Kostnadsreduserende tynnfilm, solcellefotovoltaisk teknologi, kan oppleve en renessanse, takket være nylige effektivitetsinnovasjoner av amerikanske produsent First Solar. Foto courtesy of First Solar, Inc.
Inne i en viltvoksende en-etasjers kontorsbygning i Bedford, Mass., I et hemmelig rom, kjent som veksthallen, er fremtiden for solenergi matlaging på mer enn 2,500 ° F. Bak lukkede dører og nedrevne persienner, tilpassede ovn med ambisiøse navn som "Fearless" og "Intrepid" bidrar til å perfeksjonere en ny teknikk for å lage silisiumskiver, arbeidshorse til dagens solpaneler. Hvis alt går bra, kan den nye metoden redusere kostnadene for solenergi med mer enn 20 prosent i de neste årene.
"Denne ydmyke wafen vil tillate solceller å være like billig som kull og vil drastisk endre måten vi bruker energi på," sier Frank van Mierlo, administrerende direktør for 1366 Technologies, selskapet bak den nye metoden for waferfabrikasjon.
Hemmelige rom eller ikke, det er spennende tider i fornybar energi. Takket være teknologiske fremskritt og en rampe opp i produksjon i løpet av tiåret, er nettoparitet - det punktet hvor kilder til fornybar energi som solenergi og vind koster det samme som elektrisitet som kommer fra å brenne fossilt brensel - nærmer seg raskt. I noen tilfeller er det allerede oppnådd, og flere innovasjoner som venter i vingene, holder et stort løfte om at kjørekostnadene er enda lavere, og innlemper en helt ny epoke for fornybar energi.
Solar overraskelse
I januar 2015, Saudi-Arabisk selskap ACWA Power overrasket bransje analytikere da det vant et bud på å bygge et 200-megawatt solenergianlegg i Dubai som vil kunne produsere elektrisitet for 6 cent per kilowatt-time. Prisen var mindre enn kostnaden for elektrisitet fra naturgass eller kullkraftverk, en første for en solinstallasjon. Strøm fra nye naturgass- og kullanlegg vil koste henholdsvis estimert 6.4 cent og 9.6 cent per kilowatt-time, ifølge US Energy Information Agency.
Teknologiske fremskritt, inkludert fotovoltaics som kan konvertere høyere prosentandel av sollys til energi, har gjort solpaneler mer effektive. Samtidig har stordriftsfordeler redusert kostnadene.
For mye av de tidlige 2000ene svingte prisen på et solpanel eller en modul rundt $ 4 per watt. På den tiden regnet Martin Green, en av verdens ledende fotovoltaiske forskere, prisen på hver komponent, inkludert de polykrystallinske silikonbunnene som ble brukt til å lage silisiumskiver, beskyttelsesglasset på utsiden av modulen og sølv som brukes i modulens ledninger . Grønn berømt erklært at så lenge vi stoler på krystallinsk silisium for solenergi, vil prisen trolig aldri falle under $ 1 / watt.
"Det er en tiendedel av en prosent av en effektivitetsvinning her og kostnadsreduksjoner der som har lagt opp for å gjøre solenergi svært konkurransedyktig." - Mark Barineau Framtiden, Green og nesten alle andre i feltet trodde, var med tynne filmer, solmoduler som stod på andre materialer enn silisium som krevde en brøkdel av råvarene.
Deretter, fra 2007 til 2014, prisen på krystallinske silisiummoduler falt fra $ 4 per watt til $ 0.50 per watt, alt annet enn å avslutte utviklingen av tynne filmer.
Den dramatiske kostnadsreduksjonen kommer fra et stort antall inkrementelle gevinster, sier Mark Barineau, en solanalytiker med Lux Research. Faktorer inkluderer en ny, lavprisprosess for å lage polykrystallinsk silisium; tynnere silisiumskiver tynnere ledninger på forsiden av modulen som blokkerer mindre sollys og bruker mindre sølv; billigere plast i stedet for glass; og større automatisering i produksjonen.
"Det er en tiendedel av en prosent av en effektivitetsvinning her og kostnadsreduksjoner der som har lagt opp for å gjøre solenergi svært konkurransedyktig," sier Barineau.
25-cent per watt
"Å komme under $ 1 [per watt] har overgått forventningene mine," sier Green. "Men nå tror jeg det kan bli enda lavere."
En sannsynlig kandidat til å få det er 1366s nye metode for waferfabrikker. Silisiumskiverne bak dagens solpaneler er kuttet av store ingots av polykrystallinsk silisium. Prosessen er ekstremt ineffektiv, snu så mye som halvparten av den opprinnelige gelen i sagflis. 1366 tar en annen tilnærming, smelter silisiumet i spesialbygde ovner og omarbeider det til tynne wafers for mindre enn halvparten av kostnaden per wafer eller en 20-prosentfall i den samlede prisen på en krystallinsk silisiummodul. 1366 håper å starte masseproduksjon i 2016, ifølge van Mierlo.
I mellomtiden kan tynne filmer som en gang trodde å være fremtiden for solenergi, knust av lavkostnadskrystallinsk silisium, oppleve en renessanse. Det nylige rekordinnsatte lavprisbudet for solenergi i Dubai utnytter tynnfilm cadmium telluride solcellepaneler laget av amerikanske produsenter First Solar. Selskapet hang ikke bare av da størstedelen av tynnfilmfirmaene brettet, men har konsekvent produsert noen av de minst kostbare modulene ved å øke effektiviteten av deres solceller mens oppskalering av produksjonen. Selskapet sier nå at det kan produsere solcellepaneler for mindre enn 40 cent per watt og forventer ytterligere prisreduksjoner i de kommende årene.
Ti år fra nå kan vi lett se kostnaden for solcellemoduler som faller til 25 cent per watt, eller omtrent halvparten av dagens kostnader, sier Green. For å redusere kostnadene utover det, må konverteringseffektiviteten til sollys til elektrisitet øke betydelig. For å komme dit, må andre halvledende materialer bli stablet på toppen av eksisterende solceller for å konvertere et bredere spektrum av sollys til strøm.
"Hvis du kan stable noe på toppen av en silisiumskive, blir det ganske uslåelig, sier Green.
Grønne og kollegaer satte en rekord for krystallinsk silisium solmodul effektivitet ved 22.9 prosent i 1996 som fortsatt holder i dag. Grønn tvil effektiviteten av krystallinsk silisium alene vil noensinne bli mye høyere. Med celle stabling sier han imidlertid at "himmelen er grensen."
Et spørsmål om størrelse
Mens solenergi nettopp begynner å nå rutenett, er vindenergi allerede der. I 2014 var den gjennomsnittlige verdensomspennende prisen på onshore vindkraft den samme som elektrisitet fra naturgass, ifølge Bloomberg New Energy Finance.
Som med sol, går kreditten til teknologiske fremskritt og volumøkninger. For vinden har innovasjon imidlertid hovedsakelig vært et spørsmål om størrelse. Fra 1981 til 2015 har den gjennomsnittlige lengden på et vindturbinrotorblad økt mer enn seks ganger, fra 9 meter til 60 meter, som kostnaden for vindenergi har falt med en faktor 10.
"Å øke rotorstørrelsen betyr at du tar mer energi, og det er den enkleste importdriveren i å redusere kostnadene for vindenergi," sier D. Todd Griffith of Sandia National Laboratories i Albuquerque, New Mexico.
Griffith overvåket nylig bygging og testing av flere 100-meter lange prototypeblad på Sandia. Da prosjektet startet i 2009, var de største bladene i kommersiell drift 60 meter lang. Griffith og hans kolleger ville se hvor langt de kunne presse utviklingen av stadig økende blad før de sprang inn i design og materialbegrensninger.
"Jeg forventer fullt ut å se 100-målerblader og utover." - D. Todd Griffith.De første prototypen var et glassfiberblad som brukte lignende design og materialer som de som ble funnet i relativt mindre kommersielle blader på den tiden. Resultatet var et uhyre tungt 126-tonblad som var så tynt og lenge det var utsatt for vibrasjon i sterk vind og tyngdekraften.
Gruppen lagde to påfølgende prototyper som brukte sterkere, lettere karbonfiber og en bladform som var flatbakt i stedet for skarpkantet. Det resulterende 100-meterbladet var 60 prosent lettere enn deres opprinnelige prototype
Siden prosjektet startet i 2009, har de største bladene som brukes i kommersielle offshore vindturbiner vokst fra 60-meter til omtrent 80-meter med større kommersielle prototyper som nå er under utvikling. "Jeg forventer fullt ut å se 100-målerblader og utover," sier Griffith.
Da bladene vokser lengre, blir tårnene som hever dem, høyere for å fange mer konsistent, høyere hastighet vind. Og som tårnene blir høyere, blir transportkostnadene stadig dyrere. Å motvirke de økte kostnadene GE nylig debutert et "romramme" tårn, et stålgittertårn innpakket i stoff. De nye tårnene bruker omtrent 30 prosent mindre stål enn konvensjonelle rørtårn i samme høyde og kan leveres helt i standardformede fraktbeholdere til montering på stedet. Selskapet har nylig mottatt en $ 3.7 millioner tilskudd fra US Department of Energy for å utvikle lignende romrammerblad.
Offshore Innovation
Likesom krystallinske silisium solcellepaneler, vil eksisterende vindteknologi til slutt løpe opp mot materialgrenser. En annen innovasjon i horisonten for vind er relatert i stedet til plassering. Vindmølleparker flytter offshore i jakt etter større vindressurser og mindre arealbrukskonflikt. Jo lenger offshore de går, jo dypere vannet, gjør den nåværende metoden for å fikse turbiner til havbunnen for dyrt. Hvis industrien beveger seg i stedet for flytende støttestrukturer, vil dagens topptunge vindturbinutforming sannsynligvis vise seg å være ujevn.
En potensiell løsning er en vertikal akse turbin, en hvor hovedrotorakselen er satt vertikalt, som en god tur rundt, snarere enn horisontalt som en vanlig vindturbin. Generatoren for en slik turbin kan plasseres på havnivå, noe som gir enheten et mye lavere tyngdepunkt.
"Det er en veldig god sjanse for at en annen type turbinteknologi, veldig godt vertikal akse, vil være den mest kostnadseffektive i dypt vann," sier Griffith.
Det siste tiåret har gitt bemerkelsesverdige innovasjoner innen sol- og vindteknologi, noe som gir forbedringer i effektivitet og kostnader som i noen tilfeller har overskredet de mest optimistiske forventningene. Hva det kommende tiåret vil bringe, er uklart, men hvis historien er en guide, ser fremtiden for fornybare stoffer seg utrolige positivt ut. 
Denne artikkelen opprinnelig dukket opp på Ensia
Om forfatteren
Phil McKenna er frilansskriver interessert i konvergensen mellom fascinerende personer og spennende ideer. Han skriver først og fremst om energi og miljø med fokus på individene bak nyhetene. Hans arbeid kommer fram i De New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER og NOVA, hvor han er en medvirkende redaktør.
