Fotovoltaïsche zonne-energie: crisis van het heden en technologie van de toekomst

Is zonne-energie onze toekomst? Ondanks de huidige crisis in de fotovoltaische sector kunnen verbeteringen in deze technologie, waaronder nieuwe generaties cellen en de verschuiving in de sector in China een nieuwe impuls geven aan dit type hernieuwbare energie.

Is zonne-energie de energie van de toekomst? De opkomst van aardgas en de crisis die de fotovoltaïsche industrie sinds 2011 doormaakt zijn een uitnodiging om op te passen voor overdreven optimistische voorspellingen. Maar de strategische verschuiving van China aan de ene kant en de beloftes van nieuwe generaties cellen kunnen de situatie veranderen. Het is daarom noodzakelijk om zorgvuldig na te denken over de onderliggende economische en technologische dynamiek.

Huidige technologieën

Tegenwoordig wordt fotovoltaïsche zonne-energie voornamelijk geproduceerd door siliciumcellen van de eerste generatie. Maar er worden nieuwe generaties ontwikkeld. Is het mogelijk om nieuwe technologieën en hun uitdagingen kort te presenteren?

Siliciumcellen blijven de belangrijkste technologie die vandaag wordt gebruikt en het heeft nog niet het laatste woord gezegd. Laten we u nogmaals wijzen op het principe van de fotovoltaïsche cel. Het is eenvoudig en we kennen het sinds de 19e eeuw, net als Einstein nodig was om de fysica van licht te begrijpen.

Licht bestaat uit fotonen die kunnen worden gedefinieerd als elementaire energiepakketten, gedoteerd met een massa. Wanneer ze in contact komen met materie wordt hun massa omgezet in energie, bijvoorbeeld in de vorm van warmte. In sommige gevallen en in het bijzonder bij halfgeleiders waar silicium uit bestaat, kan deze energie elektronen losmaken. Dit wordt het foto-elektrische effect genoemd. De eerste generatie cellen zijn elektronische componenten die deze elektronen vangen en kanaliseren om gelijkstroom te produceren.

Waarom gebruiken we silicium? Simpelweg omdat het overvloedig aanwezig is in een gezuiverde vorm (dankzij de elektronica-industrie) en het de vereiste eigenschappen heeft. We kunnen vervolgens verschillende configuraties onderscheiden: monokristallijne zonnepanelen kosten meer, maar ze hebben een goede opbrengst per m². Polykristallijne modules zijn iets minder efficiënt, maar ze zijn aanzienlijk goedkoper. Ten slotte bespreken we modules die zijn gebaseerd op amorf silicium, waarvan de structuur niet kristallijn is. Hun opbrengst is lager. Amorfe siliciumcellen zijn een voorbeeld van cellen van de tweede generatie: zogenaamde dunnefilmcellen.

Deze dunnefilmceltechnologie lijkt nu de aandacht te trekken. Wat is het?

Het echte geld ligt tegenwoordig bij de dunne film. Verschillende industriële hoofdrolspelers, waaronder de Amerikaanse First Solar en de Franse Saint-Gobain, hebben geïnvesteerd in deze technologie, wat echte voordelen heeft.

Hoe zit het precies? Het idee is om zeer dunne lagen in de orde van enkele micron, af te zetten op een substraat (glas, metaal, plastic). Voor industriële cellen van tegenwoordig zijn er vooral twee gebruikte materialen: cadmiumtelluride (CdTe) of lagen die zijn samengesteld uit vier bestanddelen (koper, indium, gallium en selenium).

U noemde hun voordelen: we weten bijvoorbeeld dat we met deze methode modules van een veel groter oppervlak kunnen produceren en deze met name gemakkelijk kunnen snijden

Het grootste voordeel is dat vanwege de hoeveelheid gebruikt materiaal en opslagmethoden, deze technologieën in de industriële fase goedkoper zullen zijn. Ze zijn industrieel niet volledig volgroeid, maar gezien de huidige voorzieningen is de vooruitgang snel. De CdTe-technologie is al minder duur dan polykristallijn silicium.

Alvorens te kijken naar de staat van de markt en de ontwikkelingsvoorwaarden van deze tweede generatie, kunt u ons iets vertellen over de derde en vierde generatie, die zich nog in de onderzoek & Ontwikkelingsfase bevinden?

U heeft gelijk om het aan te kaarten, we hebben het over technologieën die alleen nog maar in het laboratorium bestaan. Onder deze gemeenschappelijke term "derde generatie" groeperen we heel verschillende technologieën. In sommige gevallen worden er organische moleculen en/of minerale nanodeeltjes gebruikt. Deze systemen zijn in staat om licht te absorberen en elektronen te transporteren. Het zijn complexe systemen die een zekere intrinsieke kwetsbaarheid voor straling hebben. Deze technologieën zijn interessant, omdat ze mogelijk zeer goedkoop zijn en opbrengsten van 10% kunnen geven (bijvoorbeeld in het geval van Graetzel-cellen). Maar ze hebben nog steeds een nadeel, wat tot nu toe nog niet is opgelost. Namelijk de degradatie van het organische deel van de systemen. Dit levert een aanzienlijk kortere levensduur op dan 20 tot 30 jaar vergeleken met de klassieke cellen.

Multi-junction cellen zijn wat ik de vierde generatie noem: ze bestaan ​​uit een stapel lagen die energie terugwinnen uit verschillende delen van het spectrum van zonlicht. Hun grootste nadeel vandaag de dag is dat ze heel duur zijn. Er is echter geen groot obstakel voor deze vierde generatie om op een dag winstgevend te zijn. Er moet vooral gekeken worden hoe de kosten voor alle schakels van de keten verbeterd kunnen worden.

Maar ik vestig uw aandacht op één punt: deze technologie zal minder concurreren met de technologieën die we vandaag hebben besproken dan met de thermische zonne-energie die soms wordt afgekort in CSP, voor geconcentreerde zonne-energie (concentrated solar power).

Waarom?

Omdat deze technologieën veel zon- en volgsystemen vereisen, waardoor de modules de zon kunnen volgen. We bevinden ons in een heel andere configuratie met de dunne lagen, die efficiënt blijven voor indirecte of diffuse straling. Multi-junction cellen, zoals geconcentreerde zonne-energie zijn alleen echt effectief bij zeer intense straling. Ze zijn goed aangepast aan bijvoorbeeld de woestijngebieden. Beide technologieën zullen daarom concurreren.

Om precies te zijn, dus als enkele jaren geleden grote projecten van geconcentreerde zonne-energie verschenen, zou deze technologie vandaag enigszins verwaarloosd lijken.

Dat klopt, en het is niet moeilijk te begrijpen: als vandaag de CSP niet in de lift zit, komt dat eenvoudigweg doordat conventionele fotovoltaïsche energie winstgevender is geworden. Siemens bijvoorbeeld heeft zich teruggetrokken uit het Desertec-project. Maar ik zou niet van verlatenheid spreken. Net als de Font-Romeu zonne-oven zijn dit experimenteersystemen, waarop we nog veel vooruitgang moeten boeken. Geconcentreerde zonne-energie is al tientallen jaren bekend. In termen van technologie heeft het niet de mate van industriële volwassenheid van fotovoltaïsche energie. Bij wereldwijde productie moet het amper 1% van de geïnstalleerde fotovoltaïsche capaciteit vertegenwoordigen: er is nog steeds ruimte voor verbetering.

We horen soms dat de implementatie van deze systemen in woestijngebieden, ver van de plaats van consumptie, gepaard gaat met een aanzienlijke investering in termen van distributie, en dus een toeslag?

Het is waar dat het idee om op plaatsen in de woestijn te produceren en vervolgens de westerse landen te voeden, het nadeel heeft dat het veel geld kost qua vervoer. Dat gezegd hebbende, hebben landen in de buurt van deze woestijnplaatsen steeds meer behoefte aan elektriciteit en groeit hun bevolking snel. Geconcentreerde zonne-energie of multi-junction cellen in de toekomst kunnen een relevante oplossing zijn om ze van stroom te voorzien. Onderzoekers zijn aan het werk: de verre-afstandsverwachtingen zijn momenteel het onderwerp van veel werken en er worden verbeteringen aangebracht.

De mogelijke ontwikkeling van zonne-energie

Het intermitterende karakter van de productie wordt vaak gepresenteerd als een van de grootste obstakels voor de ontwikkeling van fotovoltaïsche cellen

Dat klopt. Een verhoging van de productie van zonne-energie vereist de ontwikkeling van opslagcapaciteit voor elektriciteit, wat een van de grootste uitdagingen is voor energie in het algemeen. Er zijn enkele oplossingen voor chemische opslag, bijvoorbeeld via waterstof, "mechanische opslag", maar momenteel zijn deze oplossingen nog niet industrieel. Merk op dat er geen gebrek aan verbeeldingskracht of creativiteit is op dit gebied. De vraag is eerder om het winstgevende proces in de markt te vinden. Dit probleem moet worden aangepakt en er bestaat geen twijfel over dat industriële oplossingen zich zullen ontwikkelen.

Er is ook een probleem van distributie, met de beroemde smart netwerken? (smart grids) ?

Beide zijn gerelateerd. Smart netwerken die geavanceerd en bestuurd zijn, zijn nodig om vormen van technologie te accepteren die minder flexibel en meer verspreid over het netwerk worden. Het is een element van vooruitgang. Maar er doen zich ook vragen voor: moeten we echt overal grote netwerken maken? Zou het niet verstandiger zijn om meer onafhankelijke systemen en opslag te ontwikkelen? Als je een efficiënte opslagmethode hebt in een Indiaas dorp zonder elektriciteit, kun je je redelijkerwijs afvragen: is het noodzakelijk om verbinding te maken met het elektriciteitsnet of om mijn elektriciteit te produceren, op te slaan en autonoom te zijn? Dit is hetzelfde probleem als dat van de apparatuur in bedrade telefoons in vergelijking met de mobiele telefoon. Er zijn landen die de bekabelde telefoon terzijde schuiven. We zien misschien dat landen die nog niet in grote netwerken hebben geïnvesteerd, liever kleine autonome netwerken ontwikkelen in plaats van grote verbonden netwerken. Smart grids kunnen interessant voor ze zijn. Als we tegenwoordig zouden weten hoe we moesten opslaan tegen een redelijke prijs, zouden er veel plaatsen in de wereld zijn waar ze niet geïnteresseerd zouden zijn in het maken van netwerken.

Tegenstanders van zonne-energie benadrukken dat het erg duur blijft. Wanneer zal het winstgevend worden zonder subsidies?

Laat ik eerst even uitwijden over aanname, namelijk dat een fotovoltaïsche module meer energie verbruikt om te produceren dan het produceert tijdens zijn bestaan ​​(ongeveer tien jaar). Dit gold in de jaren zestig, maar vandaag is de zogenaamde "energieretour" één tot drie jaar, afhankelijk van de regio en de technologie.

Laten we nu kijken naar de concurrentie van zonne-energie in vergelijking met andere vormen van elektriciteitsproductie. Het is logisch dat als we over elektriciteit spreken, we niet op dezelfde manier redeneren als we een bedrijf zijn of als we het hebben over het dak van een particulier. Voor een bedrijf zijn het de kosten van het produceren van elektriciteit belangrijk in vergelijking met een andere technologie. Aan de andere kant is voor een particulier de prijs belangrijk waartegen hij zijn elektriciteit koopt.

Laten we beginnen bij particulieren. We praten over netwerkpariteit wanneer de productiekosten gelijk zijn aan de marktprijs. Dit betekent dat de relevantie van zonne-energie niet hetzelfde is, maar afhankelijk van het land. In Frankrijk bijvoorbeeld stelt het overwicht van kernenergie tegenwoordig particulieren in staat om relatief goedkoop van elektriciteit te profiteren. Maar de recente daling in fotovoltaïsche kosten heeft geholpen om de situatie te veranderen. De productiekosten voor een particulier vertegenwoordigen ongeveer 0,2 euro per kWh, terwijl de elektriciteitsprijs in Frankrijk 0,1 euro per kWh bedraagt. Dus we spreken nog niet van netwerkpariteit. Dit is echter wel het geval in Italië, omdat de elektriciteit duurder is en omdat er meer zon is. Bij de Duitsers die ongeveer 0,3 euro per kWh betalen, spreken we van netwerkpariteit, zoals sommige Amerikaanse regio's, Californië of Utah, maar nog niet aan de oostkust.

De dramatische daling van de kosten van zonnepanelen heeft ertoe bijgedragen dat zonne-energie concurrerender is geworden, maar de effecten van de daling moeten niet worden overschat. In Frankrijk vertegenwoordigt de prijs van een zonnepaneel slechts 20% van de investeringen voor een dak, 50% voor een productiecentrale. Het is ook vooral voor de rest waarbij besparingen worden verwacht: de installatie, de bijbehorende apparatuur etc. De installatie van fotovoltaïsche panelen op een dak in Duitsland kost ongeveer de helft van wat het in Frankrijk kost.

Beschouw de vraag nu vanuit het oogpunt van de producenten van elektriciteit. Hier worden de productiekosten fundamenteel vergeleken, zelfs als rekening wordt gehouden met het milieu of energie-onafhankelijkheid. En omdat het een kwestie van investeren is, lijkt het rechtmatiger om zonne-elektriciteit te vergelijken met die van de toekomstige kerncentrales en niet met die momenteel worden gebruikt en veertig jaar geleden werden gelanceerd. Laten we nog eens naar Frankrijk kijken: voor een zonne-energiecentrale in het zuiden zijn de productiekosten 0,1 euro per kWh in vergelijking met de 0,08 euro verwacht van de kerncentrales van de derde generatie van het type EPR. Het verschil bestaat nog steeds, maar niet meer zoals drie jaar geleden waar het varieerde van 1 tot 4.

Marktdynamiek

U zei dat een deel van deze daling van de kosten komt van de ineenstorting van de prijs van zonnepanelen. De jaren 2011-2012 zijn zeer moeilijk voor de fotovoltaïsche industrie, met het faillissement van een groot aantal producenten in Europa en de Verenigde Staten. Waar staat de sector vandaag?

We bevinden ons in een paradoxale situatie. Het is de crisis voor fabrikanten van modules: iedereen verliest geld, inclusief Chinese producenten. Maar de producenten van elektriciteit kopen modules heel goedkoop in. Veel fotovoltaïsche projecten worden tegenwoordig in Californië of Italië gestart, in gebieden waar sprake is van veel zon, want dat is winstgevend.

Tegenwoordig is Azië verantwoordelijk voor ongeveer 70% van de wereldwijde paneelproductie. En Chinese fabrieken opereren op minder dan 50% van hun capaciteit, omdat er niet genoeg kopers zijn. Er is duidelijk een wereldwijd probleem van overcapaciteit.

In een situatie als deze zou een aantal van deze bedrijven moeten failliet gaan. Maar de Chinese autoriteiten die hiervan op de hoogte zijn doen twee dingen. Ten eerste eisen ze geen terugbetaling van investeringen. Het is een vorm van subsidie. Aan de andere kant hebben ze een groot plan in fotovoltaïsche apparatuur gelanceerd, een deel van de overcapaciteit op zal vangen.

Hoe zou u de Chinese strategie karakteriseren: is het een commerciële oorlog die bedoeld is om de concurrentie te ruïneren?

Dat is niet mijn mening. Ik denk dat ze worden achtergelaten in hun investeringen zonder te anticiperen op de risico's van overcapaciteit. Maar het is de reactie van de autoriteiten die interessant lijkt: als de Chinezen besluiten om geen fabrieken te sluiten en dus enorm veel zonnepanelen te zullen blijven produceren, dan zal het waarschijnlijk het faillissement betekenen van alle andere producenten, behalve een paar hoofdrolspelers die zullen overleven omdat ze van hoge kwaliteit zijn, zoals Sun Power. Waarschijnlijk zullen Chinese fabrikanten in 2020 bijna alleen op de markt zijn. En terwijl de vraag het aanbod inhaalt zal de paneelproductie weer winstgevend worden. Maar als er daarentegen in China een versterking van spelers zal zijn en een massale sluiting van de capaciteit, zullen de prijzen van de modules stijgen en de internationale actoren weer winstgevend te worden.

Sommige bedrijven hopen te overleven omdat ze zijn overeengekomen hun bedrijfsmodel volledig te veranderen. Dit is het geval bij het Amerikaanse bedrijf First Solar, dat gespecialiseerd is in technologie met dunne lagen van cadmiumtelluride. Het fabriceerde de goedkoopste modules, maar met dalende prijzen verzwakte het bedrijf. De directie koos daarom voor een strategische verschuiving: het bedrijf begon met de productie van elektriciteit. Het produceert en installeert zijn modules (ook in China!), en het produceert en verkoopt elektriciteit.

Maar First Solar is een apart geval en de snelle daling van de prijzen van de eerste generatie heeft veel kwaad gedaan aan een sector dat nog niet technologisch rijp was. Innovatiemogelijkheden zijn vernietigd en het industriële leerproces heeft nog geen tijd gehad zich te ontwikkelen. Op enkele uitzonderingen na loopt de sector teveel achter om de lage kosten in te halen door lagere verkoopprijzen van Chinese fabrikanten van industriële silicium panelen.

Potentieel heeft dunnefilmtechnologie de middelen. Maar met uitzondering van verandering van het businessmodel om de crisis te doorstaan, dient geaccepteerd te worden om eerst een paar jaar geld te verliezen voordat het winstgevend wordt. Dit is de equatie die opgelost moet worden. Dit kan alleen worden gedaan met de steun van investeerders, waaronder de staten. Het gaat hier niet om een ​​onderzoeksinspanning, maar om een ​​industriële inspanning. De uitdaging is om steeds grotere en duurdere fabrieken te bouwen om producten te fabriceren die u met verlies verkoopt. Dat is niet gemakkelijk om te accepteren. Maar sommige beleggers riskeren het en niet de minste: Warren Buffet heeft net geïnvesteerd in fotovoltaïsche energieopwekkingsinstallaties met SunPower in Californië.

Zijn Chinese paneelfabrikanten ook geïnteresseerd in de tweede generatie?

Het is in opkomst. Alle Chinese fabrikanten zijn nu op silicium, maar ze begrijpen dat de toekomstige generatie dunne film is. First Solar heeft dit jaar een project van 30 MW gelanceerd met een Chinese partner. China investeert. De fabrikanten zullen leren en zij zullen technologieën kopen die eigendom zijn van concurrenten die lijden.

En als we de balans opmaken voor de Europese industrie van vandaag, waar staan we nu?

Ik denk niet dat Franse of Duitse paneelfabrikanten kunnen overleven als er niets gebeurt. Maar hier hebben we het over een complex spel, waarbij de winnaars niet voor de hand liggen. Chinese fabrikanten verliezen vandaag geld. Degenen die de modules kopen zijn particulieren en Europese en Amerikaanse fabrikanten. Dat wil zeggen dat de Chinese staat de productie van elektriciteit subsidieert in Europa en in de Verenigde Staten.

Er zijn twijfels geuit over de subsidiestrategie voor terugkooptarieven in Europa. We kunnen de gegrondheid van overheidssubsidies bespreken om de opkomst van een industriële sector in Europa te helpen bevorderen, en het is duidelijk dat een risico weegt op de Duitse industrie (de enige die feitelijk is gevestigd). Maar dit is slechts een deel van het verhaal. Duitse fabrikanten hebben een machine-gereedschapsindustrie ontwikkeld die wordt gebruikt om de panelen te vervaardigen en hun belangrijkste klanten zijn de Chinezen. Een van de belangrijkste redenen waarom de Duitsers er niet op aandrongen barrières aan te leggen op Chinese fotovoltaïsche panelen, is omdat zij zelf panelen verkopen aan het Chinese volk. Alles welbeschouwd hebben overheidssubsidies bijgedragen aan de ontwikkeling en versterking van een strategische industriële sector.

Bron: paristechreview.com