Napelem (fotovoltaikus) rendszerek - az európai PV Platform stratégiai kutatási tervének összefoglalása - A környezetbarát, megújuló energiatermelés igen elegáns módja a napsugárzás közvetlenül villamos energiává történő átalakítása. Az ezzel foglalkozó tudományág a fényelektromosság-tan (angolul photovoltaics, rövidítve PV). A PV technológia jellemzően moduláris, csendes működésű, ezért sokhelyütt alkalmazható és jelentősen hozzájárulhat jövőbeli energiaigényeink kielégítéséhez. Bár a piacon már jelenleg is elérhetőek és széles körben használatosak megbízható napelemes rendszerek, ahhoz, hogy meghatározó energia-forrásá válhassanak elengedhetetlen a technológia továbbfejlesztése. Csúcsidőben már jelenlegi árukon is versenyképesek a PV rendszerek a hagyományos hálózati forrásokkal, vagy pl. a független dízel-generátorokkal, de még nem rivalizálhatnak a fogyasztói vagy nagybani árampiaci árakkal. A végfelhasználói árak jelentős csökkentésére van tehát szükség és szerencsére lehetőség is. Erre mutatott rá a Photovoltaic Technology Research Advisory Council (PV TRAC) 2005-ben kiadott A Vision for Photovoltaic Technology tanulmánya, amelyre ebben a dokumentumban (szerk: a teljes hosszúságú angol verzióban) is többször hivatkozni fogunk. További fejlesztések azért is szükségesek, hogy az európai PV ipar képes legyen megtartani és erősíteni globális piaci pozícióit, hiszen azt igen erős verseny és gyors innováció jellemzi. A PV terület fejlődése, előrehaladása szempontjából a kutatás-fejlesztés (K+F) döntő fontosságú. A megfelelően kiválasztott témákban végzett közös kutatások jelentős szerepet játszhatnak a szükséges kritikus tömeg és hatékonyság elérésében, amik a szektor technológiai és versenyképességi ambícióit segítik. Ez az elgondolás vezette az Európai PV Technológiai Platformot arra, hogy elkészítse a Stratégiai kutatási tervet (Strategic Research Agenda - SRA). Az SRA az EU FP7 program alapját képezheti, de használható a tagállamokban illetve tagállamok közötti kutatási programok koordinációjának elősegítésére is. Az alábbi táblázat az SRA fő céljait összegzi, kerekített, tájékoztató értékekkel. 1. táblázat 1980 Ma 2015 2030 Hosszútávon várható telepítés teljes költsége (2006. évi értéken, /Wp) fenntartási költség (2006. évi értéken, /kwh) kereskedelemben elérhető sík napelem-modulok maximális hatásfoka (%) kereskedelemben elérhető koncentrátor-modulok hatásfoka (%) beruházás megtérülésének várható ideje (év) >30 5 2.5 1 0.5 >2 0.30 0.15 versenyképes kisker. ár 0.06 versenyképes nagyker. ár 0.03 max. 8% max. 15% max. 20% max. 25% max. 40% (~10%) max. 25% max. 30% max. 40% max. 60% >10 2 1 0.5 0.25 2008.12.12. 1
A jelenlegi PV rendszer árak ~4 és ~8 /Wp között mozognak attól függően, hogy milyen típusról van szó (háztetőre illeszthető, épületbe integrált, földre telepített stb.) és természetesen függ a PV rendszer méretétől, országtól és egyéb tényezőktől is. Az 5 /Wp ár azonban jellemzőnek tekinthető. Ehhez hasonlóan 2015-ben az árak várhatóan ~2 és ~4 /Wp körül várhatóak. Minden árat a 2007-es árakhoz viszonyítva adtunk meg. A kulcsra-kész rendszerek árából származatott energiaár számos feltételezésen alapul, eszerint: A teljesítmény átlagosan 75%-os, vagyis egy 1000 kwh/m2/év besugárzási területre tervezett rendszer teljesítménye várhatóan 750 kwh/kwp/év. Dél- Európában ahol az éves napsugárzás tipikusan 1700 kwh/m2/év, ez a teljesítmény-arány 1275 kwh/kwp/év-et eredményez A rendszer árának 1%-t minden évben működtetésre és karbantartásra fordítják A rendszert 25 év alatt írjuk le 4%-os árcsökkentési arány Rövidtávú K+F cél az hogy a PV elektromos áram árai összehasonlíthatóak legyenek a kisfogyasztók fogyasztói elektromos áram áraival 2015-ig, Dél-Európában. A 2015 utáni folyamatos árcsökkentés 2020-ra valószínűleg Európa többi országában is éreztetni fogja hasonló hatását. Ezek az energiahálózati rendszerbe kapcsolt PV rendszerekre igaz, ahol az árak összehasonlíthatóak. Azoknál a nagyobb rendszereknél és a földre telepített naperőművi rendszereknél, melyek függetlenek, a végfogyasztók rendszereihez nem kapcsoltak hozzá szükséges hogy alacsonyabb áron termeljék az áramot, mielőtt hagyományos energiatermelő/továbbító hálózatra kapcsolják ezeket. Ahhoz hogy ezeket a célokat elérjük az SRA az alábbi területeken fogalmaz meg K+F célokat, szempontokat: PV cellák és modulok: - anyagok - átalakítási módszerek és eszközök - gyártás és összeszerelés Balance of System (BoS): - rendszer elemek és üzembe helyezés - anyagok bevezetése - üzemeltetés és karbantartás koncentrátor rendszerek környezet(védelmi) minőség használhatóság a PV társadalmi-gazdasági szempontjai A PV technológiának elég széles spektrumát lehet a kereskedelemben és labor körülmények között megtalálni. Nem állítható hogy ezek közül a technológiai megoldások közül bármelyik vesztes vagy győztes lenne. Ezt mi sem bizonyítja jobban mint hogy a beruházások és a termelési kapacitás világszerte számos különböző technológiai megoldáson alapul, és a laboratóriumi fejlesztéseknek is jelentős 2008.12.12. 2
kereskedelmi potenciálja van. Éppen ezért fontos hogy ne csak egy kiválasztott megoldás típusok további fejlesztését segítsük elő, hanem egy széles spektrumét. A PV fejlesztése legjobb esetben úgy képzelhető el hogy a különböző lehetőségeket meg kell vizsgálni és az alábbi kritériumok szerint választani kell közülük: mi az a mérték, amellyel a kutatási pályázat hozzájárulhat a rögzített végleges célok elérésében a kutatási pályázat minősége és a kutatásba bevont konzorcium vagy kutatócsoportok erőssége A PV cellákat és modulokat tekintve elkülönítjük a jelenleg is használt technológiákat (wafer-bázisú kristályos szilícium, vékonyréteg, vékonyréteg CIGSS és vékonyréteg CdTe bevonat) valamint a feljövőben lévő és újdonságnak számító technológiákat (a jelenlegi technológiák újabb megoldásait, organikus alapú PV, átmeneti sávú félvezetőket, hő-továbbító eszközöket, spektrum konvertereket) (?) Meg kell jegyezni, hogy a PV elektromos generátorok árán felül az általa termelt elektromos áram értéke is fontos. Az utóbbi értékét tovább lehet növelni például tárolással a PV termelés és elektromos áram iránti igény felmerülése közötti összehangolás igénye miatt. A kutatás-fejlesztési irányok címszavait az alábbiakban foglaltuk össze, részletes leírás az Európai Stratégiai terv megfelelő fejezeteiben találtható. 1.1 Cellák és modulok 1.1.1 Az összes technológiát érintő kérdések Hatásfok, nyerhető energia, stabilitás és élettartam: Mivel a kutatásokat elsősorban arra fókuszálják, hogy a PV elektromosság árát csökkenteni lehessen fontos hogy ne elsősorban a beruházási költség ( /Wp) hanem inkább a gazdasági vagy technikai élettartam alatt kinyerhető energiára (kwh/wp) összpontosítsanak. Magas termelékenységű gyártás, beleértve a folyamatmonitorozást és ellenőrzést. A teljesítmény és a hozam fontos paraméterek a költséghatékony (olcsó) termelésben és fontos ahhoz, hogy a költségcélokat elérjék Környezeti fenntarthatóság A gyártás energia és anyag igénye éppen úgy mint az újrafelhasználhatóság fontos paramétere a termék összességében vett környezetbarát minőségének. Alkalmazhatóság A PV modulok fizikai valamint elektronikai jellemzőit érintő bizonyos fokú szabványosítása és harmonizációja fontos ahhoz, hogy a PV üzembe állításának a költségeit le lehessen szorítani. Az egyszerű üzembeállítás és a rendszerek/modulok esztétikai megjelenése is fontos, ha az ember alkotta környezetben nagy mennyiségben akarjuk felhasználni 1.1.2 Wafer (Si egykristályos) technológia A szilícium és egyéb anyagok speciális felhasználásának csökkentése (g/wp) a végtermékben 2008.12.12. 3
Új és továbbfejlesztettet szilícium betáplálási/felviteli és wafer (vagy wafer egyenértékű) megmunkálási technológiák, az ár, érték és minőség megfontolásával. Új megnövekedett hatásfokú eszközök (cellák és modulok) Új és továbbfejlesztett anyagok a teljes folyamatban beleértve a a beágyazást (felület bevonat képzést) Nagy-teljesítményű, nagy hozamú integrált ipari termelés Biztonságos, a környezetre kis hatással bíró gyártás Hosszútávon új és integrált eszköz megoldások (cellák/modulok) 1.1.3 Már létező vékonyréteg technológiák 1.1.3.1 Általános kérdések Megbízható költséghatékony gyártó-berendezések minden technológiához Olcsó csomagolási megoldások mind a merev mind a flexibilis modulok esetében Olcsó vezető oxidok (transparent conductive?) TCC A termékek megbizgatósága: továbbfejlesztett és javított modultesztelés és teljesítmény bevizsgálás Hulladék-kezelés, beleértve az anyagok újrafelhasználását Olyan ritka anyagok esetében, mint pl. az indium helyettesítő anyagot találni 1.1.3.2 Vékonyréteg szilícium (TFSi) napelem A mikro/nanokristályos szilícium cellák olcsó nagyméretű vákuumos előállítási módszereinek és gyártási eszközeinek kifejlesztése. A plazma és az eszközök valamint a felvitt réteg közötti kölcsönhatást és teljesen ki kell küszöbölni. Specifikus magas minőségű olcsó áttetsző vezető oxidok, mely modulok nagy teljesítmény-leadásra alkalmasak (12%-nál nagyobb hatásfokúak) Nagy hatásfokú TFSi eszközök fejlesztése (olyanokat értünk ez alatt aminek a laboratóriumi körülmények között nagyobb mint 15%), az anyagok tulajdonságainak és az interfészek jobb megértése elsősorban a fényelnyelés és a vékonyréteg szilícium elméleti teljesítmény korlátainak eltérképezése 1.1.3.3 Réz- -indium/gallium-diszelén/diszulfid (CIGSS)vékonyréteg napelem A teljes gyártási folyamat során az elérhető teljesítmény hatékonyságának növelése, az eszközök szabványosítása. 15%-nál nagyobb hatásfokú felhasználható modulok fejlesztése az eszköz fizikájának mélyebb megértésével, valamint laboratóriumi körülmények között 20%-os hatásfok elérése, demonstrációja Alternatív vagy módosított anyagösszetétel illetve olyan gyártási alternatívák mint a tekercsre nyomtatható (roll-to-roll) és kombinált, nem vákuumos bevonat képzési módszerek Nagy megbízhatóságú és alacsony költségű csomagolás az anyagkölcség csökkentésére 1.1.3.4 Cadmium telluride (CdTe) Alternatív aktivációs/hőkezelési és hátoldali csatlakozási módszerek alkalmazása egyszerűbb, gyorsabb eszközök és jobb teljesítmény érdekében Új eljárások vékonyabb CdTe rétegek előállítására 2008.12.12. 4
Az anyagok és interfészek jobb (alapkutatási) megismerése és ennek segítségével nagy hatásfok elérése (laboratóriumban 20% feletti 1.1.4 Fejlődő és újszerű technológiák 1.1.4.1 Fejlődő technológiák A cellák és modulok hatékonyságának és stabilitásának növelése az első kereskedelmi célú alkalmazásokhoz szükséges szint eléréséhez Tokozási (Encapsulation) anyagok és eljárások, melyek speciálisan a cellák technológiájának ezen családjához kapcsolódnak Termelési koncepciók és első generációs gyártástechnológia 1.1.4.2 Újszerű technológiák Új konverziós alapelvek és új eszközök működésének/működtetésének alapelvei Gyártási, karakterizációs és modellezési kérdések elsősorban a nanostruktúrák (anyagok és eszközök) tekintetében: a morfológiai és opto-elektronikai tulajdonságok mélyebb megértésével (elméleti és gyakorlati eszközök fejlesztését is beleértve) A hozzáadott hatásfok növelők (spektrum konverterek) lehetséges hatásának gyakorlati demonstrációja 1.1.5 Koncentrátor technológiák 1.1.5.1 Anyagok és alkotóegységek Optikai rendszerek megbízható, hosszútávon használható, stabil és alacsony költségű megoldásokat találni sík és konkáv tükrökre, valamint Fresnel lencsékre és ezek kombinációira másodlagos koncentrátorokkal Modul összeszerelés a koncentrátor cellák és optikai elemek nagy precizitású összeszereléséhez szükséges anyagok és szerelési technológiák, melyek hosszútávon is stabil, alacsony költségen és teljesen automatizáltan képesek működni Követés- Olyan megoldásokat, szerkezeteket előállítani, melyek mind méretét tekintve, teljesítmény-felvételét, stabilitását, merevségét és anyagfelhasználását tekintve optimalizáltak. 1.1.5.2 Eszközök és hatásfok A koncentrátor napcellák esetében olyan anyagokat és gyártási technológiákat kifejleszteni, amelyeknek igen magas hatásfoka van pl. Si cellák esetében 26% feletti, többkomponensű (multi-junction III-V-compound cells) cellák esetén 35% feletti gyártási és 45% feletti laboratóriumi hatásfokkal rendelkeznek. Megtalálni az optimális koncentrátor faktort minden egyes technológiára. 1.1.5.3 Gyártás és üzembe helyezés Optimalizált formát, gyártási és tesztelési eljárásokat találni az rendszer komponensek integrálására, új módszereket az integrálásra, kültéri (terepi) tesztelésre és a koncentrátor PV rendszerek költségbecslésre. 2008.12.12. 5
1.2 Balance-of-System ( BoS ) components and PV systems Fontos hogy jobban megértsük a BoS komponensek hatását a rendszerek bekerülési költségére és árára. A BoS rendszerek ára változó, egyrészt a rendszer típusától függ és legalábbis jelenleg- függ attól is, hogy melyik országban állítják üzembe, hiszen ez hatással van arra hogy a BoS ára eléri-e célértéket vagy nem. Jelen beszámoló a BoS-ra vonatkozó hatástanulmányt használta fel arra, hogy a PV technológia 2030-ig terjedő időszakára részleteiben kvantifikálja a költségcsökkentésében rejlő lehetőségeket (1. táblázat) Az inverterek élettartamának és megbízhatóságának növelése A komponensek méretének és élettartamának harmonizálása A modularitás növelése annak érdekében, hogy csökkentsék az üzembe helyezés helyéhez kapcsolódó költségeket és a rendszer élettartama alatt a cseréket A különböző rendszer-konfigurációjú PV rendszerek hozzáadott értékének megállapítása és optimalizálása Az elektromos rendszerek stabilitásának fenntartásához működő koncepciók kidolgozása magas PV penetráció esetén Olyan rendszer komponensek kidolgozása, melyek növelik a multi funkcionalitást és/vagy minimalizálják a veszteséget Elszigetelt és hibrid PV rendszerek komponenseinek és rendszerkoncepciójának fejlesztése A BoS kutatások magukban kellene, hogy foglalják a kis és nagyméretű alkalmazásokhoz tartozó energiatárolási technológiákat és a hatásos és megbízható rendszer management és szabályozási technológiákat is 1.3 Szabványok, minőségbiztosítás, biztonság és környezeti hatások A PV modulok, PV épület szerkezetek, PV inverterek és AC modulok teljesítményének, energia arányának és biztonsági szabványainak meghatározása Azonos szabályozások a villamos rendszerhez csatlakozáshoz egész Európában A teljes értékadási lánc minőségbiztosítási irányelveinek meghatározása A PV elemek újrafelhasználásának és újrahasznosításának költséghatékony és működő infrastruktúráját kidolgozni, különös tekintettel a vékonyfilmekre és BoS komponensekre. A vékonyréteg, koncentrátor és BoS komponensekre vonatkozó rövidtávú valamint az új cella/modul technológiákra vonatkozó hosszú távú élettartam költségek elemzése 1.4 Társadalmi-gazdasági hatások és a kutatások engedélyezése felmérni és jellemezni a PV szektor nem technológiai (szociális, gazdasági, környezeti) jellegű előnyeit és hátrányait A PV nagymértékű felhasználását lehetővé tévő szabályozási követelmények és korlátok kidolgozása. 2008.12.12. 6
megalapozni azt a tudásbázist, ami a PV-hez és a kapcsolódó iparága számára szükségesek a 2030-ig terjedő időszakra és terveket készíteni az ellátására/fenntartására. Az általános társadalmi és a megcélzott kereskedelmi szektor megnövekedett figyelmére megfelelő (kommunikációs?) terveket kidolgozni. Azokban az országokban, ahol az FP7-es program fut ezt a stratégiai tervet kellene hogy referenciaként használják akkor amikor új K+F programokat írnak ki vagy a régieket módosítják. A fent részletezett kutatási prioritásokat a saját nemzeti környezetükre alkalmazva (nemzeti K+F prioritások, erősségek, az ipar jelenléte) a hazai/közösségi K+F forrásokat az SRA ajánlásai szerint úgy kellene, hogy felhasználják, hogy összességében az európai napenergia technológia szektor hasznára váljon. A PV napenergia egy olyan technológia, amely igen sokféle termékben használható, az igen kisméretű önálló vidéki felhasználástól az épületbe integrált hálózatra kötött rendszereken át, a nagyméretű erőművekig mindenütt. A napenergia rendszerek a jövőben igen nagyban hozzájárulnak a globális energiatermeléshez és kulcskérdés lesz a jövő zöld energia ellátó rendszerek szempontjából is. A PV szektor gyors növekedése gazdasági lehetőségeket biztosít Európa számára, melyeket most kell megragadni, vagy egyébként a világ másik régiói számára engedjük át. Az elkövetkező évek meghatározóak lesznek az Európai PV ipar jövőbeli szerepét illetően. 2008.12.12. 7