Om solceller

Kan solceller bli et norsk eksportprodukt?

Skrevet av Georg Hagen, Institutt for materialteknologi, NTNU

Etterspørselen etter solceller har vist en kraftig vekst gjennom de siste ti årene og ligger i dag på 20-25% per år. Flere selskaper er etablert i Norge og er i ferd med å bli betydelige produsenter av materialer for verdens solcelleindustri. Men hvorfor skal vi produsere solceller i Norge, og kan solceller løse verdens behov for energi?

Kan solceller dekke våre energibehov?

Elektrisk energi fra solceller utgjør en forsvinnende liten del av dagens energiforsyning, men vil bli en viktig del av fremtidens miljøvennlige energisystem mot midten av dette hundreåret. Solinnstrålingen til jorden i løpet av et år tilsvarer ca 15000 ganger hele verdens årlige energiforbruk. Faktisk kan en dekke hele verdens energibehov ved "bare" å belegge ca 0.1% av verdens ørkenområder med solceller. Solenergien er gratis og noenlunde jevnt fordelt over jordkloden. I Sahara er innstrålt solenergi ca 2500 kWh/m2 per år mot ca 700-1100 kWh/m2 per år i Norge. (Altså bare en faktor på 2,5-3 lavere i Norge.) En fotovoltaisk (PV) solcelle omdanner 15% av solenergien til elektrisk energi. Dersom hele Norges el-produksjon (1995) på ca 123 TWh skulle dekkes med strøm fra solceller måtte en dekke et areal på ca 900 km2, tilsvarende 0,3% av Norges landareal (eller 2x Oslo). Det er altså fysisk mulig å dekke hele Norges energiforbruk med strøm fra solceller, men det er selvsagt ikke hverken nødvendig eller ønskelig. Norge har innstallert ca 80000 solcelleanlegg bl.a. på hytter og i fyrlykter langs kysten, men de største markedene i verden ligger nok under sydligere himmelstrøk. Likevel er det ikke utenkelig å dekke f.eks. 1% av el-forbruket i Norge fra solceller? Noe som ville tilsvare et solcelleareal på ca 9 km2, eller 90000 hustak på 100 m2. (Med hele verdens årlige solcelleproduksjon på ca 300 MW (i 2000) ville imidlertid denne utbyggingen ta hele 6 år dersom alle solcellene ble innstallert i Norge!). Solceller kan altså (i prinsippet) dekke verdens energibehov. Men hva koster denne energien? Kan en produsere nok solceller? Og hvordan skal energien lagres?

Energilagring?

Et problem med solceller er at den elektriske energien må brukes med en gang eller lagres på et eller annet vis for senere bruk. Energilagringen foregår idag stort sett i batterier. Imidlertid, dersom en skal lagre større mengder elektrisk energi fra solceller må andre lagringsmedier med større kapasitet tas i bruk. F.eks. kan en produsere hydrogen ved elektrolyse av vann. Ved å benytte hydrogen som drivstoff i en forbrenningsmotor eller som energibærer i en brenselcelle kan kjemisk bundet energi i hydrogen (sammen med oksygen fra luften) omdannes til elektrisk energi ved behov (med bare vann som utslipp). En annen metode for energilagring er å selge el-energien fra ditt solcelleanlegg til det lokale e-verket. Energilagringen kan da f.eks. foregå i kraftverkets vannmagasiner. I Tyskland har myndighetene innført regler som pålegger e-verkene å kjøpe fornybar energi fra forbrukerne til en pris av 0,99 DM (ca 4 kr) per kWh. Kanskje en ide for Norge? Dersom hydrogen skal benyttes som energibærer i mobile systemer (bil, båter, fly) så er dette problematisk siden hydrogen er en gass (ved vanlig trykk og temperatur). Lagringsproblemet for hydrogen er ikke løst idag, men en kan se for seg systemer med lagring av hydrogen under høye trykk (200-300 bar), nedkjølt som flytende hydrogen eller lagring i andre materialer som metallhydrider og karbonmaterialer.

Hva koster strømmen fra solceller?

Den innstrålte effekten i sollyset til jordens atmosfære er ca 1,35 kW/m2. Effekten ved jordoverflaten er avhengig av hvor en er på kloden og solforholdene. Ved havoverflaten er effekten redusert til ca 1 kW/m2. Effekten for en solcelle angis ofte som kWp. Dette betyr at solcellen (ved 25 oC) gir ut 1 kW (topp, eng. peak (p)) effekt dersom innstrålt solenenergi har en effekt på 1 kW/m2. Mens en i Italia kan regne med at en solcelle med en installert topp effekt på 1 kWp vil kunne produsere 1300 kWh per år, så vil en i Norge bare kunne oppnå mellom 600 og 1000 kWh per år.

Det kreves mye energi for å fremstille silisium (Si) fra kvarts (sand) (SiO2). I Norge tilføres denne energien som elektrisk energi fra vannkraft. En utbredt missoppfatning blant mange er imidlertid at en solcelle (av silisium) ikke klarer å omvandle like mye energi fra solen som gikk med til fremstillingen av solcellen. Dette er ikke tilfelle, da energitilbakebetalingstiden kun er 2-4 år for Si-solceller. En solcelle har en levetid på minst 30 år (kanskje mer). Dette betyr at solcellen produserer ren, elektrisk energi, uten skadelige utslipp, fra gratis solenergi i minst 25-30 år. Vedlikeholdet av solcellesystemet går mer på utskifting av batterier og kontakter enn på selve solcellen.

Figur 1
Figur 1. Skjematisk oppbygning av en solcelle basert på bor- og fosfor-dopet silisium.

En solcelle består i hovedsak av en tynn skive (engelsk: wafer) av silisium (se figur 1). En del av skiven (ca 0,3 mm tykk) er tilsatt små mengder av grunnstoffet B og betegnes som p-dopet. En annen del av Si-skiven er n-dopet med små tilsatser av grunnstoffet fosfor (P). I tillegg er det lagt på et antireflekterende bellegg (f.eks. av silisiumnitrid) og strømførende metalliske kontakter (aluminium). En solcelle er typisk 100 cm2 og gir (ved belysning) ut en maksimal spenning på 0,6 V og en strømstyrke på 3 A i fullt solskinn. Vanligvis koples disse små cellene sammen i større enheter (moduler/paneler, for å oppnå høyere spenning og strøm) som igjen settes sammen til et solcellesystem hvor en har koplet solcellepanelet til et batteri eller et el-nett.

Prisen på en solcellemodul angis ofte som kr/kWp som viser hvor mye en må betale for en gitt topp-effekt og ligger idag på ca 4 $/Wp (ca 40 kr/Wp). For et solcellesystem (med energilagring, montering, etc.) vil prisen kunne bli på ca 7 $/Wp (ca 70 kr/Wp). Dersom en regner med at en solcellemodul på 1kWp effekt kan produsere 900 kWh per år i Norge, så vil strømprisen fra en slik modul tilsvare ca 1,5 kr/kWh hvis levetiden for cellen er 30 år. Med 70 kr/kWp vil et solcellesystem gi en strømpris på 2,6 kr/kWh. Denne (forenklete) beregningen gjelder bare om en ser bort fra lånekostnader (renter) til investeringer i anlegget, samt vedlikehold (utskifting av batterier etc.). Strøm fra solceller er altså ca 10 ganger for høy i forhold til vanlige norske strømpriser. Mange steder er imidlertid strøm fra solceller allerede lønnsomt hvor avstanden til nærmeste offentlige strømnett er stor.

Som tilfellet er for de fleste varer, så faller prisene også på solceller etter som produktvolumet øker. Fra 1980 til 2000 har verdensproduksjonen av solcellemoduler blitt 30-doblet (til ca 300 MWp i 2000), mens prisen har sunket med en faktor på 5 fra rundt 200 kr/Wp i 1980 til 40 kr/Wp i 2000. Det er all grunn til å tro at prisene på solceller vil fortsette å synke etter som produksjonsprossesene blir mindre kostnadskrevende, samtidig som solcellene blir mer effektive (over 15% virkningsgrad) og materialbruken reduseres (tynne filmer av Si).

Hva er det som driver solcellemarkedet?

I volum er solcellemarkedet svært lite, tilsvarende ca 300 MWp/år i 2000. Men veksten er svært stor og forventes å være på 20-25% i de kommende årene. Interessen for fornybar energi er økende hos forbrukerne (frykt for drivhuseffekt og miljøforurensninger), samtidig som prisen på strøm fra solceller faller og er i enkelte områder i verden konkurransedyktig med andre energisystemer (strøm fra dieselaggregat etc.). Den store veksten i solcellmarkedet skyldes også for en stor del offentlige tiltak i en del land som USA, Japan og en rekke land i EU. I USA innførte Clinton-administrasjonen "1 million solar roofs initiative", mens EU og Japan har tilsvarende mål for innføring av solceller i energiforsyningen. Solcelleindustrien er allerede en milliardindustri, og med en årsvekst på over 20% er markedet i ferd med å bli interessant for mange investorer. Oljeselskapene kaller seg idag gjerne for energiselskaper og noen selskaper som BP og Shell fremhever solceller i selskapsprofilen. BP er faktisk verdens største solcelleprodusent. Kanskje noe å tenke på for Statoil og Norsk Hydro?

Hvorfor skal vi lage solceller i Norge?

Størsteparten av dagens solcellemarked er basert på solceller av silisium. Norge (Elkem) er en av verdens største produsenter av silisium med såkalt metallurgisk kvalitet (MG-Si), dvs. med en renhet på ca 99,6 % Si som benyttes som legeringselement og til en rekke kjemiske produkter som blant annet silikoner. MG-Si er ikke rent nok til å benyttes i solceller. En del MG-Si gjennomgår ( i utlandet) en omfattende, energikrevende og kostbar kjemisk rensing til et ekstremt rent silisiummateriale som betegnes som elektronikk kvalitet (EG-Si) (eller polysilicon). I dette materialet er det mindre enn ett atom forurensninger blant en million Si-atomer. Mens MG-Si på verdensmarkedet selges til en pris rundt 10 kr/kg ligger prisen på EG-Si på 500-600 kr/kg. EG-Si lages (ennå) ikke i Norge. Solcelleindustrien er i dag basert på innkjøp av rester (skrapmateriale) fra elektronikkindustrien til en pris på 200-250 kr/kg. Imidlertid, mens verdensmarkedet for solceller viser en årlig vekst på 20-25% så er veksten i elektronikkindustrien bare på 10%. Dette er nå i ferd med å føre til et underskudd i tilførselen av "billig" skrapmateriale fra elektronikkindustrien og er idag en alvorlig hindring for veksten i solcellemarkedet. Silisium som benyttes i solceller behøver ikke være så rent som EG-Si. En renhet på ca 99.999-99.9999 Si vil være tilstrekkelig. I dag er det (ennå) ingen industrielle prosesser som er innrettet spesielt for produksjon av silisium med solcellekvalitet (SoG-Si), men en rekke industriselskaper og forskningsinstitusjoner forsøker å utvikle en slik prosess. Dette er også et forskningsfelt (gjennom prosjektet "Fra sand til solceller") som NTNU og SINTEF sammen med norsk industri (Elkem, ScanWafer, Solar Silicon) arbeider med, støttet av industrien, Norges Forskningsråd, Næringslivets Idefond for NTNU og SINTEF.

Figur 2
Figur 2. "Fra sand til solceller" er et forskningsprosjekt ved NTNU og SINTEF som utføres i nært samarbeid med Norges Forskningsråd og norsk industri som dekker hele verdikjeden fra råvarer til ferdig solcelleprodukt

Det norske selskapet Solar Silicon AS har planer om å produsere SoG-Si for verdensmarkedet til en pris på under 20 $/kg. ScanWafer AS som ble etablert i Glomfjord i 1994 (med rikelig tilgang på vannkraft) er allerede blant verdens ledende produsenter av Si-skiver for solcelleindustrien med en årsomsetning på 80 mill. kr i 2000, økende til 250 mill. kr i 2001. Bemanningen forventes å øke fra 50 i 2000 til 100 i 2001. Produktet er solgt før det blir produsert og ordrereserven er på ca 2 milliarder kr. Ennå lages det ikke solceller i Norge, men i løpet av 2001/2002 blir selskapet ScanCell AS etablert i Narvik og vil produsere solceller med Si-skiver fra ScanWafer AS. Solcellene skal settes sammen til større enheter (moduler) i ScanModule AS som ennå er på planleggingsstadiet, mens selskapet SolEnergy allerede er etablert i Sør-Afrika og skal sørge for at det komplette solcellesystemet kommer frem til forbrukerne.

Silisiumindustrien i Norge (Elkem) er allerede verdensledende. Norge kan også bli verdensledende på fremstilling av solcellematerialer og solcelleprodukter. Ren norsk vannkraft kan på denne måten bidra til å frembringe en energiteknologi for verdensmarkedet som omvandler gratis solenergi til nyttig elektrisk energi uten forurensninger! Men for å lykkes kreves det en kraftig satsing fra norske myndigheter på forskning og utvikling kombinert med en rekke insentiver for å ta i bruk solceller som en del av et distribuert, fornybart energisystem. Solceller kunne også gjerne være en integrert del av norsk utviklingshjelp?

Svein Sunde

Faglig dokument på engelsk om solceller. Fra Rita Glenne, firmaet REC.