De Chinese zonnemachine

Tien jaar geleden werden zonnepanelen vooral gemaakt in de Verenigde Staten, Duitsland en Japan. Chinese fabrikanten maakten er bijna geen. Maar in 2006 had het Chinese bedrijf Suntech Power de capaciteit om meer dan een miljoen op silicium gebaseerde zonnepanelen per jaar te maken en was het al de op twee na grootste producent ter wereld. Tegenwoordig maken Chinese fabrikanten ongeveer 50 miljoen zonnepanelen per jaar - meer dan de helft van het wereldaanbod in 2010 - en omvatten vier van 's werelds top vijf fabrikanten van zonnepanelen. Wat dit bijzonder indrukwekkend maakt, is dat de industrie elders elke twee jaar in omvang is verdubbeld, en Chinese fabrikanten hebben het zelfs nog beter gedaan door hun productie ongeveer elk jaar te verdubbelen.

Deze dominantie is niet te wijten aan goedkope arbeid in Chinese fabrieken: voor het maken van zonnecellen zijn zulke dure apparatuur en materialen nodig dat arbeid slechts een klein deel van de totale kosten uitmaakt. Het is ook niet omdat de Chinese bedrijven cellen hebben geïntroduceerd die langer meegaan of meer stroom produceren: over het algemeen maken ze hetzelfde type op silicium gebaseerde zonnepanelen als veel van hun concurrenten over de hele wereld, met dezelfde apparatuur. Ze zijn er grotendeels in geslaagd omdat het voor hen sneller en goedkoper is om fabrieken te bouwen, dankzij goedkope, efficiënte bouwploegen en het gestroomlijnde vergunningsproces in China. De nieuwe fabrieken hebben de nieuwste, meest efficiënte apparatuur, wat helpt om kosten te besparen. Dat geldt ook voor de efficiëntie die bij grootte hoort. Als gevolg hiervan zijn Chinese fabrikanten in staat geweest om andere fabrikanten van siliciumzonnepanelen te ondermijnen en de hoop van veel parvenu's in de hoop nieuwe technologie te introduceren, teniet te doen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2012

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Maar de markt voor zonne-energie evolueert snel en technologische innovaties worden steeds belangrijker. Hoewel de vraag naar zonne-energie over de hele wereld blijft groeien, wordt de markt overspoeld met fotovoltaïsche panelen: de wereldwijde productiecapaciteit is meer dan verdubbeld van 2009 tot 2010 en bleef toenemen in 2011. De overcapaciteit was zo groot dat Chinese fabrikanten afgelopen herfst problemen hadden zonnepanelen verkopen voor meer dan het kost om ze te maken. In zo'n markt is de manier om uw product te onderscheiden - en genoeg te vragen om het hoofd boven water te houden - het beter te maken dan dat van uw concurrenten.

Voor fabrikanten van zonne-energie vandaag de dag betekent dat het uitvinden van cellen die efficiënter zijn in het omzetten van licht in elektriciteit. Omdat de prijs van zonnepanelen is gedaald, zijn installatiekosten een groter percentage van de kosten van zonne-energie gaan uitmaken. Klanten willen panelen die krachtiger zijn, zodat ze er minder kunnen installeren. Voortaan is de beste manier voor Chinese fabrikanten om de kosten per watt zonne-energie te verlagen niet door de productiekosten te verlagen, maar door het aantal watt dat elk paneel genereert te verhogen. Het spel is nu aan het veranderen, zegt Mark Pinto, executive vice president of energy and environment solutions bij Applied Materials in Santa Clara, Californië, 's werelds grootste leverancier van zonne-energieproductieapparatuur. Vroeger ging het allemaal om schaal. Nu gaat het om conversie-efficiëntie terwijl de kosten laag blijven.

Dit klinkt misschien als slecht nieuws voor Chinese fabrikanten die zich hebben gericht op het opschalen van standaardtechnologie. Maar hun ervaring met het bouwen van conventionele zonnepanelen zou hen kunnen helpen nieuwe ontwerpen te implementeren die de prestaties van siliciumzonnecellen aanzienlijk verbeteren. In de loop der jaren hebben deze fabrikanten de kosten verlaagd, deels door betere manieren te ontwikkelen om de cellen te vervaardigen. Dat heeft hen inzicht gegeven in wat werkt en wat niet op de fabrieksvloer. Ze hebben ook het kapitaal en de ingenieurs om hen te helpen nieuwere technologieën om te zetten in massaproductie. Ze waren aanvankelijk misschien niet van plan om die technologieën te commercialiseren, maar nu ze de markt voor conventionele zonnepanelen onder de knie hebben, zijn ze klaar om precies dat te doen.

TEMPO AANHOUDEN

In 2010, toen de Amerikaanse minister van energie, Steven Chu, een toespraak hield voor de National Press Club waarin hij uiteenzette dat de Verenigde Staten achterop liepen op het gebied van geavanceerde productie, was Suntech Power zijn bewijsstuk A. Hij had de fabriek bezocht en hij was onder de indruk van wat hij had gezien. Het is een hightech, geautomatiseerde fabriek, zei hij. Het lukt niet vanwege goedkope arbeidskrachten. Niet alleen dat, merkte hij op, maar Suntech had een type zonnecel ontwikkeld met een wereldrecordrendement.

Ver vooruit

Vergroot de grafiek.

Chu's beoordeling heeft sommige waarnemers misschien verrast, maar de record-zonnecellen van Suntech zijn indrukwekkend. De technologie die erin gaat, maakt gebruik van veranderingen in zowel ontwerp als fabricagetechniek. De geleidende metalen lijnen die de elektrische lading van het silicium opvangen, worden niet gemaakt met zeefdrukmethoden, zoals standaard. In plaats daarvan gebruikt Suntech een gepatenteerd proces om veel dunnere, dichter bij elkaar liggende lijnen af ​​te zetten die efficiënter zijn in het extraheren van elektriciteit uit de cellen. De veranderingen hebben het bedrijf in staat gesteld om efficiëntieniveaus en kostenbesparingen te bereiken die een industrie-roadmap die in 2011 werd uitgebracht als doelen voor 2020 had gesteld. Als je al die dingen bij elkaar optelt, doen we het niet alleen beter dan wat mensen nu doen, zegt Stuart Wenham, de chief technology officer bij Suntech. We doen het ook beter dan wat ze denken dat ze over 10 jaar zouden kunnen doen.

Tot nu toe heeft Suntech relatief weinig zonnepanelen gemaakt op basis van de nieuwe technologie. In plaats daarvan heeft het zijn middelen gericht op het aanpassen van productieprocessen om de kosten van het maken van conventionele siliciumzonnepanelen te verlagen. Maar dat zou snel kunnen veranderen. Dit jaar is Suntech begonnen met het verhogen van de productie van de nieuwe cellen, en nu kan het er jaarlijks genoeg van maken om 500 megawatt aan stroom op te wekken - ongeveer 2,5 miljoen zonnepanelen. Die prestatie heeft veel te danken aan het succes van het bedrijf als producent van de conventionele producten.

De technologie achter de nieuwe cellen werd in de jaren negentig ontwikkeld aan de Universiteit van New South Wales, Australië, maar de technieken die in het laboratorium werden gebruikt, waren te duur voor commerciële productie. Het was een verschrikkelijk geavanceerd proces, inclusief fotolithografie, vacuümafzetting van vrij exotische metalen en allerlei chemische processen, zegt Wenham, die ook hoofd is van het fotovoltaïsche onderzoeksprogramma bij UNSW en vroeger een professor was van de CEO en oprichter van Suntech, Zhengrong Shi. . Volgens Wenham bleef de technologie tientallen jaren een curiositeit in het laboratorium, totdat de onderzoekers van Suntech ontdekten hoe ze deze konden aanpassen aan een assemblagelijn. Ze bedachten een eenvoudige, goedkope manier om dat allemaal te vervangen terwijl ze dezelfde resultaten behaalden, zegt hij. De nieuwe technologie zou het vermogen van een zonnepaneel van standaardformaat kunnen verhogen van 205 watt naar 220 watt of meer - en de productiekosten van de cellen zijn lager dan die van conventionele.

Afzonderlijke onderdelen van de technologie waren snel succesvol. Suntech introduceerde deze in zijn standaard productielijnen, met het oog op een voorsprong op zijn concurrenten op het gebied van kosten en efficiëntie. Het opschalen van het volledige proces was echter een uitdaging. Een proefproductielijn was in 2009 operationeel, maar het bedrijf moest nieuwe apparatuur ontwikkelen en implementeren om de opbrengsten en productiesnelheden zo hoog te krijgen dat het proces economisch was. Hier bleek de positie van Suntech als marktleider met ervaring in het ontwikkelen van nieuwe productieapparatuur van cruciaal belang. Het bedrijf beschikte niet alleen over de expertise die nodig was om het proces te verbeteren; het had ook het geld om jarenlang aan de technologie te blijven werken zonder dat het aanzienlijke inkomsten opleverde.

Suntech is niet de enige Chinese fabrikant van zonne-energie die veelbelovende nieuwe technologie identificeert en manieren vindt om deze op grote schaal te produceren. Afgelopen september maakte Yingli Green Energy, gevestigd in Baoding, bekend dat een samenwerking met een Nederlands onderzoekscentrum, ECN, zonnepanelen heeft opgeleverd die 17,6 procent van de energie in zonlicht kunnen omzetten in elektriciteit; het gemiddelde is iets meer dan 14 procent. ECN heeft de technologie beschikbaar gesteld aan iedereen ter wereld die dat wilde, zegt Wenham. Toch is het alleen Yingli die die technologie heeft gebruikt en heeft bedacht hoe deze op grote schaal tegen lage kosten kan worden geproduceerd.

MATERIAAL VOORDEEL:

Zelfs nu Chinese fabrikanten van zonne-energie de focus verleggen van productie naar innovatie, kunnen er grenzen zijn aan wat ze kunnen doen met het door hen gekozen materiaal, kristallijn silicium. Dit materiaal is aantrekkelijk omdat de industrie ermee weet te werken, mede dankzij tientallen jaren onderzoek naar siliciummicrochips. Maar vergeleken met sommige andere halfgeleiders is het slecht in het absorberen van zonlicht. Van sommige alternatieven, zoals galliumarsenide, kunnen films van materiaal worden gemaakt die net zoveel elektriciteit kunnen opwekken als een typische siliciumcel, maar slechts een honderdste zo dik zijn, wat mogelijk de materiaalkosten verlaagt. Dergelijke dunne films kunnen ook flexibel zijn: ze kunnen worden opgerold, wat de verpakkings- en verzendkosten verlaagt, en ze kunnen worden ingebouwd in dakshingles om de installatiekosten te verlagen.

Maar ondanks hun potentiële voordelen, is het voor dunnefilmzonnecellen moeilijk geweest om te concurreren met de steeds lagere kosten en toenemende efficiëntie van kristallijn silicium. Eén bedrijf, First Solar uit Arizona, is erin geslaagd goedkope productietechnieken voor dunnefilmzonnepanelen te ontwikkelen, maar deze methoden gebruiken een materiaal - cadmiumtelluride - dat resulteert in panelen die minder efficiënt zijn dan die van silicium. Andere bedrijven hebben geprobeerd te concurreren met silicium door gebruik te maken van efficiëntere dunnefilmpanelen van koper-indium-galliumselenide. Sommigen van hen hebben echter faillissement moeten aanvragen en hun fabrieken moeten sluiten nadat ze er niet in waren geslaagd de productiekosten snel genoeg te verlagen.

Ondanks deze problemen gelooft Wenham dat dunnefilmtechnologie uiteindelijk conventionele zonnepanelen zal uitdagen. Als dat waar is, zullen Chinese makers van zonnecellen van kristallijn silicium de markt misschien niet voor altijd domineren. Maar de strategie om eerst conventionele technologie op te schalen en vervolgens innovatieve ontwerpen te introduceren om de kosten per watt aan zonne-energie te blijven verlagen, heeft hen in een goede positie gebracht om hun voorsprong jarenlang te behouden. Ondertussen werken sommigen, zoals Suntech, aan de productie van hun eigen dunnefilmpanelen. Als dunne films kristallijn silicium vervangen, kunnen het Chinese fabrikanten zijn die ze maken.

Kevin Bullis is Technologie beoordeling ’s Senior Editor voor Energie.

zich verstoppen