De grote sprong voorwaarts van Solar

Om de toekomst van zonne-energie te zien, maak je een treinrit van een uur landinwaarts vanuit Shanghai en maak je vervolgens een fluitende taxirit door de smog van Wuxi, een snelgroeiende Chinese stad met vijf miljoen inwoners. Nadat u door een industrieterrein bent gelopen, komt u bij de voordeur van Suntech Power, een bedrijf dat in de paar jaar sinds de oprichting 's werelds grootste maker van kristallijn-silicium zonnepanelen is geworden.

Zonnepanelen bedekken de hele voorkant van het uitgestrekte hoofdkantoor van acht verdiepingen. Bijna 2.600 panelen van twee meter lang vormen de grootste op het elektriciteitsnet aangesloten zonnefaçade ter wereld. Samen met een reeks van 1.800 kleinere panelen op het dak kan het op een zonnige dag een megawatt aan stroom opwekken. Naar verwachting zal het in een jaar meer dan een miljoen kilowattuur elektriciteit produceren - genoeg voor meer dan 300 mensen in China.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2010

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

In 2001, toen Suntech werd opgericht, zouden alle zonnepaneelfabrieken in China die op volle capaciteit draaien zes maanden nodig hebben gehad om voldoende panelen te bouwen voor zo'n enorme reeks. De eerste fabriek van Suntech, die in 2002 werd geopend, bracht die tijd terug tot iets meer dan een maand. Tegenwoordig kan het bedrijf zoveel panelen maken in minder dan een dienst van 12 uur. Tegen het einde van dit jaar zouden de werkers rond lunchtijd klaar kunnen zijn. De productiecapaciteit van Suntech is gestegen van 10 megawatt per jaar in 2002 tot ruim 1.000 megawatt nu. De Chinese productie van zonne-energie als geheel heeft zijn capaciteit vergroot van twee megawatt in 2001 tot meer dan 4.000 megawatt.

Die snelle groei, aangewakkerd door meedogenloze kostenbesparingen, heeft Chinese fabrikanten in staat gesteld om die in de Verenigde Staten, Japan en Duitsland in minder dan een decennium in te halen om de grootste leverancier van zonnepanelen ter wereld te worden. Wereldwijd waren Chinese zonnepanelen goed voor ongeveer de helft van de totale verzendingen in 2009. En dat aandeel zal dit jaar naar verwachting groeien. Van de 10 grootste fabrikanten van zonnepanelen is de helft gevestigd in China. In 2007 leverden Amerikaanse fabrikanten 43 procent van de panelen voor een zonnekortingprogramma in Californië. De rest kwam bijna uitsluitend uit Japan en Duitsland; slechts 2 procent kwam uit China. Nu leveren Chinese bedrijven 42 procent van de panelen, en het Amerikaanse aandeel is gedaald tot 15 procent volgens een analyse door Nathaniel Bullard van Bloomberg New Energy Finance.

In 2004 kostte het gemiddeld ongeveer $ 3,20 per watt om siliciumzonnepanelen te maken. Volgens analisten van de zonne-industrie van Photon Consulting in Boston kan een Chinese fabrikant ze inmiddels maken voor slechts $ 1,28 per watt, terwijl de goedkoopste westerse fabrikant vergelijkbare technologie zal produceren voor ongeveer $ 2,00 per watt. Dit kostenvoordeel heeft Chinese fabrikanten niet alleen dominant gemaakt in de industrie, maar het heeft ook bijgedragen aan het herdefiniëren van de vooruitzichten voor zonne-energie, waardoor het dichter bij wat insiders netpariteit noemen - het punt waarop het net zo goedkoop is als elektriciteit op het elektriciteitsnet, waarvan het grootste deel wordt opgewekt met fossiele brandstoffen. Over ongeveer vijf jaar zouden we in minstens 30 tot 50 procent van de wereldmarkt in staat moeten zijn om grid parity te bereiken, zegt Zhengrong Shi, de oprichter en CEO van Suntech, sprekend vanuit zijn ruime kantoor dat uitkijkt over de achterkant van de enorme zonne gevel.

Gezicht van zonne: Een enorme façade van fotovoltaïsche panelen begroet bezoekers op het Suntech-hoofdkantoor in Wuxi, China.

De strategie van Suntech tot nu toe was om de kosten per watt te verlagen door de productiekosten van zonnepanelen te verlagen. Maar om netpariteit te bereiken, moet ook de efficiëntie van de panelen worden verhoogd, zodat ze allemaal meer watt produceren. Onder leiding van Shi, die zonne-onderzoeker was voordat hij zakenman werd, heeft het bedrijf een nieuwe manier ontwikkeld om zonnepanelen te maken; multikristallijne modules die vorig jaar werden gemaakt, braken een 15 jaar oud record voor efficiëntie bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit. Een paar maanden later verhoogde Suntech de efficiëntie opnieuw. En het laboratorium van het bedrijf heeft prototypes die nog betere resultaten beloven. Als deze vooruitgang uitkomt, kan dit eindelijk de weg vrijmaken voor Shi's droom van betaalbare zonne-energie.

Rijkdom en vodden

In veel opzichten weerspiegelt Shi de complexiteit van het hedendaagse China. Hoewel hij werd geboren en opgegroeid op minder dan 100 kilometer van zijn fabrieken in Wuxi, begon hij zijn carrière in Australië, waar hij tien jaar woonde en burger werd voordat hij in 2000 terugkeerde naar China om te profiteren van de economische bloei van het land. Ik moet een visum krijgen om in China te mogen werken, zegt Shi lachend met een vleugje Australisch accent. Ondanks zijn rijkdom en leidinggevende functie, heeft hij de nonchalante maar zelfverzekerde uitstraling van een onderzoeker, gekleed in een eenvoudige sportjas en een gestreept overhemd met open kraag. Maar zijn ontspannen uiterlijk en gemakkelijke Australische maniertjes logenstraffen zijn ambitie en zijn nauwe banden met zijn geboorteland. Verschillende exemplaren van tijdschriftomslagen met hem als de Zonnekoning ( Forbes Azië ) en China's nieuwe koning van zonne-energie ( Fortuin ) zijn zorgvuldig gerangschikt rond zijn ruime kantoor, te midden van citaten van nationale academies en andere onderscheidingen. Het begroeten van bezoekers in de hal is een enorme versie van de Ch'an Chu, het Chinese symbool van welvaart - een stenen pad die een munt ter grootte van een bord in zijn mond grijpt.

De figuur, die ook een symbool van geluk is, is toepasselijk. In 2005, toen de olieprijzen volatiel waren en veel landen, vooral in Europa, aandrongen op vermindering van de uitstoot van kooldioxide, bracht Shi Suntech naar de beurs van New York. In 2006 werd hij de op zeven na rijkste man van China, met een vermogen van meer dan 1,4 miljard dollar Forbes . Maar de man die Suntech mogelijk maakte, kwam bijna niet in zonne-energie.

Shi's ouders, boeren op het platteland die berooid waren achtergelaten door hongersnoden die China in het begin van de jaren zestig teisterden, werden gedwongen om hem als klein kind af te staan ​​voor adoptie aan een goede vriend van de familie. Hij blonk uit op school en behaalde uiteindelijk een bachelor in optische wetenschappen en een master in laserfysica. Shi solliciteerde om in het buitenland te studeren, zoals veel getalenteerde studenten eind jaren tachtig in China deden. Hij werd goedgekeurd - niet voor studies in de Verenigde Staten, zoals hij had verwacht, maar in Australië. Omdat hij weinig over het land wist, vertrouwde hij op een suggestie van een van zijn collega's om Martin Green te ontmoeten, de directeur van het Photovoltaics Centre of Excellence aan de Universiteit van New South Wales, die beroemd was vanwege het uitvinden van een benadering van siliciumzonnecellen die recordrendementen behaald. Hij solliciteerde naar een betaalde onderzoeksfunctie, maar Green wees me meteen af, herinnert Shi zich. In plaats daarvan haalde Green hem over om te gaan studeren voor een doctoraat. Hij voltooide de opleiding in slechts twee en een half jaar, en in 1995 begon hij te werken bij Pacific Solar, een startup die voortkwam uit het laboratorium van Green en een nieuw type dunnefilmzonnecel op de markt bracht.

In 2000 was Shi uitvoerend directeur van de startup, maar het nieuws over de groei van de zonne-energie-industrie in Europa en Japan maakte hem ongeduldig. Ik zag de mogelijkheid van zonne-booming, zegt hij. Ondertussen duurde het te lang voordat de technologie van Pacific Solar op de markt kwam. Thin-film was toen nog niet helemaal klaar, zegt Shi. Hij zag ook een kans in China, waar de kosten laag waren en niemand de technologie en de industrie echt begreep. Na 10 jaar in het buitenland keerde hij terug naar China en presenteerde hij een businessplan aan politici die verantwoordelijk waren voor het Wuxi New District, een hightech industriepark op ongeveer een uur rijden van waar hij was opgegroeid. Zijn plan was om conventionele siliciumzonnepanelen te maken en dat goedkoop te doen. Overheidsfunctionarissen wezen hem af en suggereerden dat zelfs zijn conservatieve benadering een stap te vroeg was, herinnert hij zich. Hoewel durfkapitalisten en grote bedrijven die joint ventures aanbieden nu gebruikelijk zijn in China, waren ze destijds zeldzaam. Dus bracht Shi de volgende 10 maanden door met het leggen van contacten en het hof maken van politici, terwijl hij, zijn vrouw en hun twee jonge kinderen van zijn spaargeld leefden. De echte uitdaging was om lokale overheidsfunctionarissen ervan te overtuigen dat ik kon slagen in de zonne-energiesector en niet alleen in het zonnelaboratorium, zegt hij. Uiteindelijk boden ze hem $ 6 miljoen aan, ingezameld bij lokale staatsbedrijven, om Suntech op te richten.

De oprichter en CEO van Suntech, Zhengrong Shi, poseert op een terras buiten zijn kantoor, met de façade op de achtergrond.

Shi lette op elke mogelijkheid om kosten te besparen. Hij kocht gebruikte apparatuur. Hij hielp een Japans bedrijf met het ontwerpen van een nieuwe machine in ruil voor korting. En waar hij kon, vond hij manieren om machines te vervangen door goedkopere arbeidskrachten.

De productiemethoden die Shi gebruikte om het bedrijf van de grond te krijgen, zijn nog steeds te zien in de fabriek, die toegankelijk is via deuren aan de achterkant van het hoofdkantoor. Werknemers, in plaats van de dure robots die worden gebruikt in zonne-energiefabrieken in Japan en het Westen, verplaatsen eierschaaldunne siliciumwafels één voor één naar rekken die bestand zijn tegen brandende ovens waar temperaturen oplopen tot 1000 °C. De bewerking kan worden geautomatiseerd, maar menselijke arbeid kost minder en kan het aantal breuken verminderen. Machines worden gebruikt waar ze het waard zijn: op een ander station test men het vermogen van afgewerkte cellen met een lichtflits voordat robotarmen ze op basis van prestaties in bakken plaatsen. Een menselijke bemanning sorteert die cellen verder en identificeert fijne gradaties in de diepblauwe kleur. (Al deze sortering wordt gedaan om de consistentie van de cellen die in een paneel gaan te verzekeren.) In een ander gebouw lassen arbeiders zonnecellen aan elkaar in stroken, en lijn ze vervolgens met het oog uit op een lichtbak om de rijen en kolommen cellen te vormen die een compleet zonnepaneel vormen. Om de panelen af ​​te werken, lijmen paar arbeiders de frames met de hand aan elkaar en maken ze schoon met een doek.

Op aanvraag

Toen Shi Suntech in 2001 startte, had zijn timing niet beter kunnen zijn. De productie van zonne-energie in China bestond bijna niet, dus hij had weinig binnenlandse concurrentie. Tegelijkertijd begon de markt wereldwijd te groeien. Prijsprikkels voor zonne-energie die het Duitse parlement in 2000 goedkeurde, gingen net van kracht (zie Het Duitse Experiment) ; nadat die subsidies in 2004 werden verhoogd, werd Duitsland 's werelds grootste markt voor zonnepanelen en de grootste bron van inkomsten voor Suntech.

Terwijl andere regeringen hun eigen prikkels introduceerden voor het installeren van hernieuwbare energiebronnen, steeg de vraag en begonnen bouwers een gok te wagen op de goedkope zonnepanelen die uit China komen. In 2005 en 2006 kon ik geen zonnepanelen krijgen, zegt Barry Cinnamon, CEO van Akeena Solar, een zonne-installateur en een van de eerste klanten van Suntech in Californië. De vraag was veel groter dan het aanbod. Elk bedrijf, waar ook ter wereld, dat een stuk glas kon maken met draden eraan dat elektriciteit opwekte als de zon erop viel, kon er zoveel verkopen als ze wilden. Suntech kon niet alleen aan zijn vraag voldoen, maar was ook bereid om aan de verzoeken van Akeena te voldoen. Het interessante aan Suntech was dat ze bereid waren om een ​​speciaal ontworpen zonnepaneel voor ons te bouwen, zegt hij. Niemand anders zou het doen.

In de jaren nadat Shi Suntech oprichtte, verdubbelde het totale aantal watt geproduceerd door de zonne-industrie ongeveer elke twee jaar. Suntech bleef voorop lopen en verdubbelde zijn eigen productie gemiddeld elk jaar tot 2009, toen de recessie de zaken vertraagde. Dit jaar zal de productie waarschijnlijk opnieuw met 100 procent groeien; het bedrijf zal 12.000 werknemers in dienst hebben. De regering heeft Suntech onlangs in aanmerking laten komen voor $ 7,3 miljard aan leningen via de Chinese Ontwikkelingsbank om nog meer expansie te financieren.

China's vooruitgang
Bron: Photon Consulting
*Voor de goedkoopste fabrikanten in elk land

Ondertussen zijn er honderden andere zonne-energiebedrijven opgericht in China, en verschillende zijn wereldwijd belangrijke leveranciers geworden. Yingli Green Energy, gevestigd in de buurt van Peking, heeft een nog groter aandeel op de Californische markt dan Suntech, hoewel het in het algemeen minder panelen produceert. Het heeft ook nog lagere kosten. Anderen, zoals JA Solar, Trina Solar en China Sunergy, krijgen wereldwijd snel naamsbekendheid. Een groot deel van de industrie is terug te voeren op Green en zijn laboratorium in New South Wales; oud-studenten van hem zijn belangrijke leiders in bedrijven die samen 60 procent van de zonnepanelen produceren die in China worden gemaakt. Maar als Green een groot deel van de technische training heeft gegeven, geeft hij Shi de verdienste van de zakelijke kennis om de bloeiende industrie van het land te helpen creëren. Oud-studenten hebben een grote impact gehad in China, zegt hij. Maar, voegt hij eraan toe, ik zou Zhengrong Shi alle eer willen geven voor het uitstippelen van het pad dat de anderen hebben gevolgd.

Groene trucs

Toen hij Suntech oprichtte, wist Shi dat het mogelijk was om zonnecellen te maken die bijna twee keer zo krachtig waren als de cellen die van de band rolden in zijn eerste fabriek. Green maakte ze al jaren in zijn lab. Als je de elektronische eigenschappen van de allerbeste siliciumwafels in precieze patronen verandert en vervolgens extreem fijne elektrische contacten op hun voor- en achterkant traceert om elektronische stroom te extraheren, vangen de resulterende cellen veel meer van die stroom op dan conventionele cellen. Het enige probleem is dat de methoden van Green afhankelijk zijn van geavanceerde en dure verwerkingstechnologie die is geleend van de halfgeleiderindustrie. De cellen kosten ongeveer 100 keer zoveel om te maken als conventionele zonnecellen zoals de zonnecellen die Suntech tot nu toe heeft geproduceerd.

De Universiteit van New South Wales had 20 jaar lang tevergeefs geprobeerd de technologie te commercialiseren, maar Shi was vastbesloten om een ​​manier te vinden. De sleutel was om goedkope methoden te identificeren om dezelfde effecten te bereiken met gemakkelijk verkrijgbaar silicium van commerciële kwaliteit. Verwijzend naar zijn 45 patenten en 65 lopende patenten, beweert Suntech dat het nu is gelukt, maar over de details doet het geheim. Slechts drie medewerkers hebben het hele proces van het maken van de nieuwe producten gezien. We weten dat iedereen die de hele lijn heeft gezien, zeer, zeer enthousiast zal worden aangevallen door andere bedrijven, zegt Stuart Wenham, Chief Technology Officer van Suntech. Wenham, een collega van Green's in New South Wales en van Shi's bij Pacific Solar, werd in 2005 bij Suntech gehaald om de geavanceerde cellen te produceren. Dr. Shi was zo vastbesloten om dit alles vertrouwelijk te houden dat hij zijn eigen apparatuurbedrijf kocht om de apparatuur voor deze technologie te maken, zegt hij.

Het proces omvat het vervangen van een belangrijke stap bij het maken van conventionele zonnecellen: zeefdruk. Om elektrische stroom uit een cel te halen, drukken fabrikanten lijnen van zilverpasta op het vooroppervlak. Hoe dichter deze elektronen-

ongedefinieerd

China's vooruitgang
Bron: Photon Consulting
*Voor de goedkoopste fabrikanten in elk land

geleidende lijnen zijn, hoe efficiënter ze de lading van het silicium zullen verzamelen. Als echter te veel van het celoppervlak wordt overschaduwd door de lijnen, kan de cel niet genoeg licht absorberen. Hoe dunner de lijnen zijn, hoe dichterbij ze kunnen komen zonder dit probleem te veroorzaken, maar het drukproces kan ze niet dunner maken dan ongeveer 120 micrometer.

De Suntech-onderzoekers ontwikkelden een manier om de siliciumwafel in smalle banden chemisch te behandelen. Deze behandelde gebieden trekken zilver aan, dat metalen lijnen vormt van slechts 20 micrometer breed. Het proces resulteert niet alleen in dunnere lijnen, maar maakt het ook mogelijk om materiaalkosten te besparen door gebruik te maken van wafels van silicium die zo dun zijn dat zeefdrukapparatuur ze zou kunnen breken terwijl het de lijnen op hun oppervlak stempelde. Het vervangt ook een behandeling die wordt gebruikt in de conventionele productie die de efficiëntie van de cellen vermindert door het oppervlak van het silicium te beschadigen. De beste modules die met de nieuwe technologie zijn gemaakt, zetten ongeveer 18 procent van de energie in licht om in elektriciteit, in tegenstelling tot 13 procent voor de originele zonnepanelen van het bedrijf. Volgend jaar is Suntech van plan een nieuwere versie van de technologie uit te rollen, wat volgens voorlopige tests de efficiëntie met nog eens één of twee procentpunten zal verbeteren. De verbetering lijkt misschien bescheiden, maar een verhoogde efficiëntie heeft een grote impact op de kosten van de resulterende elektriciteit. Als vuistregel kan een procentuele verbetering van de efficiëntie de kosten met meer dan 6 procent verlagen.

Suntech financiert ook samenwerkingen met universiteiten, waaronder New South Wales en de Swinburne University of Technology in Melbourne, om zonnecellen te ontwikkelen die een fundamentele beperking van de huidige fotovoltaïsche energie omzeilen: ze kunnen niet alle golflengten in zonlicht absorberen, en ze kunnen niet zet alle energie in veel van die golflengten om in elektronische lading. Een belangrijke investering is in plasmonica, waarbij gebruik wordt gemaakt van het feit dat metaaldeeltjes die op het celoppervlak zijn afgezet, lichtenergie kunnen geleiden zodat het heen en weer in de cel stuitert in plaats van weer naar buiten te worden gereflecteerd. Door dit effect te benutten, kunnen onderzoekers de hoeveelheid actief halfgeleidermateriaal in een zonnecel met orden van grootte verminderen, of zelfs cellen maken van materialen die veel goedkoper zijn dan gezuiverd, kristallijn silicium (zie Fotovoltaïsche zonne-energie, mei/juni 2010). Die concepten zullen de komende 10 tot 20 jaar waarschijnlijk niet hun weg vinden naar commerciële producten, zegt Wenham. Maar dat zullen ze uiteindelijk wel.

Op het randje

Ondanks de snelle groei van Suntech en de wereldwijde zonne-energie-industrie, draagt ​​zonne-energie nog steeds een verwaarloosbaar klein deel van de totale jaarlijkse geproduceerde elektriciteit bij. In de Verenigde Staten is dat iets meer dan 0,1 procent. Het is een afrondingsfout, zegt Nathaniel Bullard, analist bij Bloomberg New Energy Finance.

Het is moeilijk om de koers van de nog piepkleine industrie te projecteren. Om te beginnen zijn alle voorspellingen over wanneer zonne-energie netpariteit kan bereiken vol onzekerheden, zegt Bullard. Om maar één voorbeeld te noemen: bedenk dat vandaag de dag de zonnepanelen zelf minder dan de helft van de totale kosten van de technologie uitmaken. De kosten van installatie, extra apparatuur zoals omvormers, verkoop en marketing door installateurs en, cruciaal, financiering zullen ook omlaag moeten. Wat meer is, als het gaat om netpariteit, is de prijs die fotovoltaïsche fabrikanten rekenen voor hun producten eigenlijk belangrijker dan het geld dat het kost om ze te maken - en dat zal van de markt afhangen. Als de vraag naar fotovoltaïsche zonne-energie hoog blijft, deels omdat overheidsstimulansen in Duitsland en elders deze ondersteunen, dan kunnen zonnepanelen duur genoeg blijven om de prijs van zonne-energie ruim boven die van elektriciteit van het net te houden.

Het is ook nog niet duidelijk welke technologie het meest geschikt is voor wijdverbreid gebruik van zonne-energie. Over tien jaar zijn de zonnepanelen die de meeste mensen kopen misschien niet eens gemaakt van silicium. Overstappen zou moeilijk zijn voor Suntech. Hoewel het de expertise heeft om van richting te veranderen, zijn de lage productiekosten afhankelijk van investeringen in apparatuur en overeenkomsten met siliciumleveranciers. Ondertussen hebben rivaliserende bedrijven een voorsprong op de technologieën die andere materialen gebruiken. First Solar, gevestigd in Tempe, AZ, maakt dunnefilmzonnecellen van cadmium en tellurium voor nog minder per watt dan de Chinese bedrijven die siliciumcellen maken. Toegegeven, de technologie van First Solar zet slechts ongeveer 11 procent van het zonlicht om in elektriciteit; dat relatief lage rendement vertaalt zich in hogere installatiekosten en beperkt de toepassingen waarvoor het goed is. Toch neemt dunne-film zonne-energie een steeds groter aandeel van de totale markt in, van 3 procent in 2003 tot meer dan 15 procent vandaag.

Maar ondanks al deze onzekerheid blijft Shi ervan overtuigd dat zonne-energie op basis van silicium op het punt staat concurrerend te worden zonder overheidssubsidies. Het idee dat zonne-energie moet wachten op een doorbraak om netpariteit te bereiken, is onzin, zegt hij. Hij voegt eraan toe: we hebben het niet over raketwetenschap. We hebben het over basistechniek.

Kevin Bullis is Technologie beoordeling ’s energie-editor.

zich verstoppen