Di riduzione dei costi sottile tecnologia solare fotovoltaica film potrebbe essere vivendo una rinascita, grazie alle recenti innovazioni di efficienza del produttore statunitense First Solar. Foto per gentile concessione di First Solar, Inc.
All'interno di un vasto edificio per uffici a un solo piano a Bedford, Massachusetts, in una stanza segreta conosciuta come la Sala della crescita, il futuro dell'energia solare sta cucinando a più di 2,500 ° F. Dietro le porte chiuse e le persiane rivolte verso il basso, forni personalizzati con nomi ambiziosi come "Fearless" e "Intrepid" stanno contribuendo a perfezionare una nuova tecnica di produzione di wafer di silicio, il cavallo di battaglia dei pannelli solari di oggi. Se tutto andrà bene, il nuovo metodo potrebbe ridurre il costo dell'energia solare di oltre il 20 per cento nei prossimi anni.
"Questo umile wafer consentirà al solare di essere economico come il carbone e cambierà drasticamente il modo in cui consumiamo energia", afferma Frank van Mierlo, CEO di Tecnologie 1366, la società dietro il nuovo metodo di fabbricazione di wafer.
Stanze segrete o meno, questi sono tempi entusiasmanti nel mondo delle energie rinnovabili. Grazie ai progressi tecnologici e alla crescita della produzione nel corso del decennio, la parità di rete - il punto in cui le fonti di energia rinnovabile come il solare e il vento costano quanto l'elettricità derivante dalla combustione di combustibili fossili - si sta rapidamente avvicinando. In alcuni casi è già stato raggiunto, e ulteriori innovazioni in attesa dietro le quinte mantengono una promessa enorme per i costi di guida ancora più bassi, inaugurando un'era completamente nuova per le rinnovabili.
Sorpresa solare
A gennaio 2015, azienda saudita ACWA Potenza ha sorpreso gli analisti del settore quando ha vinto un'offerta per costruire un impianto solare 200-megawatt a Dubai che sarà in grado di produrre elettricità per 6 centesimi per kilowattora. Il prezzo era inferiore al costo dell'elettricità da gas naturale o centrali a carbone, un primo per un impianto solare. L'elettricità proveniente da nuovi impianti di gas naturale e carbone costerebbe una stima dei centesimi di 6.4 e dei centesimi di 9.6 per kilowattora, rispettivamente, secondo l'US Energy Information Agency.
I progressi tecnologici, tra cui il fotovoltaico in grado di convertire le percentuali più elevate di luce solare in energia, hanno reso i pannelli solari più efficienti. Allo stesso tempo le economie di scala hanno spinto verso il basso i loro costi.
Per gran parte degli anni 2000s, il prezzo di un pannello solare o modulo aleggiava intorno $ 4 per watt. Al momento Martin Green, uno dei ricercatori fotovoltaici principali del mondo, calcolato il costo di ogni componente, compresi i lingotti di silicio policristallino utilizzati nella fabbricazione di wafer di silicio, vetro protettivo sulla parte esterna del modulo, e l'argento usato nel cablaggio del modulo . Verde notoriamente dichiarato che finché ci affidiamo a silicio cristallino per l'energia solare, il prezzo sarebbe probabilmente mai scendere al di sotto di $ 1 / watt.
"C'è un decimo di percentuale di guadagno in termini di efficienza qui e le riduzioni dei costi sono aumentate per rendere il fotovoltaico molto competitivo." - Mark BarineauIl futuro, Green e quasi tutti gli altri nel campo credevano, era con film sottili, moduli solari che si basava su materiali diversi dal silicio che richiedevano una frazione delle materie prime.
Quindi, da 2007 a 2014, il prezzo dei moduli in silicio cristallino passato da $ 4 per watt a $ 0.50 per watt, tutto tranne che terminare lo sviluppo di film sottili.
La drastica riduzione dei costi deriva da un ampio numero di guadagni incrementali, afferma Mark Barineau, un analista solare con Ricerca Lux. I fattori includono un nuovo processo, a basso costo per la fabbricazione di silicio policristallino; wafer di silicio più sottili; i fili più sottili sul frontale del modulo che bloccano meno luce solare e utilizzare meno l'argento; plastiche meno costose invece di vetro; e una maggiore automazione nel settore manifatturiero.
"C'è un decimo di percentuale di un guadagno in termini di efficienza qui e una riduzione dei costi che si è aggiunta per rendere il solare molto competitivo", afferma Barineau.
25 Cents per Watt
"Ottenere sotto $ 1 [per watt] ha superato le mie aspettative", afferma Green. "Ma ora, penso che possa diventare ancora più basso."
Un probabile candidato per ottenerlo è il nuovo metodo 1366 per la produzione di wafer. I wafer di silicio dietro i pannelli solari di oggi sono tagliati da grossi lingotti di silicio policristallino. Il processo è estremamente inefficiente, trasformando fino a metà del lingotto iniziale in segatura. 1366 adotta un approccio diverso, fondendo il silicio in forni appositamente costruiti e ricostituendolo in wafer sottili per meno della metà del costo per wafer o una diminuzione percentuale 20 del costo complessivo di un modulo in silicio cristallino. 1366 spera di iniziare la produzione di massa in 2016, secondo van Mierlo.
Nel frattempo, film sottili, una volta pensato di essere il futuro di energia solare, poi schiacciato da basso costo silicio cristallino, potrebbe sperimentare una rinascita. La recente offerta a basso costo da record per l'energia solare a Dubai sfrutta tellururo di cadmio moduli solari a film sottile fatti dal fornitore degli Stati Uniti First Solar. La società non si è limitata ad aggirare la maggior parte delle società di film sottili, ma ha costantemente prodotto alcuni dei moduli meno costosi aumentando l'efficienza delle loro celle solari mentre aumentava la produzione. L'azienda ora dice di poter produrre moduli solari per meno di 40 centesimi per watt e prevede ulteriori riduzioni dei prezzi nei prossimi anni.
Dieci anni da oggi potremmo facilmente vedere il costo dei moduli solari scendere a centesimi di 25 per watt, o circa la metà del loro costo attuale, dice Green. Per ridurre i costi oltre a ciò, l'efficienza di conversione della luce solare in elettricità dovrà aumentare in modo sostanziale. Per arrivarci, altri materiali semiconduttori dovranno essere impilati sopra le celle solari esistenti per convertire uno spettro più ampio di luce solare in elettricità.
"Se è possibile impilare qualcosa sulla cima di un wafer di silicio sarà praticamente imbattibile", dice Green.
Green e colleghi hanno stabilito un record per l'efficienza del modulo solare in silicio cristallino al 22.9 percentuale in 1996 che detiene ancora oggi. Green dubita che l'efficienza del silicio cristallino da sola aumenterà di molto. Con l'accatastamento di celle, tuttavia, dice "il cielo è il limite".
A Matter of Size
Mentre l'energia solare sta appena iniziando a raggiungere la grid parity, l'energia eolica è già lì. In 2014, il prezzo medio mondiale di energia eolica onshore era lo stesso di energia elettrica da gas naturale, secondo Bloomberg New Energy Finance.
Come per il solare, il merito va ai progressi tecnologici e agli aumenti di volume. Per il vento, tuttavia, l'innovazione è stata principalmente una questione di dimensioni. Da 1981 a 2015 ha la lunghezza media di una pala del rotore di una turbina eolica aumentato di oltre sei volte, dai metri 9 ai metri 60, come ha il costo dell'energia eolica lasciato cadere da un fattore di 10.
"Aumentare le dimensioni del rotore significa catturare più energia, e questo è il singolo fattore di importazione nella riduzione del costo dell'energia eolica", afferma D. Todd Griffith di Sandia National Laboratories ad Albuquerque, nel New Mexico.
Griffith ha recentemente curato la realizzazione e la sperimentazione di diverse lame prototipo 100 metri di lunghezza a Sandia. Quando il progetto è iniziato nel 2009, le più grandi pale in esercizio commerciale erano lunghe 60 metri. Griffith ei suoi colleghi hanno voluto vedere fino a che punto potrebbe spingere il trend di lame sempre più prima si imbatterono in limitazioni di design e materiali.
"Mi aspetto di vedere le lame metro 100 e oltre." - D. Todd GriffithTheir primo prototipo era una lama all-in fibra di vetro che ha usato i disegni simili e materiali, come quelli trovati in lame commerciali relativamente più piccoli al momento. Il risultato è stato un proibitivo pesante lama 126 tonnellate che era così sottile e lunga era suscettibile a vibrazioni in condizioni di vento forte e la tensione gravitazionale.
Il gruppo ha realizzato due prototipi successivi con fibra di carbonio più forte e più leggera e una forma a lama piatta anziché a spigolo vivo. La lama 100 risultante era più leggera di 60 rispetto al prototipo iniziale
Da quando è iniziato il progetto in 2009, le pale più grandi utilizzate nelle turbine eoliche offshore commerciali sono passate dai misuratori 60 a circa 80 con i prototipi commerciali più grandi ora in fase di sviluppo. "Mi aspetto di vedere le lame del misuratore 100 e oltre", dice Griffith.
Come lame si allungano, le torri che li elevano sono sempre più alti per catturare più coerente, velocità del vento più elevata. E come torri diventare più alti, i costi di trasporto sono sempre più costosi. Per contrastare l'aumento dei costi GE recentemente ha debuttato una torre "space frame", una torre a traliccio in acciaio avvolta in tessuto. Le nuove torri utilizzano all'incirca il 30 di acciaio in meno rispetto alle torri a tubi convenzionali della stessa altezza e possono essere consegnate interamente in container di dimensioni standard per l'assemblaggio in loco. La società ha recentemente ricevuto una sovvenzione di $ 3.7 milioni dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per sviluppare analoghi lame spaziali.
Innovazione offshore
Come i pannelli solari in silicio cristallino, tuttavia, la tecnologia eolica esistente finirà per andare incontro ai limiti del materiale. Un'altra innovazione all'orizzonte per il vento è correlata invece alla posizione. I parchi eolici si stanno spostando al largo in cerca di maggiori risorse eoliche e di minori conflitti di uso del suolo. Più lontani sono al largo, più l'acqua è profonda, rendendo l'attuale metodo di fissaggio delle turbine al fondo marino proibitivo. Se l'industria si muoverà invece verso strutture di supporto galleggianti, il progetto di turbina eolica oggi più pesante sarà probabilmente troppo pesante.
Una possibile soluzione è una turbina ad asse verticale, una in cui l'albero principale del rotore è fissato verticalmente, come un allegro giro, piuttosto che orizzontalmente come una turbina eolica convenzionale. Il generatore per tale turbina potrebbe essere posizionato a livello del mare, dando al dispositivo un centro di gravità molto più basso.
"C'è una buona probabilità che qualche altro tipo di tecnologia delle turbine, molto ben verticale, sia il più economico in acque profonde", dice Griffith.
Lo scorso decennio ha prodotto notevoli innovazioni nella tecnologia solare ed eolica, apportando miglioramenti in termini di efficienza e costi che in alcuni casi hanno superato le aspettative più ottimistiche. Ciò che il prossimo decennio porterà non è chiaro, ma se la storia è una guida, il futuro delle energie rinnovabili appare estremamente positivo. 
Questo articolo è originariamente apparso su Ensia
Circa l'autore
Phil McKenna è uno scrittore freelance interessato alla convergenza di individui affascinanti e idee intriganti. Scrive principalmente di energia e ambiente concentrandosi sugli individui dietro le notizie. Il suo lavoro appare in La New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER e NOVA, dove è un redattore collaboratore.
