Większość paneli słonecznych pokrywających dachy, pola i pustynie świata ma dziś ten sam składnik: krystaliczny krzem. Materiał, wykonany z surowego polisilikonu, jest formowany w wafle i podłączany do ogniw słonecznych, urządzeń, które zamieniają światło słoneczne na energię elektryczną. Ostatnio zależność branży od tej wyjątkowej technologii stała się czymś w rodzaju obciążenia. Wąskie gardła w łańcuchu dostawzwalniająnowe instalacje solarne na całym świecie. Główni dostawcy polikrzemu w chińskim regionie Xinjiang —oskarżony o wykorzystywanie Ujgurów do pracy przymusowej— są objęte sankcjami handlowymi USA.
Na szczęście krystaliczny krzem nie jest jedynym materiałem, który może pomóc wykorzystać energię słoneczną. W Stanach Zjednoczonych naukowcy i producenci pracują nad rozszerzeniem produkcji technologii solarnej tellurku kadmu. Tellurek kadmu to rodzaj ogniwa słonecznego „cienkiej warstwy” i, jak sama nazwa wskazuje, jest znacznie cieńszy niż tradycyjne ogniwo krzemowe. Obecnie panele wykorzystujące tellurek kadmudostarczają około 40 procentrynku użyteczności publicznej w USA i około 5 procent globalnego rynku energii słonecznej. I mogą skorzystać z przeciwności, z którymi mierzy się szerszy przemysł energii słonecznej.
„To bardzo niestabilny czas, szczególnie dla łańcucha dostaw krzemu krystalicznego w ogóle” — powiedziała Kelsey Goss, analityk badań nad energią słoneczną w grupie konsultingowej Wood Mackenzie. „Istnieje duży potencjał dla producentów tellurku kadmu, aby zdobyć większy udział w rynku w nadchodzącym roku”. Zwłaszcza, jak zauważyła, ponieważ sektor tellurku kadmu już się rozwija.
W czerwcu producent paneli słonecznych First Solar poinformował, żezainwestować 680 milionów dolaróww trzeciej fabryce ogniw słonecznych z tellurku kadmu w północno-zachodnim Ohio. Po ukończeniu budowy w 2025 r. firma będzie w stanie wyprodukować w tym rejonie panele słoneczne o mocy 6 gigawatów. To wystarczy, aby zasilić około 1 miliona amerykańskich domów. Inna firma solarna z siedzibą w Ohio, Toledo Solar, niedawno weszła na rynek i produkuje panele z tellurku kadmu na dachy domów mieszkalnych. A w czerwcu Departament Energii USA i jego Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej, czyli NREL,uruchomiono program o wartości 20 milionów dolarówprzyspieszyć badania i rozwinąć łańcuch dostaw tellurku kadmu. Jednym z celów programu jest pomoc w odizolowaniu rynku energii słonecznej w USA od globalnych ograniczeń dostaw.
Naukowcy z NREL i First Solar, wcześniej znanej jako Solar Cell Inc., współpracują od początku lat 90. XX wieku w celu opracowaniatechnologia tellurku kadmu. Kadm i tellurek są produktami ubocznymi wytopu rud cynku i rafinacji miedzi. Podczas gdy wafle krzemowe są łączone ze sobą, aby tworzyć ogniwa, kadm i tellurek są nakładane jako cienka warstwa — około jednej dziesiątej średnicy ludzkiego włosa — na taflę szkła, wraz z innymi materiałami przewodzącymi prąd elektryczny. First Solar, obecnie największy na świecie producent cienkich warstw, dostarczył panele do instalacji solarnych w 45 krajach.
Technologia ta ma pewne zalety w porównaniu z krystalicznym krzemem, powiedziała Lorelle Mansfield, naukowiec z NREL. Na przykład proces cienkowarstwowy wymaga mniej materiałów niż podejście oparte na waflach. Technologia cienkowarstwowa jest również dobrze przystosowana do stosowania w elastycznych panelach, takich jak te, które pokrywają plecaki lub drony, lub są zintegrowane z fasadami budynków i oknami. Co ważne, panele cienkowarstwowe lepiej sprawdzają się w wysokich temperaturach, podczas gdy panele krzemowe mogą się przegrzewać i stać się mniej wydajne w generowaniu energii elektrycznej, powiedziała.
Ale krzem krystaliczny ma przewagę w innych obszarach, takich jak średnia wydajność — oznaczająca procent światła słonecznego, który panele pochłaniają i zamieniają na energię elektryczną. Historycznie panele krzemowe miały wyższą wydajność niż technologia tellurku kadmu, choć różnica ta się zmniejsza. Dzisiejsze panele krzemowe produkowane przemysłowo mogą osiągać wydajność18 do 22 procent, podczas gdy First Solar podaje, że średnia wydajność jego najnowszych paneli komercyjnych wynosi 18 procent.
Jednak główny powód, dla którego krzem zdominował rynek globalny, jest stosunkowo prosty. „Wszystko sprowadza się do kosztów” — powiedział Goss. „Rynek energii słonecznej ma tendencję do bycia w dużym stopniu napędzanym przez najtańszą technologię”.
Krystaliczny krzem kosztuje około 0,24–0,25 USD za każdy wat energii słonecznej, co jest mniej niż w przypadku innych konkurentów, powiedziała. First Solar stwierdziło, że nie podaje już kosztów na wat produkcji paneli tellurku kadmu, ale że koszty „znacznie spadły” od 2015 r. — kiedy firmazgłoszone koszty wynoszą 0,46 USD za wat— i nadal spadają każdego roku. Istnieje kilka powodów względnej taniości krzemu. Surowiec polikrzem, który jest również używany w komputerach i smartfonach, jest szerzej dostępny i tańszy niż dostawy kadmu i tellurku. Wraz ze wzrostem liczby fabryk paneli krzemowych i powiązanych komponentów, ogólne koszty produkcji i instalacji technologii spadły. Chiński rząd również znaczniewspierane i dotowanesektor krzemowej energii słonecznej w kraju — tak bardzo, żeokoło 80 procentświatowego łańcucha dostaw w branży fotowoltaicznej przebiega obecnie przez Chiny.
Spadające koszty paneli napędzają globalny boom solarny. W ciągu ostatniej dekady całkowita zainstalowana moc słoneczna na świecie wzrosła prawie dziesięciokrotnie, z około 74 000 megawatów w 2011 r. do prawie 714 000 megawatów w 2020 r.,wedługMiędzynarodowa Agencja Energii Odnawialnej. Stany Zjednoczone odpowiadają za około jedną siódmą światowej całkowitej energii, a energia słoneczna jest obecniejedno z największych źródełnowych mocy energetycznych instalowanych co roku w USA.
Oczekuje się również, że koszt wata tellurku kadmu i innych technologii cienkowarstwowych zmniejszy się w miarę zwiększania produkcji. (First Solar mówi(że po otwarciu nowego zakładu w Ohio firma zaoferuje najniższy koszt za wat na całym rynku energii słonecznej.) Ale koszt nie jest jedynym wskaźnikiem, który ma znaczenie, co wyraźnie pokazują obecne problemy branży z łańcuchem dostaw i obawy dotyczące zatrudnienia.
Mark Widmar, CEO First Solar, powiedział, że planowana przez firmę ekspansja o wartości 680 milionów dolarów jest częścią większego wysiłku na rzecz zbudowania samowystarczalnego łańcucha dostaw i „oddzielenia” amerykańskiego przemysłu solarnego od Chin. Chociaż panele tellurku kadmu nie wykorzystują żadnego polikrzemu, First Solar odczuło inne wyzwania stojące przed branżą, takie jak zaległości w branży transportu morskiego spowodowane pandemią. W kwietniu First Solar poinformowało inwestorów, że zatory w amerykańskich portach wstrzymują dostawy paneli z jej zakładów w Azji. Zwiększenie produkcji w USA pozwoli firmie korzystać z dróg i kolei do wysyłki swoich paneli, a nie statków towarowych, powiedział Widmar. A istniejący program recyklingu paneli słonecznych firmy pozwala jej na wielokrotne ponowne wykorzystywanie materiałów, co jeszcze bardziej zmniejsza zależność od zagranicznych łańcuchów dostaw i surowców.
Podczas gdy First Solar produkuje panele, naukowcy zarówno w firmie, jak i w NREL nadal testują i udoskonalają technologię tellurku kadmu. W 2019 r. partnerzyopracowano nowe podejściepolega na „domieszkowaniu” cienkich warstw materiałów miedzią i chlorem w celu uzyskania jeszcze większej wydajności. Na początku tego miesiąca NRELogłosił wyniki25-letniego testu terenowego w swoim obiekcie na zewnątrz w Golden w stanie Kolorado. 12-panelowa matryca paneli tellurku kadmu działała z wydajnością wynoszącą 88 procent swojej pierwotnej wydajności, co jest dobrym wynikiem w przypadku panelu, który stał na zewnątrz przez ponad dwie dekady. Degradacja „jest zgodna z tym, co robią systemy krzemowe”, zgodnie z komunikatem NREL.
Mansfield, naukowiec z NREL, powiedziała, że celem nie jest zastąpienie krystalicznego krzemu tellurkiem kadmu ani ustanowienie jednej technologii jako lepszej od drugiej. „Myślę, że jest miejsce dla wszystkich z nich na rynku i każda z nich ma swoje zastosowania” — powiedziała. „Chcemy, aby cała energia trafiała do odnawialnych źródeł, więc naprawdę potrzebujemy wszystkich tych różnych typów technologii, aby sprostać temu wyzwaniu”.
Czas publikacji: 17-09-2021