także pomogła na nowo zdefiniować perspektywy energii słonecznej, zbliżając ją do tego, co wtajemniczeni nazywają parytetem sieci – punktu, w którym jest tak samo tania jak energia elektryczna w sieci energetycznej. z których większość jest wytwarzana z paliw kopalnych. Za około pięć lat powinniśmy być w stanie osiągnąć parytet sieci na co najmniej 30 do 50 procent globalnego rynku, mówi Zhengrong Shi, założyciel i dyrektor generalny Suntech, przemawiając ze swojego przestronnego biura z widokiem na tył ogromnej fasada słoneczna.

Twarz słoneczna: Ogromna fasada paneli fotowoltaicznych wita gości w siedzibie firmy Suntech w Wuxi w Chinach.

Dotychczasowa strategia Suntech polegała na obniżeniu kosztu na wat poprzez zmniejszenie kosztów produkcji paneli słonecznych. Jednak osiągnięcie parzystości sieci będzie wymagało również zwiększenia wydajności paneli, tak aby każdy z nich wytwarzał więcej watów. Pod kierownictwem Shi, który był badaczem energii słonecznej, zanim został biznesmenem, firma opracowała nowy sposób wytwarzania paneli słonecznych; Moduły multikrystaliczne wykonane w zeszłym roku pobiły 15-letni rekord wydajności w przetwarzaniu światła słonecznego na energię elektryczną. Kilka miesięcy później Suntech po raz kolejny podwyższył wskaźnik efektywności. A laboratorium firmy ma prototypy, które obiecują jeszcze lepsze wyniki. Jeśli te postępy się powiodą, może to wreszcie utorować drogę marzeniom Shi o przystępnej cenie energii słonecznej.

Bogactwa i szmaty

Pod wieloma względami Shi odzwierciedla złożoność współczesnych Chin. Choć urodził się i dorastał niecałe 100 kilometrów od swoich fabryk w Wuxi, rozpoczął karierę w Australii, gdzie mieszkał przez dziesięć lat i został obywatelem, zanim wrócił do Chin w 2000 roku, aby skorzystać z boomu gospodarczego tego kraju. Muszę dostać wizę do pracy w Chinach – mówi Shi z nutą australijskiego akcentu, śmiejąc się. Pomimo swojego bogactwa i stanowiska kierowniczego, ma swobodny, ale pewny siebie naukowiec, ubrany w prosty sportowy płaszcz i rozpiętą koszulę w paski. Ale jego zrelaksowany wygląd i wyluzowane australijskie maniery przeczą jego ambicji i bliskim powiązaniom z ojczyzną. Kilka kopii okładek czasopism przedstawiających go jako Króla Słońca ( Forbes Azja ) i nowy chiński król energii słonecznej ( Fortuna ) są starannie zaaranżowane wokół jego przestronnego biura, pośród cytatów z krajowych akademii i innych nagród. Powitanie gości w przedpokoju to ogromna wersja Ch’an Chu, chińskiego symbolu dobrobytu – kamienna ropucha trzymająca w ustach monetę wielkości talerza.

Postać, która jest również symbolem szczęścia, jest odpowiednia. W 2005 roku, kiedy ceny ropy były niestabilne, a wiele krajów, szczególnie w Europie, dążyło do ograniczenia emisji dwutlenku węgla, Shi wprowadził Suntech na giełdę nowojorską. Według Forbes . Ale człowiek, który umożliwił Suntech, prawie w ogóle nie zainteresował się energią słoneczną.

Rodzice Shi, rolnicy z obszarów wiejskich, których wyniszczył głód, który nawiedził Chiny na początku lat 60., zostali zmuszeni do oddania go do adopcji bliskiemu przyjacielowi rodziny, gdy był małym dzieckiem. Celował w szkole, ostatecznie uzyskując tytuł licencjata w dziedzinie optyki i magister fizyki laserowej. Shi złożył podanie o studia za granicą, podobnie jak wielu utalentowanych studentów w Chinach pod koniec lat 80-tych. Został zatwierdzony – nie na studia w Stanach Zjednoczonych, jak się spodziewał, ale w Australii. Niewiele wiedząc o kraju, oparł się na sugestii jednego ze swoich kolegów, by spotkać się z Martinem Greenem, dyrektorem Photovoltaics Center of Excellence na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii, który słynął z wynalezienia podejścia do krzemowych ogniw słonecznych, które osiągnęły rekordowe wydajności. Złożył podanie o płatne stanowisko badawcze, ale Green natychmiast mnie odrzucił, wspomina Shi. Zamiast tego Green przekonał go, by studiował na doktorat. Ukończył studia w zaledwie dwa i pół roku, a w 1995 roku rozpoczął pracę w Pacific Solar, startupie wywodzącym się z laboratorium Greena, który komercjalizował nowy typ cienkowarstwowych ogniw słonecznych.

Do 2000 roku Shi był dyrektorem wykonawczym startupu, ale wiadomości o rozwoju branży fotowoltaicznej w Europie i Japonii zniecierpliwiły go. Dostrzegłem możliwość boomu słonecznego, mówi. Tymczasem wprowadzenie technologii Pacific Solar na rynek trwało zbyt długo. Cienki film na tym etapie nie był jeszcze gotowy, mówi Shi. Dostrzegł także szansę w Chinach, gdzie koszty były niskie i nikt tak naprawdę nie rozumiał technologii i branży. Po 10 latach spędzonych za granicą wrócił do Chin i przedstawił biznesplan politykom odpowiedzialnym za Wuxi New District, nowoczesny park przemysłowy oddalony o godzinę drogi od miejsca, w którym się wychował. Jego planem było wyprodukowanie konwencjonalnych krzemowych paneli słonecznych i zrobienie tego tanio. Urzędnicy rządowi odrzucili go, sugerując, że nawet jego konserwatywne podejście było o krok za wcześnie, wspomina. Chociaż inwestorzy venture capital i duże firmy oferujące wspólne przedsięwzięcia są obecnie powszechni w Chinach, w tamtych czasach byli rzadkością. Tak więc Shi spędził następne 10 miesięcy na nawiązywaniu kontaktów i zabieganiu o polityków, podczas gdy on, jego żona i dwójka małych dzieci żyli ze swoich oszczędności. Prawdziwym wyzwaniem było przekonanie władz lokalnych, że mogę odnieść sukces w biznesie fotowoltaicznym, a nie tylko w laboratorium fotowoltaicznym – mówi. W końcu zaoferowali mu 6 milionów dolarów, zebranych od lokalnych przedsiębiorstw państwowych, na uruchomienie Suntech.

Założyciel i dyrektor generalny Suntech, Zhengrong Shi, pozuje na tarasie przed swoim biurem, z fasadą w tle.

Shi obserwował każdą okazję do obniżenia kosztów. Kupił używany sprzęt. Pomógł japońskiej firmie zaprojektować nową maszynę w zamian za rabat. I gdzie mógł, znalazł sposoby na zastąpienie maszyn tańszą siłą roboczą.

Metody produkcji, których użył Shi, aby wystartować z firmą, wciąż można zobaczyć w fabryce, do której można dostać się przez drzwi z tyłu budynku centrali. Zamiast drogich robotów używanych w fabrykach energii słonecznej w Japonii i na Zachodzie, pracownicy przenoszą cienkie wafle krzemowe jeden po drugim na regały, które wytrzymują płonące piece, w których temperatura dochodzi do 1000 °C. Operacja może być zautomatyzowana, ale praca ludzka kosztuje mniej i może zmniejszyć odsetek pęknięć. Maszyny są używane tam, gdzie są tego warte: na innej stacji testuje się moc wyjściową gotowych komórek za pomocą błysku światła, zanim ramiona robotów umieszczą je w pojemnikach zgodnie z wydajnością. Ludzka załoga sortuje te komórki dalej, identyfikując drobne gradacje w ciemnoniebieskim kolorze. (Całe to sortowanie ma na celu zapewnienie spójności ogniw wchodzących w skład panelu.) W innym budynku pracownicy spawają ogniwa słoneczne w paski, a następnie ustawiają je wzrokowo na podświetlanym pudełku, tworząc rzędy i kolumny ogniw, które tworzą kompletny panel słoneczny. Aby wykończyć panele, pary pracowników sklejają ze sobą ramy ręcznie i czyszczą je szmatką.

Na żądanie

Kiedy Shi założył Suntech w 2001 roku, jego wyczucie czasu nie mogło być lepsze. Produkcja energii słonecznej w Chinach prawie nie istniała, więc miał niewielką konkurencję na rynku krajowym. W tym samym czasie rynek na całym świecie zaczął się rozwijać. Właśnie zaczęły obowiązywać zachęty cenowe na energię słoneczną zatwierdzone przez niemiecki parlament w 2000 r. (patrz Niemiecki eksperyment ) ; po zwiększeniu tych dotacji w 2004 r. Niemcy stały się największym światowym rynkiem paneli słonecznych i największym źródłem dochodów Suntech.

Gdy inne rządy wprowadziły własne zachęty do instalowania odnawialnych źródeł energii, popyt poszybował w górę, a budowniczowie zaczęli wykorzystywać tanie panele słoneczne z Chin. W 2005 i 2006 roku nie mogłem zdobyć paneli słonecznych, mówi Barry Cinnamon, dyrektor generalny Akeena Solar, instalatora energii słonecznej i jednego z pierwszych klientów Suntech w Kalifornii. Popyt był znacznie większy niż podaż. Każda firma, w dowolnym miejscu na świecie, która mogłaby zrobić kawałek szkła z przewodami, które wytwarzają energię elektryczną, gdy uderza w nią słońce, może sprzedawać tyle, ile chce. Suntech nie tylko mógł spełnić jego żądanie, ale był gotów spełnić prośby Akeeny. Interesujące w Suntech było to, że byli gotowi zbudować dla nas specjalnie zaprojektowany panel słoneczny, mówi. Nikt inny by tego nie zrobił.

W latach po tym, jak Shi założył Suntech, całkowita liczba watów produkowanych przez przemysł fotowoltaiczny podwajała się mniej więcej co dwa lata. Suntech wyprzedzał krzywą, podwajając swoją produkcję średnio co roku, aż do 2009 r., kiedy to spowolniła recesja. W tym roku produkcja prawdopodobnie po raz kolejny wzrośnie o 100 procent; firma zatrudni 12 000 pracowników. Niedawno rząd przyznał Suntechowi kredyty o wartości 7,3 miliarda dolarów za pośrednictwem Chińskiego Banku Rozwoju, aby sfinansować jeszcze większą ekspansję.

Postęp Chin
Źródło: Photon Consulting
*Dla najtańszych producentów w każdym kraju

Tymczasem w Chinach założono setki innych firm zajmujących się energią słoneczną, a kilka z nich stało się głównymi dostawcami na całym świecie. Yingli Green Energy z siedzibą w pobliżu Pekinu ma jeszcze większy udział w kalifornijskim rynku niż Suntech, chociaż ogólnie produkuje mniej paneli. Ma też jeszcze niższe koszty. Inne, takie jak JA Solar, Trina Solar i China Sunergy, szybko zyskują uznanie marki na całym świecie. Znaczna część przemysłu wywodzi się z Greena i jego laboratorium w Nowej Południowej Walii; Jego byli studenci są kluczowymi liderami w firmach, które wspólnie wytwarzają 60 procent paneli słonecznych produkowanych w Chinach. Ale jeśli Green zapewnił znaczną część szkolenia technicznego, przypisuje Shiowi zmysł biznesowy, który pomógł stworzyć kwitnący przemysł w kraju. Mówi, że byli studenci wywarli duży wpływ w Chinach. Ale, dodaje, przypisałbym całą zasługę Zhengrongowi Shi za wytyczenie szlaku, którym poszli inni.

Zielone sztuczki

Kiedy założył Suntech, Shi wiedział, że można wyprodukować ogniwa słoneczne prawie dwa razy silniejsze niż te, które zjechały z linii jego pierwszej fabryki. Green robił je od lat w swoim laboratorium. Jeśli zmienisz właściwości elektroniczne najwyższej jakości płytek krzemowych w precyzyjnych wzorach, a następnie prześledzisz niezwykle drobne styki elektryczne na ich przedniej i tylnej powierzchni, aby wydobyć prąd elektroniczny, powstałe komórki przechwytują znacznie więcej tego prądu niż robią to konwencjonalne komórki. Jedynym problemem jest to, że metody Greena opierają się na zaawansowanej i drogiej technologii przetwarzania zapożyczonej z branży półprzewodników. Ogniwa kosztują około 100 razy więcej niż konwencjonalne ogniwa słoneczne, takie jak te, które Suntech produkuje do tej pory.

Uniwersytet Nowej Południowej Walii bezskutecznie próbował skomercjalizować tę technologię przez 20 lat, ale Shi był zdeterminowany, aby znaleźć sposób. Kluczem było zidentyfikowanie tanich metod osiągania tych samych efektów za pomocą łatwo dostępnego krzemu klasy komercyjnej. Wskazując na swoje 45 patentów i 65 oczekujących patentów, Suntech twierdzi, że teraz się udało, ale szczegóły nie ujawniają. Tylko trzech pracowników widziało cały proces tworzenia nowych produktów. Wiemy, że każdy, kto widział całą linię, będzie bardzo, bardzo entuzjastycznie nakierowany na inne firmy, mówi Stuart Wenham, dyrektor ds. technologii w Suntech. Wenham, kolega Greena z Nowej Południowej Walii i Shi z Pacific Solar, został w 2005 roku wprowadzony do Suntech w celu produkcji zaawansowanych ogniw. Dr Shi był tak zdeterminowany, aby zachować to wszystko w tajemnicy, że kupił własną firmę produkującą sprzęt, aby wyprodukować sprzęt dla tej technologii, mówi.

Proces ten polega na zastąpieniu kluczowego etapu w produkcji konwencjonalnych ogniw słonecznych: sitodruku. Aby pozyskać prąd elektryczny z ogniwa, producenci drukują na jego przedniej powierzchni linie srebrnej pasty. Im bliżej siebie te elektrony-

nieokreślony

Postęp Chin
Źródło: Photon Consulting
*Dla najtańszych producentów w każdym kraju

linie przewodzące, tym wydajniej pobierają ładunek z krzemu. Jeśli jednak zbyt duża część powierzchni komórki jest zacieniona przez linie, komórka nie może wchłonąć wystarczającej ilości światła. Im cieńsze są linie, tym bliżej mogą się zbliżyć bez powodowania tego problemu, ale proces drukowania nie może sprawić, że będą one cieńsze niż około 120 mikrometrów.

Naukowcy z Suntech opracowali sposób chemicznej obróbki płytki krzemowej w wąskich pasmach. Te obrobione obszary przyciągają srebro, które tworzy metalowe linie o szerokości zaledwie 20 mikrometrów. Oprócz uzyskania cieńszych linii, proces ten umożliwia również oszczędność kosztów materiału dzięki zastosowaniu płytek krzemowych tak cienkich, że sprzęt do sitodruku może je złamać podczas odciskania linii na ich powierzchni. Zastępuje również obróbkę stosowaną w konwencjonalnej produkcji, która zmniejsza wydajność ogniw poprzez uszkadzanie powierzchni krzemu. Najlepsze moduły wykonane w nowej technologii przetwarzają około 18 procent energii światła na energię elektryczną – w przeciwieństwie do 13 procent w przypadku oryginalnych paneli słonecznych firmy. W przyszłym roku Suntech zamierza wprowadzić na rynek nowszą wersję technologii, która według wstępnych testów poprawi wydajność o kolejny jeden lub dwa punkty procentowe. Poprawa może wydawać się skromna, ale zwiększona wydajność ma duży wpływ na koszt powstałej energii elektrycznej. Z reguły poprawa wydajności o punkty procentowe może obniżyć koszty o ponad 6%.

Suntech finansuje również współpracę z uniwersytetami, w tym z Nową Południową Walią i Swinburne University of Technology w Melbourne, w celu opracowania ogniw słonecznych, które omijają fundamentalne ograniczenie dzisiejszej fotowoltaiki: nie mogą pochłaniać wszystkich długości fal światła słonecznego i nie mogą przekształca całą energię w wielu z tych długości fal w ładunek elektroniczny. Jedną z kluczowych inwestycji jest plazmonika, która wykorzystuje fakt, że cząsteczki metalu osadzone na powierzchni komórki mogą kierować energią świetlną tak, że odbija się ona tam i z powrotem w komórce, zamiast odbijać się z powrotem. Wykorzystanie tego efektu może umożliwić naukowcom zmniejszenie ilości aktywnego materiału półprzewodnikowego w ogniwie słonecznym o rzędy wielkości, a nawet wytwarzanie ogniw z materiałów znacznie tańszych niż oczyszczony, krystaliczny krzem (patrz fotowoltaika pułapkująca światło, maj/czerwiec 2010). Te koncepcje prawdopodobnie nie trafią do produktów komercyjnych w ciągu najbliższych 10 do 20 lat, mówi Wenham. Ale w końcu to zrobią.

Na granicy

Pomimo szybkiego rozwoju Suntech i przemysłu słonecznego na całym świecie, energia słoneczna nadal stanowi znikomą część całkowitej energii elektrycznej produkowanej każdego roku. W Stanach Zjednoczonych jest to nieco ponad 0,1 proc. To błąd zaokrąglania, mówi Nathaniel Bullard, analityk Bloomberg New Energy Finance.

Trudno przewidzieć przebieg wciąż malutkiego przemysłu. Po pierwsze, wszystkie przewidywania, kiedy energia słoneczna może osiągnąć parytet sieci, są pełne niepewności, mówi Bullard. Weźmy tylko jeden przykład, weźmy pod uwagę, że obecnie same panele słoneczne stanowią mniej niż połowę całkowitego kosztu technologii. Koszty instalacji, dodatkowego wyposażenia, takiego jak falowniki, sprzedaży i marketingu przez instalatorów oraz, co najważniejsze, finansowania również będą musiały spaść. Co więcej, jeśli chodzi o parytet sieci, cena, jaką producenci fotowoltaiki pobierają za swoje produkty, jest w rzeczywistości ważniejsza niż pieniądze, które kosztuje ich wytworzenie – i to będzie zależeć od rynku. Jeśli popyt na fotowoltaikę pozostanie wysoki, po części z powodu zachęt rządowych w Niemczech i innych krajach, panele słoneczne mogą pozostać wystarczająco drogie, aby utrzymać cenę energii słonecznej znacznie powyżej ceny energii elektrycznej z sieci.

Nie jest też jeszcze jasne, jaka technologia najlepiej nadaje się do powszechnego wykorzystania energii słonecznej. Za dziesięć lat panele słoneczne, które większość ludzi kupuje, mogą nawet nie być wykonane z krzemu. Zmiana byłaby trudna dla Suntecha. Chociaż ma doświadczenie w zmianie kierunku, jego niskie koszty produkcji zależą od inwestycji w sprzęt i umów z dostawcami krzemu. Tymczasem konkurencyjne firmy mają przewagę nad technologiami wykorzystującymi inne materiały. First Solar, z siedzibą w Tempe, AZ, produkuje cienkowarstwowe ogniwa słoneczne z kadmu i telluru za jeszcze mniej za wat niż chińskie firmy produkujące ogniwa krzemowe. Trzeba przyznać, że technologia First Solar przekształca tylko około 11% światła słonecznego w energię elektryczną; że stosunkowo niska wydajność przekłada się na wyższe koszty instalacji i ogranicza zastosowania, do których jest dobra. Mimo to cienkowarstwowa energia słoneczna ma stale większy udział w całym rynku, od 3% w 2003 r. do ponad 15% obecnie.

Mimo całej tej niepewności Shi pozostaje przekonany, że energia słoneczna oparta na krzemie jest bliska osiągnięcia konkurencyjności bez rządowych dotacji. Twierdzi, że pomysł, że energia słoneczna będzie musiała poczekać na przełom, aby osiągnąć parytet sieci, jest gówniany. Dodaje: Nie mówimy o nauce rakietowej. Mówimy o podstawowej inżynierii.

Kevin Bullis jest Przegląd technologii redaktor ds. energii.

ukryć