Kostnadsminskande tunnfilm solcellsvoltaisk teknik kan uppleva en renässans tack vare de senaste effektiviseringsförnyelserna från amerikanska tillverkaren First Solar. Foto med tillstånd av First Solar, Inc.
Inom en sprudlande enhällig kontorsbyggnad i Bedford, Mass., I ett hemligt rum som kallas Growth Hall, lagar solenergiens framtid mer än 2,500 ° F. Bakom stängda dörrar och nedåtvända persienner, skräddarsydda ugnar med ambitiösa namn som "Fearless" och "Intrepid" hjälper till att göra en ny teknik för att göra kiselplattor, arbetshästen för dagens solpaneler, perfekt. Om allt går bra kan den nya metoden minska kostnaderna för solenergi med mer än 20 procent under de närmaste åren.
"Den här ödmjuka skivan gör det möjligt för solen att vara lika billig som kol och kommer drastiskt att förändra hur vi konsumerar energi", säger Frank van Mierlo, VD för 1366 Technologies, företaget bakom den nya metoden för waferfabrikation.
Hemliga rum eller inte, det här är spännande tider i förnybar energi. Tack vare tekniska framsteg och uppsteg i produktionen under årtionden, kommer rasterparitet - den punkt på vilken källor för förnybar energi som sol och vind kostar detsamma som el som härrör från att bränna fossila bränslen - närmar sig snabbt. I vissa fall har det redan uppnåtts, och ytterligare innovationer som väntar i vingarna håller ett stort löfte om körkostnaderna ännu lägre och inleder en helt ny era för förnybara energikällor.
Solar Surprise
I januari 2015, Saudiarabiens företag ACWA Power överraskad branschanalytiker när det vann ett bud på att bygga en 200-megawatt solkraftverk i Dubai som kommer att kunna producera el för 6 cent per kilowatt-timme. Priset var mindre än kostnaden för el från naturgas eller kolkraftverk, en första för en solinstallation. El från nya naturgas- och kolanläggningar skulle kosta en beräknad 6.4 cent och 9.6 cent per kilowatt-timme, enligt US Energy Information Agency.
Tekniska framsteg, inklusive fotovoltaics som kan omvandla högre procentandelar av solljus till energi, har gjort solpaneler effektivare. Samtidigt har stordriftsfördelar dämpat sina kostnader.
För mycket av de tidiga 2000, svängde priset på en solpanel eller modul runt $ 4 per watt. Vid den tidpunkten beräknade Martin Green, en av världens ledande fotovoltaiska forskare, kostnaden för varje komponent, inklusive de polykristallina kiselbitar som användes vid tillverkning av kiselplattor, skyddsglaset på utsidan av modulen och det silver som användes i modulens ledningar . Grön berömde förklarat att så länge vi litar på kristallin kisel för solkraft, skulle priset troligen aldrig falla under $ 1 / watt.
"Det finns en tiondel procent av en effektivitetsvinst här och kostnadsminskningar där som har lagt upp för att göra solen mycket konkurrenskraftig." - Mark Barineau Framtiden, Green och nästan alla andra på fältet trodde var med tunna filmer, solmoduler som förlitade sig på andra material än kisel som krävde en bråkdel av råvarorna.
Sedan, från 2007 till 2014, priset på kristallina kiselmoduler sjönk från $ 4 per watt till $ 0.50 per watt, men slutar utvecklingen av tunnfilmer.
Den dramatiska kostnadsminskningen kom från ett stort antal stegvisa vinster, säger Mark Barineau, en solanalytiker med Lux Research. Faktorer inkluderar en ny, billig process för att göra polykristallint kisel; tunnare kiselplattor; tunnare trådar på framsidan av modulen som blockerar mindre solljus och använder mindre silver; mindre dyr plast istället för glas; och större automatisering inom tillverkningen.
"Det finns en tiondel av procent av en effektivitetsvinst här och kostnadsreduktioner där som har lagt upp för att göra solenergin mycket konkurrenskraftig", säger Barineau.
25 cent per watt
"Att komma under $ 1 [per watt] har överskridit mina förväntningar", säger Green. "Men nu tror jag det kan bli ännu lägre."
En sannolik kandidat för att få det finns 1366s nya metod för waferframställning. Kiselplattorna bakom dagens solpaneler skärs av stora gängar polykristallint kisel. Processen är extremt ineffektiv, så mycket som hälften av den ursprungliga götet i sågspån. 1366 tar ett annat tillvägagångssätt, smältning av kisel i speciellt byggda ugnar och omformning av det i tunna skivor för mindre än hälften av kostnaden per skiva eller en minskning av 20-procenten i den totala kostnaden för en kristallin kiselmodul. 1366 hoppas kunna börja massproduktion i 2016, enligt Van Mierlo.
Under tiden kunde tunna filmer, som en gång trodde vara framtida solkraft, krossas av lågkostnadskristallin kisel, uppleva en renässans. Det senaste rekordinställda lågprisbudet för solenergi i Dubai utnyttjar tunna filmkadmium-tellurid-solceller från tillverkaren i USA. First Solar. Företaget hängde inte bara på eftersom de allra flesta tunna filmproducenterna föll, men har konsekvent producerat några av de billigaste modulerna genom att öka effektiviteten hos sina solceller samtidigt som produktionen uppskalades. Företaget säger nu att det kan tillverka solmoduler för mindre än 40 cent per watt och förutser ytterligare prisnedsättningar under kommande år.
Tio år från nu kunde vi enkelt se kostnaden för solmoduler som sjunker till 25 cent per watt, eller ungefär hälften av sina nuvarande kostnader, säger Green. För att sänka kostnaderna bortom det, kommer omvandlingseffektiviteten av solljus till el måste öka väsentligt. För att komma dit måste andra halvledande material staplas ovanpå befintliga solceller för att omvandla ett bredare spektrum av solljus till el.
"Om du kan stapla något ovanpå en kiselplatta blir det ganska oslagbart, säger Green.
Gröna och kollegor ställde in en rekord för kristallin kisel solmodul effektivitet vid 22.9 procent i 1996 som fortfarande rymmer idag. Grön tvivel effektiviteten av kristallin kisel ensam kommer någonsin att bli mycket högre. Med cellstackning säger han dock att "himlen är gränsen".
En fråga om storlek
Medan solenergi bara börjar nå gridparitet, är vindenergi redan där. I 2014 var det genomsnittliga globala priset på vindkraft på land detsamma som el från naturgas, enligt Bloomberg New Energy Finance.
Liksom med solenergi går krediten till tekniska framsteg och volymökningar. För vind har innovationen dock huvudsakligen varit en fråga om storlek. Från 1981 till 2015 har den genomsnittliga längden på ett vindturbinrotorblad ökat mer än sexfaldigt, från 9 meter till 60 meter, som kostnaden för vindkraft har föll med en faktor 10.
"Att öka rotorstorleken innebär att du tar mer energi, och det är den enskilt största importföraren för att minska kostnaden för vindkraft", säger D. Todd Griffith of Sandia National Laboratories i Albuquerque, New Mexico.
Griffith övervakade nyligen konstruktionen och testningen av flera 100-meter-långa prototypblad på Sandia. När projektet startade i 2009 var de största knivarna i kommersiell drift 60 meter långa. Griffith och hans kollegor ville se hur långt de kunde driva utvecklingen av ständigt ökande blad innan de sprang in i design och materialbegränsningar.
"Jag förväntar mig fullt ut att se 100-mätblad och därutöver." - D. Todd Griffith.Den första prototypen var ett glasfiberblad som använde liknande mönster och material som de som hittades i relativt mindre kommersiella blad på den tiden. Resultatet var ett oväsentligt tungt 126-tonblad som var så tunt och länge det var känsligt för vibrationer i stark vind och tyngdkraftsbelastning.
Gruppen gjorde två efterföljande prototyper som använde starkare, lättare kolfiber och en bladform som var platta i stället för skarpa kanter. Det resulterande 100-mätbladet var 60-procent ljusare än sin ursprungliga prototyp
Sedan projektet började i 2009 har de största blad som används i kommersiella offshore-vindkraftverk ökat från 60-mätare till ungefär 80-mätare med större kommersiella prototyper som nu utvecklas. "Jag förväntar mig fullt ut att se 100-mätblad och bortom det," säger Griffith.
När bladen växer längre blir tornen som höjer dem högre för att fånga mer konsekvent, högre hastighet. Och som torn växer längre blir transportkostnaderna allt dyrare. Att motverka de ökade kostnaderna GE nyligen debuterade ett "rymdram" -torn, ett stålgittertorn inslaget i tyg. De nya tornen använder ungefär 30-procent mindre stål än konventionella rörtorn i samma höjd och kan levereras helt i standardförpackningsbehållare för montering på plats. Företaget mottog nyligen ett bidrag från $ 3.7 miljoner från US Department of Energy för att utveckla liknande rymdramblad.
Offshore-innovation
Liksom kristallina kisel solpaneler kommer befintlig vindteknologi så småningom att gå upp mot materialgränser. En annan innovation i horisonten för vind är snarare relaterad till plats. Vindkraftparkerna flyttar offshore i strävan efter större vindkraft och mindre markanvändningskonflikt. Ju längre offshore de går desto djupare vattnet, vilket gör den nuvarande metoden att fixera turbiner till havsbotten för dyrt. Om branschen flyttar i stället till flytande stödstrukturer, kommer dagens toppmåla vindturbinteknik sannolikt att bli alltför otrygg.
En potentiell lösning är en vertikal axelsturbin, en där huvudrotorns axel sätts vertikalt, som en glatt gå runt, snarare än horisontellt som en vanlig vindkraftverk. Generatorn för en sådan turbin kan placeras på havsnivå, vilket ger enheten en mycket lägre tyngdpunkt.
"Det finns en mycket bra chans att någon annan typ av turbonteknik, mycket väl vertikal axel, kommer att vara den mest kostnadseffektiva i djupt vatten", säger Griffith.
Det senaste årtiondet har resulterat i anmärkningsvärda innovationer inom sol- och vindteknik, vilket ger förbättrad effektivitet och kostnad som i vissa fall har överskridit de mest optimistiska förväntningarna. Vad det kommande årtiondet kommer att medföra är oklart, men om historien är någon guide, ser framtiden för förnybara energikällor ut väldigt positiva. 
Denna artikel publicerades ursprungligen på Ensia
Om författaren
Phil McKenna är en frilansskribent intresserad av konvergensen av fascinerande individer och spännande idéer. Han skriver i första hand om energi och miljö med fokus på individerna bakom nyheterna. Hans arbete förekommer i Du har nu möjlighet New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER och NOVA, där han är en bidragande redaktör.
