Coût de réduction mince technologie solaire photovoltaïque de film pourrait être confronté à une renaissance, grâce à des innovations récentes en matière d'efficacité par le fabricant américain First Solar. Photo gracieuseté de First Solar, Inc.
À l'intérieur d'un immeuble tentaculaire de plain-pied à Bedford, dans le Massachusetts, dans une salle secrète connue sous le nom de Hall de croissance, l'avenir de l'énergie solaire est de cuisiner à plus de 2,500 ° F. Derrière des portes fermées et des stores baissés, des fours faits sur mesure avec des noms ambitieux comme "Fearless" et "Intrepid" aident à perfectionner une nouvelle technique de fabrication de gaufrettes en silicium, le cheval de bataille des panneaux solaires d'aujourd'hui. Si tout se passe bien, la nouvelle méthode pourrait réduire le coût de l'énergie solaire de plus de 20 pour cent dans les prochaines années.
"Cette plaquette humble permettra au solaire d'être aussi bon marché que le charbon et changera radicalement la façon dont nous consommons l'énergie", explique Frank van Mierlo, PDG de Technologies 1366, l'entreprise derrière la nouvelle méthode de fabrication de plaquettes.
Chambres secrètes ou non, ce sont des moments passionnants dans le monde des énergies renouvelables. Grâce aux progrès technologiques et à une accélération de la production au cours de la décennie, la parité des réseaux - le point où les sources d'énergie renouvelable telles que l'énergie solaire et éolienne ont le même coût que l'électricité dérivée des combustibles fossiles - approche rapidement. Dans certains cas, cela a déjà été réalisé, et des innovations supplémentaires en attente d'ailes sont très prometteuses pour réduire encore plus les coûts, ouvrant ainsi une ère entièrement nouvelle pour les énergies renouvelables.
Surprise solaire
En janvier 2015, société saoudienne ACWA Puissance surpris les analystes de l'industrie quand il a remporté une offre pour construire une centrale solaire 200-mégawatt à Dubaï qui sera en mesure de produire de l'électricité pour 6 cents par kilowatt-heure. Le prix était inférieur au coût de l'électricité provenant des centrales au gaz naturel ou au charbon, une première pour une installation solaire. L'électricité produite par les nouvelles centrales alimentées au gaz naturel et au charbon coûterait, selon la US Energy Information Agency, des cents 6.4 et des cents 9.6 par kilowattheure, respectivement.
Les progrès technologiques, y compris l'énergie photovoltaïque qui peut convertir des pourcentages plus élevés de la lumière du soleil en énergie, ont fait des panneaux solaires plus efficaces. Aux mêmes économies de temps d'échelle ont fait baisser leurs coûts.
Pour une grande partie des premiers 2000s, le prix d'un panneau solaire ou d'un module a oscillé autour de 4 $ par watt. A l'époque Martin Green, l'un des principaux chercheurs photovoltaïques du monde, a calculé le coût de chaque composant, y compris les lingots de silicium polycristallin utilisés dans la fabrication de plaquettes de silicium, le verre de protection à l'extérieur du module, et l'argent utilisé dans le câblage du module . Vert célèbre pour avoir déclaré que tant que nous nous appuyons sur silicium cristallin pour l'énergie solaire, le prix serait probablement jamais descendre en dessous de $ 1 / watt.
«Il y a un dixième de pourcent de gain d'efficacité ici et des réductions de coûts qui ont contribué à rendre le solaire très compétitif.» - Mark BarineauLe futur, Green et presque tous les autres dans le domaine croyaient, était avec des films minces, des modules solaires qui reposait sur des matériaux autres que le silicium qui nécessitaient une fraction des matières premières.
Ensuite, de 2007 à 2014, le prix des modules de silicium cristallin chuté de $ 4 par watt à $ 0.50 par watt, tout sauf la fin du développement de films minces.
Selon Mark Barineau, analyste en énergie solaire, la réduction spectaculaire des coûts est attribuable à un grand nombre de gains supplémentaires. Lux Recherche. Ces facteurs comprennent un nouveau processus, à faible coût pour la fabrication de silicium polycristallin; tranches de silicium plus minces; fils plus minces sur le devant du module qui bloquent moins de soleil et d'utiliser moins d'argent; plastiques moins coûteux au lieu de verre; et une plus grande automatisation de la fabrication.
«Il y a un dixième de pour cent de gain d'efficacité et des réductions de coûts qui ont permis de rendre l'énergie solaire très compétitive», explique M. Barineau.
25 Cents par Watt
"Obtenir moins de $ 1 [par watt] a dépassé mes attentes", dit Green. "Mais maintenant, je pense que ça peut devenir encore plus bas."
Un candidat potentiel pour l'obtenir là est la nouvelle méthode de fabrication de plaquette de 1366. Les plaquettes de silicium derrière les panneaux solaires d'aujourd'hui sont découpées dans de gros lingots de silicium polycristallin. Le processus est extrêmement inefficace, transformant jusqu'à la moitié du lingot initial en sciure de bois. 1366 adopte une approche différente, fondant le silicium dans des fours spécialement conçus et le remettant en tranches fines pour moins de la moitié du coût par plaquette ou une baisse de pourcentage 20 du coût global d'un module en silicium cristallin. 1366 espère commencer la production de masse dans 2016, selon van Mierlo.
Pendant ce temps, des films minces, une fois pensé pour être l'avenir de l'énergie solaire, puis écrasé par le silicium cristallin à faible coût, pourrait connaître une renaissance. L'offre low-cost récent record pour l'énergie solaire à Dubaï harnais à film mince cadmium modules solaires tellurure fabriqués par le fabricant américain First Solar. La société a non seulement tenu le coup alors que la grande majorité des entreprises de couches minces se sont repliées, mais a toujours produit certains des modules les moins coûteux en augmentant l'efficacité de leurs cellules solaires tout en augmentant leur production. La société dit maintenant pouvoir fabriquer des modules solaires pour moins de 40 cents par watt et anticipe de nouvelles réductions de prix dans les années à venir.
Dans dix ans, nous pourrions facilement voir le coût des modules solaires chuter à 25 cents par watt, soit environ la moitié de leur coût actuel, dit Green. Pour réduire les coûts au-delà de cela, l'efficacité de conversion de la lumière solaire en électricité devra augmenter considérablement. Pour y arriver, d'autres matériaux semi-conducteurs devront être empilés sur les cellules solaires existantes pour convertir un plus large spectre de lumière solaire en électricité.
"Si vous pouvez empiler quelque chose sur le dessus d'une plaquette de silicium, il sera à peu près imbattable», explique Green.
Green et ses collègues ont établi un record pour l'efficacité du module solaire en silicium cristallin à 22.9% dans 1996 qui est toujours valable aujourd'hui. Doutes verts, l'efficacité du silicium cristallin seul deviendra jamais beaucoup plus élevé. Avec l'empilement des cellules, cependant, il dit «le ciel est la limite».
A Matter of Size
Alors que l'énergie solaire commence à peine à atteindre la parité réseau, l'énergie éolienne est déjà là. Dans 2014, le prix moyen mondial de l'énergie éolienne terrestre est la même que l'électricité à partir du gaz naturel, selon Bloomberg New Energy Finance.
Comme pour l'énergie solaire, le crédit va aux progrès technologiques et aux augmentations de volume. Pour le vent, cependant, l'innovation a surtout été une question de taille. De 1981 à 2015, la longueur moyenne d'une pale de rotor d'éolienne a a augmenté de plus de six fois, des compteurs 9 aux compteurs 60, le coût de l'énergie éolienne chuté d'un facteur 10.
«Augmenter la taille du rotor signifie que vous capturez plus d'énergie, et c'est le facteur le plus important dans la réduction du coût de l'énergie éolienne», explique D. Todd Griffith, Sandia National Laboratories à Albuquerque, au Nouveau-Mexique.
Griffith a récemment supervisé la construction et l'essai de plusieurs lames de prototypes 100 mètres de long à Sandia. Lorsque le projet a démarré en 2009, les plus grandes lames en exploitation commerciale étaient 60 mètres de long. Griffith et ses collègues ont voulu voir dans quelle mesure ils pourraient pousser la tendance des lames toujours plus avant couru dans les limites de conception et de matériaux.
"Je me attends de voir 100 lames de mètres et au-delà.» - D. Todd GriffithTheir premier prototype était une lame tout en fibre de verre qui a utilisé des conceptions et des matériaux semblables à ceux trouvés dans relativement plus petites lames commerciales à l'époque. Le résultat a été une lourde lame excessivement 126 tonnes qui était si mince et long, il était sensible aux vibrations dans les vents forts et la souche gravitationnelle.
Le groupe a fait deux prototypes ultérieurs en utilisant des fibres de carbone plus solides et plus légères et une forme de lame qui était à dos plat au lieu de tranchant. La lame 100-meter résultante était 60 pour cent plus légère que leur prototype initial
Depuis le début du projet dans 2009, les plus grandes pales utilisées dans les éoliennes offshore commerciales sont passées de compteurs 60 à des compteurs 80 avec des prototypes commerciaux plus importants en cours de développement. "Je m'attends vraiment à voir les lames de compteurs 100 et au-delà", dit Griffith.
Comme les lames poussent plus, les tours qui les élèvent deviennent plus grands pour attraper plus cohérente, le vent de vitesse plus élevée. Et comme les tours poussent plus grands, les coûts de transport sont de plus en plus coûteux. Pour contrer l'augmentation des coûts GE a récemment fait ses débuts une tour «cadre de l'espace», une tour de treillis en acier enveloppé dans du tissu. Les nouvelles tours utilisent environ 30 pour cent en moins d'acier que les tours tubulaires conventionnelles de la même hauteur et peuvent être entièrement livrées dans des conteneurs d'expédition de taille standard pour un assemblage sur site. La société a récemment reçu une subvention de 3.7 millions de dollars du ministère de l'Énergie des États-Unis pour développer des lames de cadre spatial similaires.
Innovation offshore
Cependant, à l'instar des panneaux solaires en silicium cristallin, la technologie éolienne existante finira par se heurter à des limites matérielles. Une autre innovation à l'horizon pour le vent est liée à la localisation. Les parcs éoliens s'installent au large des côtes à la recherche de plus grandes ressources éoliennes et de moins de conflits d'utilisation des terres. Plus ils s'éloignent du large, plus l'eau est profonde, rendant la méthode actuelle de fixation des turbines sur le fond de la mer extrêmement coûteuse. Si l'industrie se tourne plutôt vers les structures de support flottantes, la conception actuelle des éoliennes les plus lourdes sera probablement trop lourde.
Une solution potentielle est une turbine à axe vertical, où l'arbre du rotor principal est placé verticalement, comme un manège, plutôt qu'horizontalement comme une éolienne conventionnelle. Le générateur d'une telle turbine pourrait être placé au niveau de la mer, donnant à l'appareil un centre de gravité beaucoup plus bas.
«Il y a de très bonnes chances qu'un autre type de technologie de turbine, l'axe vertical très bien, soit le plus rentable en eau profonde», dit Griffith.
La dernière décennie a donné lieu à des innovations remarquables dans le domaine de la technologie solaire et éolienne, apportant des améliorations en termes d'efficacité et de coût qui, dans certains cas, ont dépassé les attentes les plus optimistes. Ce que la prochaine décennie apportera n'est pas clair, mais si l'histoire est un guide, l'avenir des énergies renouvelables est extrêmement positif. 
Cet article a paru sur Ensia
A propos de l'auteur
Phil McKenna est un écrivain indépendant intéressé par la convergence d'individus fascinants et d'idées intrigantes. Il écrit principalement sur l'énergie et l'environnement en mettant l'accent sur les personnes derrière les nouvelles. Son travail apparaît dans Les New York Times, Smithsonian, WIRED, Audubon, New Scientist, Technology Review, MATTER et NOVA, où il est un éditeur contribuant.
