Door innovaties van de afgelopen jaren bij zowel zonnepanelen als windturbines daalden de productiekosten en steeg de energieopbrengst. Een nieuwe reeks innovatieve ontwikkelingen op het gebied van efficiency en kostenreductie zullen er waarschijnlijk toe leiden dat deze tendens zich voortzet.
Zonnepanelen zijn de afgelopen tijd een stuk efficiënter geworden. Dit is mogelijk geworden door technologische ontwikkelingen, waaronder de ontwikkeling van fotovoltaïsche zonne-energie die hogere percentages zonlicht kunnen converteren naar energie. Tegelijkertijd heeft grootschalige productie ervoor gezorgd dat de kosten zijn afgenomen.
In het recente verleden, vanaf 2000 en de jaren daarna, schommelde de prijs van een zonnepaneel of –module rond de vier dollar per Watt. De toekomst, zo dacht bijna iedereen in het veld, was gelegen in dunne films, zonnemodules die niet op silicium gebaseerd waren, maar op een ander materiaal, waar slechts een fractie van de ruwe materialen voor benodigd zou zijn. Maar tussen 2007 en 2014 daalde de prijs van kristallijnen silicium modules van 4 dollar naar 0,50 dollarcent per Watt, waarmee een einde kwam aan de ontwikkeling van dunne films.
Nieuwe productiemethoden voor PV-panelen
Deze fikse kostendaling ontstond door een aantal winstpunten die elkaar versterkten. Factoren die een rol speelden: nieuwe, goedkopere fabricageprocessen om kristallijnen silicium te maken, dunnere silicium platen, dunnere bedrading aan de voorkant van de module die minder zonlicht tegenhoudt en waar minder zilver voor nodig is, het gebruik van (goedkoper) plastic in plaats van glas en de introductie van automatisering.
Nu is kort geleden een methode ontwikkeld om een nog grotere kostendaling te realiseren. Bij de fabricage van de huidige zonnepanelen worden silicium plakjes afgezaagd van gegoten blokken poli kristallijn silicium. Dit proces is ontzettend inefficiënt, omdat zo ongeveer de helft van het blok verzaagd wordt tot zaagsel. Het bedrijf 1366 benadert dit anders, door de silicium te smelten in speciaal gebouwde ovens en hier direct dunne platen van te vervaardigen. Dit is mogelijk voor minder dan de helft van de oorspronkelijke kosten per plaat, oftewel een daling van 20 procent in de totale kosten van een kristallijnen silicium module. Naar verwachting begint 1366 in 2016 met grootschalige productie.
Een dalende prijs van zonnepanelen
In de tussentijd konden dunne films, ooit beschouwd als de toekomst van zonne-energie, daarna terzijde geschoven door het goedkope kristallijn silicium, een wedergeboorte beleven. Dit is mogelijk op basis van een filmlaag van cadmium telluride panelen, gefabriceerd door het Amerikaanse bedrijf First Solar. Dit bedrijf bleef niet alleen voortbestaan in een tijd waarin de meeste producenten van dunne filmlagen verdween, maar het produceerde op consistente wijze enkele van de meest goedkope modules. Dit deden ze door de efficiency van hun zonnecellenproductie te verbeteren en gelijktijdig hun productie op te schalen. Volgens het bedrijf is het nu in staat om zonnemodules te maken voor minder dan 40 dollarcent per Watt en het voorziet voor de komende jaren nog grotere prijsdalingen.
Over tien jaar zouden we de prijs van zonnepanelen wel eens kunnen zien dalen tot 25 cent per Watt. Dat is grofweg de helft van de huidige prijs. Om de kosten nog verder te laten dalen zal de conversie efficiency van zonlicht naar elektriciteit substantieel moeten toenemen. Om dat te bereiken, zouden andere semi geleidende materialen boven op de bestaande zonnecellen gestapeld moeten worden om een breder spectrum van zonlicht te kunnen omzetten naar elektriciteit. Het is de vraag of de efficiency van kristallijnen silicium zelf ooit veel hoger zal worden. Maar door de fotovoltaïsche cellen te stapelen is er waarschijnlijk geen limiet meer.
Innovaties bij windenergie: afmeting telt
Terwijl zonne energie nog maar net het niveau van grid parity begint te bereiken, heeft windenergie dat niveau al lang bereikt. In 2014 was de wereldwijde prijs voor windenergie op land hetzelfde als dat van aardgas, aldus Bloomberg New Energy Finance.
Evenals bij zonne-energie, zijn technologische vooruitgang en groei van het volume bepalend geweest. Voor wind was innovatie vooral een kwestie van afmetingen. In de periode van 1981 tot 2015 is de lengte van een rotorblad van een windturbine meer dan zes keer zo groot geworden: van 9 meter naar 60 meter, terwijl de kosten met een factor 10 gedaald zijn.
Kort geleden had D. Todd Griffith van Sandia National Laboratories in Albequerque, New Mexico gelegenheid om windturbines te testen, in Sandia. Zijn groep bouwde de bladen niet zelf, maar ze maakten gedetailleerde ontwerpen die ze vervolgens testten via computermodellen. Toen het project startte, in 2009, waren de grootste bladen die commercieel toegepast werden, zestig meter lang. Griffith en zijn collega’s wilden zien hoe ver ze de trend van steeds groter wordende bladen op konden drijven voordat ze op materiële beperkingen stuitten.
Grotere en lichtere rotorbladen
Hun eerste ontwerp was een blad dat volledig van fiberglas gemaakt was; een zelfde vorm en materiaal als de rotorbladen die je in die tijd kon aantreffen, maar dan van een relatief kleiner formaat. De groep maakte daarop nog twee ontwerpen waarbij sterker, lichter koolstoffiber werd gebruikt en een bladvorm met een platte achterkant in plaats van met een scherpe rand. Het eindresultaat was een blad met een lengte van 100 meter dat 60 procent lichter was dan het oorspronkelijke model. Sinds het project begon, in 2009, zijn de grootste offshore wind turbines die gebruikt worden, gegroeid van 60 meter tot grofweg 80 meter, met grotere prototypes nog in ontwikkeling. Griffith:
‘Ik ben er vast van overtuigd dat we over een tijd rotorbladen zullen zien van 100 meter en meer’.
Naarmate de rotorbladen langer worden, worden de torens, die hen moeten dragen, hoger. Daardoor kunnen ze meer gelijkmatige wind vangen die harder waait. Maar naarmate de torens hoger worden, nemen de transportkosten toe. Om de toenemende kosten te drukken introduceerde GE onlangs een een ‘space frame’ toren, een toren gemaakt van een traliewerk van staal, gewikkeld in weefsel. Voor deze nieuwe torens is ongeveer 30 procent minder staal nodig dan bij de buizen die normaliter gebruikt worden. Ze kunnen aangeleverd worden in standaard scheepscontainers en ter plekke geassembleerd. Het bedrijf kreeg kort geleden een subsidie van 3,7 miljoen van het Amerikaanse ministerie van Energie om op een zelfde basis ‘space frame’ rotorbladen te ontwikkelen.
Drijvende draagstructuren en verticale molens
Een andere innovatie op het gebied van windenergie die er aan komt is gerelateerd aan de locatie. Windparken worden ontwikkeld op zee om meer wind te vangen en om conflicten over landgebruik uit de weg te gaan. Hoe verder ze in zee komen, hoe dieper het water wordt, wat de huidige methode om turbines op de bodem van de zee te bevestigen onbetaalbaar maakt. Wanneer de industrie in plaats daarvan overstapt naar drijvende draagstructuren, zal men waarschijnlijk concluderen dat de huidige typen topzware windturbines te log is. Een mogelijke oplossing is een turbine met een verticale as, waarbij de schacht van de hoofdrotor verticaal geplaatst is, als een draaimolen, in plaats van horizontaal zoals bij een conventionele windturbine.
Het afgelopen decennium heeft opmerkelijke innovaties opgeleverd, zowel op het gebied van zonne-energie als bij windtechnologie. De innovaties hebben verbeteringen opgeleverd qua efficiency en kosten, innovaties die in sommige gevallen de meest optimistische verwachtingen hebben overtroffen. Wat de komende jaren zal brengen, blijft ongewis, maar als de geschiedenis een vooruitwijzing is van wat er gaat gebeuren, dan ziet de toekomst van hernieuwbare energie er zeer positief uit.
Geef een reactie