En framtid full av sol?

Egil Krystad, stipendiat ved institutt for materialteknologi, NTNU

Sommeren nærmer seg slutten, og vi nordboere må igjen innstille oss på kaldere dager. Selv har jeg tilbrakt hele sommeren i gamlelandet, og den eneste langturen gikk til Lofoten – et sted man må bruke ullgenseren merkverdig mye i løpet av juli til tross for at sola skinner nesten døgnet rundt. Og som forsker innenfor solenergi er det lett å la tankene vandre. For hvordan ville det egentlig vært om solenergi var i mer utstrakt bruk her til lands? Ville sol som energikilde egentlig kunnet spilt en rolle i energiforsyningen? Hadde vi kanskje kunnet utnytte sola skikkelig bare i noen måneder hvert år? Og er det stor forskjell på å bruke solceller i regntunge Bergen imot for eksempel på det solfylte Sørlandet? Disse spørsmålene er det ikke bare jeg som har stilt meg, men også mange huseiere rundt om i landet, og antakelig i større grad etter hvert som prisene på solanlegg fortsetter å synke slik de har gjort de siste åra. I starten av 2020 måtte man ut med 4.5 euro pr watt (så et dugelig anlegg på 2 kW ville kostet 9000 euro, sett bort fra montering og omformere) – allerede i 2020 hadde prisen blitt halvert, og den synker fortsatt.

Enn så lenge er likevel problemstillingen om hvorvidt solceller er lønnsomt for en privatperson i Norge veldig enkel: Svaret er stort sett nei. Vi er velsignet med å kunne hente billig kraft ut fra vassdragene våre. Og er det noe Norge er dekket av, er det vel heller vann enn sol. Heller ikke finnes det noen systematisk rabatt og innarbeidet ordning som gir gjenytelse for ubrukt solstrøm som mates inn på nettet. Ennå. Og til sist kan vi ta med at selve installasjonen i de aller fleste tilfeller blir voldsomt dyr fordi vi ikke har noe etablert miljø med montører og veldig få bedrifter som konkurrerer. Dette siste er mer en ond sirkel som jeg selv har tro på at vi vil kunne komme oss ut av. Og når dét skjer, er det mye som kan løsne.

Hvilken fremtid vi kan få når det først løsner, fikk jeg høre et eksempel på fra min mor da hun fortalte om sin sommerferie i år. Hun hadde vært en tur i Danmark, hos noen slektninger av oss som bor cirka midt på Jylland og driver gård. Faren på bruket, Knud, var veldig stolt, for de hadde nettopp gjort en viktig investering som ville gi dem store besparelser mange tiår framover. De hadde satt opp et solcelleanlegg ute på åkeren. Fra anlegget kommer Knud til å samle inn halvparten av energien han trenger, minst 30 år fram i tid, og med minimale kostnader til service og reparasjoner sammenliknet med om han skulle installert en privat vindmølle, som jo også er en strømkilde danskene har blitt veldig flinke på. Alt tyder på at solcellene er de nye vindmøllene.

Knuds kone foran det nye solanlegget.

Danmark fylles altså opp med store mengder solenergi. Dette har ikke så mye med nivået av solinnstråling å gjøre, for det er ganske labert sammenliknet med sydligere breddegrader. Hovedsakelig bunner det i at generelle strømpriser i landet ligger oppunder 2 kr per kWh, som kanskje har gjort danskene mer ivrig på å være på utkikk etter nye energikilder enn vi er her oppe. Og nå som solcelleprisene har falt betraktelig de siste åra har de altså virkelig våknet og brettet opp ermene. Nå er de i stand til å montere et solanlegg raskere enn du kan si kartoffel. Bare i løpet av 2020 foregikk det en eksplosjon i antall installasjoner i Danmark, som endte i en tidobling av antallet solanlegg innen mai 2020. Tidoblet kapasitet i løpet av 16 måneder! Det er ikke uvanlig å høre prognoser om at hele Danmark vil forsynes utelukkende av sol og vind innen kort tid. Så det er unektelig en spennende tid å være en del av solindustrien.

I mitt doktorgradsarbeid driver jeg med å kartlegge kjemiske data innenfor en produksjonsprosess for solcellesilisium. Silisium, Si, er et grunnstoff som utgjør grunnlaget for 90 % av solceller produsert i verden i dag. Som du kanskje vet er det helt umulig å lage en solcelle basert på silisium hvis ikke metallet har et veldig lavt innhold av andre elementer, eller urenheter. Disse stammer fra silisiumprosessens råvarer (kull og kvarts) og nivået av dem må reduseres før metallet kan smeltes om og skjæres opp i skiver. Mange metoder finnes for å rense (raffinere) silisium. Den rensemetoden jeg forsker på kalles slaggraffinering, en velkjent måte å fjerne urenheter innenfor metallurgien som utføres mens silisiumet er i flytende (smeltet) tilstand. Også andre metallurgiske metoder kan gagne silisiumets renhet, og kombinert kan man oppnå en prosesslinje som reduserer innholdet av uønskede grunnstoffer fra silisiumet så det blir rent nok. Innen solindustri har metallurgiske metoder imidlertid ikke vært særlig populære, noe som først begynte å endre seg rundt årtusenskiftet.

Den rådende metoden for å klargjøre silisiumet for solcelleproduksjon har vært Siemensprosessen, en veldig godt etablert og ganske kompleks måte å gjøre ”skittent” silisium omtrent fritt for urenheter. Også andre avarter har dukket opp, blant annet REC som har hatt suksess i lang tid med sin ”fluidized bed”-metode. Men uansett er disse metodene, som alle består i at silisium i form av klorforbindelser føres inn i gassreaktorer under høye temperaturer og trykk, dyre og omstendelige. Nå har Siemensprosessen og dens ”familie” fått hard konkurranse fra de metallurgiske metodene og forhåpentligvis vil vi kunne fortsette å senke kostnadene på raffinering ved hjelp av slike metoder. Og det er ikke små energibesparelser vi snakker om her. Prosessen med å fjerne urenheter fra ett kilo av det silisiumet som kommer fra smelteverket, krever minst 150 kWh ved bruk av Siemensprosessen. Man har vist at man kan framskaffe et tilfredsstillende produkt ved hjelp av metallurgiske metoder med mindre enn 50 kWh pr kg. Ett års produksjon av solsilisium kan ligge på 5000 tonn ved en middels stor fabrikk. Litt regning viser oss dermed at vi sparer 100 kWh per kg eller 500 GWh på ett år, det vil si det samlede energiforbruket til én million lyspærer på 60 W.

Mange aspekter taler for å gå over fra Siemensprosessen til metallurgisk raffinering. Vi kan jo starte med å slå fast at det er langt billigere. Og som kjent, money talks; prisen på det ferdige produktet er i mange tilfeller alt som betyr noe. Riktignok vil kvaliteten på metallet også kunne variere, men dette avhenger mye av prosesskontroll og hvor flink man er til å stille gode anslag på råvarenes renhetsgrad fra begynnelsen av prosesslinja. I tillegg er det en fordel at man kan gjennomføre metallurgisk raffinering helt uten bruk av giftige klorgasser og andre ulumskheter, som er tilfellet når man bruker kjemiske metoder. Hva som vil skje på disse feltene framover, er ikke lett å spå noe om. I alle tilfeller må fokuset innen forskningen opprettholdes, både på de etablerte prosessene og nye rariteter som måtte dukke opp. Kanskje vil man finne en revolusjonerende snarvei som gjør Siemensprosessen til kongen på haugen igjen; kanskje vil noe tilsvarende skje med metallurgisk raffinering. Det eneste som er helt sikkert at vi ennå ikke har funnet den perfekte måten å lage solcellesilisium på.

Og for å vende tilbake til spørsmålene om Norge og solenergi: Framtida vil kunne ha utrolig mye solceller å by på også for oss trege og regntunge nordmenn, utviklingen i Danmark tatt i betraktning. Vi befinner oss tross alt ikke så fryktelig langt unna dem geografisk, og teknologien blir som nevnt stadig billigere og bedre. Etter hvert vil det også bli stadig flere som er i stand til å krabbe opp på norske hustak og fikse 30 år med fornybar strøm, og flere huseiere som etterspør det. Men det gjelder å løfte blikket.

Referanser:

”2020-målfor solenergi nås i år” Information.dk, september 2020.

“Retail Price Summary - March 2020 Update” Solarbuzz.

”Silicon Materials and Devices R&D” NREL (National Renewable Energy Lab.).

J.O.Odden, G.Halvorsen, H.Rong, R.Gløckner. Comparison of the energy consumption in different production processes for solar grade silicon. Trans. Silicon for the chem. and solar industry, Oslo, 2020.