Die chinesische Solarmaschine

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Vor zehn Jahren wurden Sonnenkollektoren hauptsächlich in den Vereinigten Staaten, Deutschland und Japan hergestellt. Chinesische Hersteller stellten fast keine her. Aber bis 2006 hatte das chinesische Unternehmen Suntech Power die Kapazität, über eine Million Solarmodule auf Siliziumbasis pro Jahr herzustellen, und war bereits der drittgrößte Produzent der Welt. Heute stellen chinesische Hersteller etwa 50 Millionen Solarmodule pro Jahr her – mehr als die Hälfte des weltweiten Angebots im Jahr 2010 – und umfassen vier der fünf weltweit führenden Solarmodulhersteller. Besonders beeindruckend ist die Tatsache, dass sich die Branche anderswo alle zwei Jahre verdoppelt und chinesische Hersteller noch besser abschneiden und ihre Produktion etwa jedes Jahr verdoppeln.

Diese Dominanz ist nicht auf billige Arbeitskräfte in chinesischen Fabriken zurückzuführen: Die Herstellung von Solarzellen erfordert so teure Geräte und Materialien, dass die Arbeitskraft nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtkosten ausmacht. Es liegt auch nicht daran, dass die chinesischen Unternehmen Zellen eingeführt haben, die länger halten oder mehr Strom produzieren: Im Großen und Ganzen stellen sie mit den gleichen Geräten die gleiche Art von Solarmodulen auf Siliziumbasis wie viele ihrer Konkurrenten auf der ganzen Welt her. Dies ist vor allem deshalb gelungen, weil es für sie schneller und billiger ist, Fabriken zu bauen, dank kostengünstiger, effizienter Baumannschaften und Chinas rationalisiertem Genehmigungsverfahren. Die neuen Fabriken verfügen über die neueste und effizienteste Ausrüstung, die zur Kostensenkung beiträgt. Ebenso die Effizienz, die mit der Größe einhergeht. Infolgedessen konnten chinesische Hersteller andere Hersteller von Silizium-Solarmodulen unterbieten und die Hoffnungen vieler Emporkömmlinge zunichte machen, die auf die Einführung neuer Technologien hoffen.



Können wir die Durchbrüche von morgen schaffen?

Diese Geschichte war Teil unserer Januar-Ausgabe 2012

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Aber der Solarmarkt entwickelt sich rasant und technologische Innovationen werden immer wichtiger. Obwohl die Nachfrage nach Solarstrom weltweit weiter wächst, wird der Markt von Photovoltaikmodulen überschwemmt: Die weltweite Produktionskapazität hat sich von 2009 bis 2010 mehr als verdoppelt und ist 2011 weiter gestiegen. Die Überkapazitäten waren so groß, dass im vergangenen Herbst chinesische Hersteller in Schwierigkeiten kamen Sonnenkollektoren für mehr als ihre Herstellung zu verkaufen. In einem solchen Markt besteht die Möglichkeit, Ihr Produkt von anderen abzuheben – und genug zu verlangen, um über Wasser zu bleiben – darin, es besser zu machen als die Ihrer Mitbewerber.

Für Solarhersteller bedeutet das heute, Zellen zu erfinden, die Licht effizienter in Strom umwandeln. Da die Preise für Sonnenkollektoren gefallen sind, machen die Installationskosten einen größeren Prozentsatz der Kosten für Solarstrom aus. Kunden wollen leistungsstärkere Panels, damit sie weniger davon installieren können. Von nun an ist der beste Weg für chinesische Hersteller, die Kosten pro Watt Solarstrom zu senken, möglicherweise nicht mehr durch eine Senkung der Herstellungskosten, sondern durch eine Erhöhung der Wattzahl, die jedes Modul erzeugt. Das Spiel ändert sich jetzt, sagt Mark Pinto, Executive Vice President of Energy and Environment Solutions bei Applied Materials in Santa Clara, Kalifornien, dem weltweit größten Anbieter von Solarproduktionsanlagen. Früher ging es nur um Skalierung. Jetzt geht es um die Konversionseffizienz bei gleichzeitig niedrigen Kosten.

Für chinesische Hersteller, die sich auf die Skalierung von Standardtechnologie konzentriert haben, mag dies wie eine schlechte Nachricht klingen. Aber ihre Erfahrung im Bau konventioneller Solarmodule könnte ihnen helfen, neue Designs zu implementieren, die die Leistung von Siliziumsolarzellen deutlich steigern. Im Laufe der Jahre haben diese Hersteller die Kosten teilweise durch die Entwicklung besserer Verfahren zur Herstellung der Zellen gesenkt. Das gibt ihnen ein Verständnis dafür, was in der Fabrikhalle funktioniert und was nicht. Sie haben auch das Kapital und die Ingenieure, die ihnen helfen, neuere Technologien in die Massenproduktion zu überführen. Sie haben sich vielleicht ursprünglich nicht vorgenommen, diese Technologien zu kommerzialisieren, aber jetzt, da sie den Markt für konventionelle Solarmodule beherrschen, sind sie bereit, genau das zu tun.

TEMPO HALTEN

Als der US-Energieminister Steven Chu 2010 eine Rede vor dem National Press Club hielt, in der er seinen Fall darlegte, dass die Vereinigten Staaten bei der fortschrittlichen Fertigung zurückfallen, war Suntech Power sein Exponat A. Er hatte seine Fabrik besichtigt und er war beeindruckt von dem, was er gesehen hatte. Es ist eine automatisierte Hightech-Fabrik, sagte er. Es gelingt nicht, weil es billige Arbeitskräfte gibt. Darüber hinaus habe Suntech einen Solarzellentyp mit Weltrekordwirkungsgrad entwickelt.

Distanz macht das Herz höher

Weit voraus

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Chus Einschätzung mag einige Beobachter überrascht haben, aber Suntechs rekordverdächtige Solarzellen sind beeindruckend. Die Technologie, die in sie einfliesst, nutzt Veränderungen sowohl im Design als auch in der Herstellungstechnik. Die leitfähigen Metallleitungen, die die elektrische Ladung vom Silizium sammeln, werden nicht wie üblich mit Siebdruckverfahren hergestellt. Stattdessen verwendet Suntech ein proprietäres Verfahren, um viel dünnere, enger beabstandete Leitungen abzuscheiden, die den Zellen effizienter Strom entziehen. Die Veränderungen haben es dem Unternehmen ermöglicht, Effizienzniveaus und Kostensenkungen zu erreichen, die in einer 2011 veröffentlichten Branchen-Roadmap als Ziele für 2020 festgelegt wurden Stuart Wenham, Chief Technology Officer bei Suntech. Wir machen es auch besser, als sie denken, dass sie es in 10 Jahren tun könnten.

Bisher hat Suntech relativ wenige Solarmodule auf Basis der neuen Technologie hergestellt. Stattdessen hat es seine Ressourcen auf die Optimierung von Herstellungsprozessen konzentriert, um die Kosten für die Herstellung herkömmlicher Silizium-Solarmodule zu senken. Aber das könnte sich bald ändern. In diesem Jahr hat Suntech damit begonnen, die Produktion der neuen Zellen zu erhöhen, und kann nun jährlich genug davon herstellen, um 500 Megawatt Strom zu erzeugen – etwa 2,5 Millionen Solarmodule. Diese Leistung ist dem Erfolg des Unternehmens als Hersteller konventioneller Produkte zu verdanken.

Die Technologie hinter den neuen Zellen wurde in den 1990er Jahren an der University of New South Wales, Australien, entwickelt, aber die im Labor verwendeten Techniken waren für eine kommerzielle Produktion zu teuer. Es war ein schrecklich ausgeklügelter Prozess, der Photolithographie, Vakuumabscheidung ziemlich exotischer Metalle und alle möglichen chemischen Prozesse umfasst, sagt Wenham, der auch das Photovoltaik-Forschungsprogramm an der UNSW leitet und früher Professor von Suntechs CEO und Gründer Zhengrong Shi . war . Laut Wenham blieb die Technologie jahrzehntelang eine Laborkuriosität, bis die Forscher von Suntech herausfanden, wie sie an ein Fließband angepasst werden kann. Sie haben eine einfache und kostengünstige Möglichkeit gefunden, all dies zu ersetzen und gleichzeitig die gleichen Ergebnisse zu erzielen, sagt er. Die neue Technologie könnte die Leistung eines Solarpanels in Standardgröße von 205 Watt auf 220 Watt oder mehr erhöhen – und die Herstellung der Zellen kostet weniger als herkömmliche Zellen.

Einzelne Teile der Technik waren schnell erfolgreich. Suntech führte diese in seine Standard-Fertigungslinien ein, um seinen Wettbewerbern in Bezug auf Kosten und Effizienz einen Schritt voraus zu sein. Die Skalierung des gesamten Prozesses war jedoch eine Herausforderung. Eine Pilotfertigungslinie wurde 2009 in Betrieb genommen, aber das Unternehmen musste neue Geräte entwickeln und implementieren, um Ausbeuten und Produktionsraten so zu gestalten, dass das Verfahren wirtschaftlich war. Hier erwies sich die Position von Suntech als Marktführer mit Erfahrung in der Entwicklung neuer Fertigungsanlagen als entscheidend. Das Unternehmen verfügte nicht nur über das erforderliche Know-how, um den Prozess zu verbessern; es hatte auch die Mittel, um jahrelang an der Technologie zu arbeiten, ohne dass sie nennenswerte Einnahmen einbrachte.

chinesische Spione in uns

Suntech ist nicht der einzige chinesische Solarhersteller, der vielversprechende neue Technologien identifiziert und Wege findet, diese in großem Maßstab zu produzieren. Im vergangenen September gab Yingli Green Energy mit Sitz in Baoding bekannt, dass eine Partnerschaft mit dem niederländischen Forschungszentrum ECN Sonnenkollektoren hervorgebracht habe, die 17,6 Prozent der Energie des Sonnenlichts in Strom umwandeln könnten; der Durchschnitt liegt bei knapp über 14 Prozent. ECN stellte die Technologie jedem auf der Welt zur Verfügung, der sie wollte, sagt Wenham. Doch erst Yingli hat diese Technologie übernommen und ausgearbeitet, wie man sie kostengünstig in Großserie herstellen kann.

MATERIALVORTEIL

Selbst jetzt, wo chinesische Solarhersteller den Fokus von der Produktion auf die Innovation verlagern, können ihre Möglichkeiten mit dem von ihnen gewählten Material, kristallinem Silizium, begrenzt sein. Dieses Material ist attraktiv, weil die Industrie weiß, wie man damit umgeht, auch dank jahrzehntelanger Forschung an Silizium-Mikrochips. Aber im Vergleich zu einigen anderen Halbleitern absorbiert es das Sonnenlicht schlecht. Einige Alternativen, wie Galliumarsenid, können zu Materialfilmen verarbeitet werden, die so viel Strom wie eine typische Siliziumzelle erzeugen können, aber nur ein Hundertstel so dick sind, was möglicherweise die Materialkosten senkt. Solche dünnen Folien können auch flexibel sein: Sie könnten aufgerollt werden, was die Verpackungs- und Versandkosten senkt, und sie könnten in Dachschindeln eingebaut werden, um die Installationskosten zu senken.

Trotz ihrer potenziellen Vorteile war es für Dünnschichtsolarzellen jedoch schwierig, mit den ständig sinkenden Kosten und der Verbesserung der Effizienz von kristallinen Siliziumzellen zu konkurrieren. Einem Unternehmen, First Solar mit Sitz in Arizona, ist es gelungen, kostengünstige Herstellungsverfahren für Dünnschicht-Solarmodule zu entwickeln, aber diese Verfahren verwenden ein Material - Cadmiumtellurid -, das zu Modulen führt, die weniger effizient sind als solche aus Silizium. Andere Unternehmen haben versucht, mit Silizium zu konkurrieren, indem sie Dünnschichtplatten aus Kupfer-Indium-Gallium-Selenid mit höherem Wirkungsgrad verwenden. Einige von ihnen mussten jedoch Insolvenz anmelden und ihre Fabriken schließen, nachdem sie die Herstellungskosten nicht schnell genug gesenkt hatten.

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Trotz dieser Kämpfe glaubt Wenham, dass die Dünnschichttechnologie schließlich konventionelle Solarmodule herausfordern wird. Wenn das stimmt, werden chinesische Hersteller von kristallinen Silizium-Solarzellen den Markt möglicherweise nicht ewig dominieren. Aber die Strategie, zuerst konventionelle Technologie zu skalieren und dann innovative Designs einzuführen, um die Kosten pro Watt Solarstrom weiter zu senken, hat sie in eine gute Position gebracht, ihren Vorsprung über Jahre zu behaupten. Inzwischen arbeiten einige, wie Suntech, daran, eigene Dünnschicht-Panels zu produzieren. Wenn dünne Schichten kristallines Silizium ersetzen, könnten es chinesische Hersteller sein, die sie herstellen.

Kevin Bullis ist Technologieüberprüfung 's Senior Editor für Energie.

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