Kommersiell solkraft mulig i stor målestokk

  • Fagartikler

Hvorfor er ikke solenergi, som er verdens største fornybare energiressurs - bedre utnyttet?

Det er vesentlig to hovedårsaker til dette:

For det første er det i de nærmeste årene nok olje og gass (fossilt brensel) til å dekke det kommersielle behov for energi i industrilandene. 90 prosent av verdens totale energiforbruk dekkes av olje og gass.

For det andre er ikke utnyttelsen av solenergi (solceller og solvarme) teknisk mulig og økonomisk forsvarlig i stor målestokk per i dag.

Undertegnede ser en mulighet nå til å ta opp den kommersielle konkurransen i nærmeste fremtid i tillegg til det miljøvennlige aspekt som bruk av ny fornybar energi innebærer, dersom solcelleteknologien får midler til å ekspandere.

I Norge ligger vi langt fremme når det gjelder produksjon og "know how" innen solcelleteknologi. Vi utvikler oss til å bli en av Europas største på området gjennom "cluster"- bedriften Renewable Energy Corporation (REC), som utgjør en sammenslutning av bedrifter som produser wafer (skiver) av silisium, solceller og solcellemoduler i Norge.

Allikevel utgjør ikke solcelleteknologien mer enn 0,003 prosent av samlet energiforbruk i verden, mens målet i henhold til statsminister Kjell Magne Bondevik, annonsert på konferansen i Johannesburg i september, er at ny fornybar energi, skal dekke 10 % av vedens behov innen 2010.

Årsaken til den lave andel solcelleenergi skyldes råstoffmangel. Fremtidens råstoff i solceller er silisium (solcellesilisium), som verken produseres eller kan produseres i tilstrekkelig stort volum med silisiumprosessen som er kommersiell (Siemens-prosessen, Fig.1).

Fig. 1: Flytskjema av Siemens-prosessen, en sillangassfase-prosess for fremstilling av først og fremst silisium av elektronikk-kvalitet. " Technical grade" er en silisiumavkapp fra prosessen. Den selges som " feedstock" til "wafer"- og solcelletilvirkning.

Verdensproduksjonen av solcellesilisium er på ca. 4000 tonn. Mens behovet etter de nærmeste 50 år vil bli på noen hundre tusen tonn per år, for å være litt "moderat". Som det i denne artikkelen fremgår, utgjør solcellesilisium et "manglende mellomledd" for å gjøre solcelleteknologien økonomisk konkurransedyktig og dermed en "boom" .

JRS har i lengre tid samarbeidet med forskere fra inn og utland for å komme frem til en prosess som produserer solcellesilisium. Prosessen er en faststoff/væske prosess (Fig.2) i motsetning til den i dag kostbare silangassprosessen (Fig.1).

Fig. 2: Figuren viser hvor enkel faststoff/væske-fase-prosessen er sammenlignet med gass-fase-prosessen (Fig. 1). En reaktor i faststoff/væskeprosessen krever ca. 500 ganger mindre volum enn gass-prosessen produsert på samme mengde silisium.

I samarbeid med SINTEF og Institutt for energiteknikk (IFE) har Høgskolen i Oslo (HiO) og gründerselskapet Norwegian Silicon Refinery AS (NSR) utviklet et produkt i stor laboratoriemålestokk (kilo per døgn) som skal kunne selges som råstoff ("feedstock") til waferfabrikantene.

SND, Norges Forskningsråd (NFR) og Statens veiledningskontor (SVO) har så langt støttet opp om midler til forskningen og gitt støtte til patentering i første fase.

Nå ønsker NSR å lage et pilot/produksjonsanlegg og håper på fortsatt støttemidler for oppstart. Fraunhofer Institut, Solare Energiesysteme, Freiburg i Tyskland, som er ett av verdens største forskningsinstitutter på solceller, har anbefalt å oppskalere prosessen på bakgrunn av de positive resultater vi har oppnådd på solcellesilisiumkvaliteten. Det er behov for er en oppskalering på 5-10 ganger (liniær skala) i et pilot/produksjonsanlegg.

Det som er det spennende, er at tolkingen av analysene og prosessens særegenhet, indikerer at vi i en oppskalert prosess, vil kunne oppnå en solcellesilisiumkvalitet som vil kunne gi nær maksimal nytteeffekt i solcellen.

Råstoffet, som det satses på, er først og fremst norsk kvarts, men også feltspater (silikater) kan bli aktuell for fremstilling av solcellesilisium med denne prosessen.

Prosessen er ikke så avhengig av at mineralenes renhet som den karbotermiske reduksjonsprosessen som leverer silisium som råstoff ("silicon powder") til Siemensprosessen (Fig.1), fordi elektrolysen i JRS-prosessen (Fig.2) produserer et mye renere silisium i utgangspunktet og inneholder et slagg som gjennom prosessens videre trinn er med på å rense bort forurensningene i silisiumet.

Gull av gråstein

Disse to mineraltypene dekker ca. 80 prosent av jordskorpen. Kvarts inneholder ca. 50 prosent silisium (Si). Feltspat inneholder 25-30 prosent Si og 10-15 prosent Al (aluminium).

Prosessen, som er utviklet, vil produsere silisium på samme måte som den 130 år gamle aluminiumprosessen (Hall-Héroult-prosessen). Energiforbruket ved produksjonen av aluminium (ca. 12 kWh/kg) er omtrent den samme som for silisium.

Elektrolysecellen, som nå skal produserer silisium, og noe aluminium (eg. aluminium-silisium legeringer) som biprodukt, konstrueres som en modifisert aluminiumsovn.

Det produseres ca. 20 mill tonn aluminium per år i verden. 10-20 mill tonn årlig produksjon av solcellesilisium er nok til å dekke verdens energiforbruk på 100.000 TWh. Det er også verdt å legge merke til at den årlige tilgjengelige solenergi er større enn alle fossile energireserver. En solcelle har en varighet på ca. 30 år.

Sol nok

Kostnadene ved tilvirkning av solceller for produksjon av elektrisk kraft er kr 2-4/kWh per år fra syd i Europa til nord. Folk er ikke klar over at solenergitilgangen er nokså jevnt fordelt mellom landene i verden.

En solcelle produserer strøm også ved diffust lys, ikke bare ved direkte sollys. Dessuten har solcellen høyere virkningsgrad i tempererte strøk enn i tropiske strøk.

Dersom arealet av solcellemodulene kan ekspandere til et areal på 25 ganger større størrelse enn de solkraftverk som nå er i drift (ca. 0,2 TWh/år), men som først er mulig ved nok råstoff, vil kostnaden reduseres med mer enn en faktor på fire. Dessuten vil en forbedret teknologi oppnås ved masseproduksjonen av antall solceller, nedsette kostnadene ytterligere med ekspensjonen gjennom alle ledd i kjeden fra råstoffproduksjon, via wafer, solcelletillaging, moduler og montering.

Til sammen anses disse kostadsreduksjonene at en pris på elkraft vil komme langt under dagens europeiske elkraftpriser, kanskje ned mot norske elkraftpriser, som i dag er på kr 0,37/kWh. Avgifter eller subsidier, regulert av de norske myndigheter, kan få betydning for produksjon i Norge først og fremst ved oppstart.

Kraftunderskudd, som Norge har i dag, fryktes å bli hele 10 TWh/år i løpet av 2005.

I nedbørfattige tider fryktes kraftunderskuddet å bli hele 25-30 TWh. Kraftforbruket er ca. 220 TWh i Norge, hvorav ca. 120 TWh kommer fra vannkraft. Vår eksport av olje og gass (fossil energi) utgjør 2300 TWh/år.

I USA planla en å bygge et solcellekraftverk på 220 TWh med et areal på 250 km2. Mangel på råstoff har lagt planene deres på is.

Foruten store solcellekraftverk er det også mulig å lage lokale mindre enheter av solcellemoduler på fasader og tak av hus, industribygg, støyskjermer for tog og veier.

Et norsk firma, SolarEnergy AS, i REC leier bort solcellepaneler i u-land. I det hele tatt er mulighetene mange hvis fantasien brukes. Solcellene er etter min mening et estetisk nydelig syn (Fig.3). Vi kjenner best til de små solcelleenheter, som det finnes over 100.000 av, installert på hytter og fritidshus rundt omkring i landet.

Fig. 3: Solceller som støyskjerm langs vei i Sveits.

Natriumsulfat (Na 2SO 4) som produseres i prosessen, er et meget interessant biprodukt. Dette kan kanskje brukes som elektrolytt i forbindelse med hydrogenproduksjon fra vann.

I Fig.4 vises et bilde av hvordan solceller kan produsere strøm, strømmen produserer hydrogen (H 2) og oksygen (O 2) i en elektrolysør, og hydrogenet og oksygenet forbrennes i en brenselcelle og produserer mekanisk energi i en motor.

Fig. 4: Funksjonelle, nye fornybare energikilder bestående av solceller, elektrolyserør, brenselcelle og et mekanisk drivverk koblet i serie.

Hydrogenet som produseres fra strømmen til solcellen, produseres i dette tilfelle som en ny fornybart brensel fra vann, i motsetning til ikke-fornybart hydrogen som kan produseres fra olje og gass.

Hydrogen-elektrolysøren kan tenkes stå plassert sammen med solcellen på en tilsvarende "bensin"-stasjon med de tjenester den bringer.

Brenselcellene har den fordel fremfor de vanlige forbrenningsmotorene at de er forurensningsfri. Brenselcellen virker ved lav temperatur i motsetning til forbrenningsmotoren. Brenselcellen, som her antydes, forbrenner H 2 + O 2 og gir H 2O uten nitrogenoksider (NO x), uten karbondioksid (CO 2) og uten lett fordampende bensinrester (VOC), som stammer fra normal eksos. Derfor unngås klimagassen CO 2 og bakkenært ozon (O 3) som er vel kjent i "smog" over byer.

Bruk av brenselceller medfører derfor ikke bare en miljøgevinst, men også en helsegevinst.

I Johannesburg lanserte EUs miljøkommissær Margot Wallström et initiativ til koalisjon for fornybar energi. Koalisjonen skal innføre en tidsplan og minstemål for bruk av fornybar energi, som gjelder bl.a. bruk av hydrogen og brenselceller i kombinasjon.

På solcelleseminaret i Trondheim arrangert av NTNU og SINTEF 27-28. august ble det holdt en rekke opplysende foredrag.

Den interessante foredragsserien med deltagere, deres presentasjoner og sammendrag er lagt ut på nettet: (*)

*Web-siden til JRS forteller om solcellesilisiumets kvalitet og kostnad og mer om prosessen.
*Professor Knut Sandvik, NTNU/geologi, innehar et opplysende sammendrag om ressurser, og om kvartsens nødvendige kvalitet når den kommersielle karbotermiske silisiumprosessen sammenlignes med elektrolyse.
*Arkitekt Inger Andresen, SINTEF, viser i sin presentasjon mange bilder av bygninger bekledd med praktiske løsninger og estetiske virkemidler av solcellepaneler på bygningene.
*Dr. stud. Harald Miland, IFE og SINTEF, presenterte sitt prosjekt om bruk av solceller til produksjon av hydrogen fra vann i elektrolysør og som skal brukes som råstoff til brenselceller. Se også Fig. 4.
*Elkem Solar er i statig fremgang og viser etterspørsel av solcellesilisium, mulige alternative produksjonsmetoder av solcellesilisium, deres kostnader, deres fosfor og borproblematikk i silisium. Vi savnet deres status mhp på metallforurensninger som titan og jern i silisium som har betydning for solcellens nytteeffekt.

Det kan oppsummeres angående JRS-prosessen at den har en høy produksjonshastighet på lik linje med aluminiumproduksjon, at den har et relativt lavt energiforbruk, er en enkel faststoff/væske prosess og som igjen innebærer lave kostnader for prosessen.

Folk har stilt spørsmål om andre silisiumprosesser vil kunne konkurrere med den nye silisiumprosessen siden den beslektede Hall-Héroult-prosessen for produksjon av aluminium har eksistert uten konkurranse i 130 år.

Siden energien som produserer aluminium er omtrent den samme som ved produksjon av silisium, er det da sannsynlig at en annen prosess som vi antyder, kan konkurrere med denne prosessen ("The Missing Link") på produksjonskapasitet og kvalitet for å lage og så eksportere solcellesilisium i så stort monn til u- og i-land i fremtiden?

Vi ser prosjektet nær knyttet til Den norske Stats mål for miljø og bærekraftig utvikling.

Vi håper også å vise gjennom denne artikkelen at Staten nå må ta ansvar for å følge opp det den har satset på via grunnforskningen på prosjektet gjennom midlene fra SVO, NFR, SND og HiO, slik at solcellesilisiumet ser livets rett og ikke stopper opp, etter at dette kapitelet i forskningen er avsluttet.

Hva kan EUs nye regelverk bety for innføring av fornybar energi for Norge som eksportland for olje og gass?

Undertegnede tror at en mulig eksplosiv produksjon av solceller vil ha en positiv effekt på næringsutvikling offshore som onshore. Dog kan det ta tid å bygge opp hele solcellekjeden i den målestokk vi her antyder dersom mulig utbygging av "det manglende mellomledd" ikke tas alvorlig.

For å komme i gang med produksjonen antydes en investering på 8 mill Euro til pilotprosjektet. Vi anser at etter to år med pilotforsøk, vil prosessen være klar for multiplisering av enheter og produksjon.

Søkeord: "solSi"