Februari 2011 Projectteam Zon op Nederland, onder begeleiding van Berenschot
Zon op Nederland Roadmap 2011 - 2015
Roadmap Zon op Nederland Een roadmap voor het solar ecosysteem van Nederland naar een wereldwijd (uit)stralende topregio
Projectteam “Zon op Nederland” onder begeleiding van Berenschot Februari 2011
5
Inhoud 1. Inleiding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.1 1.2 1.3 1.4
Waarom een Roadmap? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Doelstelling en resultaat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Doelgroep project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Werkwijze en ketenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2. Samenvatting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7
Roadmap: hoofdlijnen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Markttrends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Technologietrends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Ecosysteemtrends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Verdienmodellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Actieterreinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 SWOT van het Nederlandse ecosysteem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3. Roadmap: Van kansen naar successen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6
Groeipotentieel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Roadmap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Marktkansen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Ecosystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Marktbenadering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Ondersteuning: focus en massa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4. Markt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1 Marktkenmerken wereldwijd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2 De markt gekwantificeerd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.3 Overzicht van Product-Markt-Combinaties voor PV systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.4 Kansrijke PMCs voor de Nederlandse industrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.5 Eisen aan de PMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.6 Technologieroutes per PMC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.7 Specifieke kenmerken van PV in de Gebouwde Omgeving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.8 Specifieke kenmerken van PV in Kassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.9 Specifieke kenmerken van PV in Automotive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.10 Specifieke kenmerken van productietechnologie van PV systemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.11 Ontwikkelingen en groeikansen in productietechnologie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6
5. Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.1 Onderscheidende technologieën . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.2 Conclusies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 5.3 Materiaaltechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.4 Celtechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.5 Productietechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.6 Productietechnologie: globale ontwikkelingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 5.7 Systeemtechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 5.8 Belangrijkste doorbraken technologieontwikkelingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 6. Concurrentie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7
Overzicht ecosystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Afzet van Solar PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 PV productie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 PV-technologie en de verdeling naar ecosystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Onderlinge verhoudingen 2010 & 2015 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Kansen voor Nederland per ecosysteem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Conclusies van de analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7. Focusgebieden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 7.1 F1: Zonnecelgebouw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 F2: Zonnecelkas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 F3: Dunne film PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 F4 & F5: Geavanceerde wafergebaseerde PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5 F6: Roll-to-roll processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.6 F7: Printtechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.7 F8: Depositietechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.8 F9 & F10: Geavanceerde encapsulatie (barrièrelagen en nieuwe materialen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.9 F11 & F12: In-line inspectie en kwaliteitsbeheersing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.10 F13: Green processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.11 F14: Materialenonderzoek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.12 F15: Productieapparatuur voor dunne film PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.13 F16: Productieapparatuur voor wafergebaseerde PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
101 103 105 107 110 112 113 114 116 118 119 121 123
8. Werkwijze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 9. Betrokkenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 9.1 Partners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 9.2 Externen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 10. Begrippen- en afkortingenlijst
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
129
11. Literatuurlijst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
7
1. Inleiding 1.1 Waarom een Roadmap? De markt voor duurzame energie groeit wereldwijd al vele jaren met dubbele cijfers. Op dit moment is die groei nog sterk afhankelijk van maatregelen voor marktstimulering in een groot aantal landen, maar naar verwachting zal de markt het binnen tien jaar gaan redden zonder zulke stimuleringsprogramma’s. Zonne-energie en vooral zonnestroom (fotovoltaïsche omzetting of wel PV; in dit document “solar PV” genoemd) neemt binnen de duurzame-energietechnologieën een bijzondere plaats in. Met solar PV wordt licht in één stap omgezet in elektriciteit. Met zonnestroom kan de mensheid in principe voorzien in al zijn energiebehoeften, het potentieel is vrijwel onbeperkt, en solar PV kan overal op aarde worden gebruikt. Solar PV systemen zijn geschikt voor zeer veel verschillende toepassingen doordat ze modulair kunnen worden opgebouwd: van kleine autonome systemen voor consumentenproducten en huizen in afgelegen gebieden, via middelgrote netgekoppelde systemen geïntegreerd in gebouwen, taluds en dergelijke, tot grote netgekoppelde centrales. Kortom, van milliwatts tot gigawatts met één bouwsteen: de zonnecel, of nauwkeuriger gezegd: het zonnepaneel (ook module genoemd). De prijzen van PV-systemen zijn de afgelopen decennia, vooral de afgelopen jaren, sterk gedaald. Als gevolg daarvan is zonnestroom nu voor sommige toepassingen en in sommige landen al concurrerend. De International Energy Agency (IEA) verwacht dat PV in de periode tot 2020 in grote delen van de wereld concurrerend zal worden op het niveau van consumentenprijzen (“grid parity”). Tussen 2020 en 2030 wordt zonnestroom concurrerend op de markt voor grootgebruikers, en men verwacht dat op de lange termijn PV zal kunnen concurreren met vrijwel alle andere opties voor elektriciteitsproductie, zie figuur 1.
8
Figuur 1. Kosten en concurrentiepositie van zonnestroom (bron: IEA PV Roadmap, 2010).
Vrijwel iedereen verwacht dat de wereldmarkt voor solar PV de komende tientallen jaren sterk zal blijven groeien, waardoor een economische sector van enorme omvang ontstaat. Om een indruk te geven: de markt voor solar PV systemen bedroeg in 2010 meer dan 15 gigawatt-piek (GWp), met een geschatte waarde van ruim 50 miljard Euro. In 2020 zal dit naar verwachting zijn toegenomen tot 50-100 GWp of zelfs meer, met een waarde van 75-150 miljard Euro, en dat is nog maar het begin. Het is duidelijk dat deze markt enorme kansen biedt voor landen met hoogwaardige technologie. Het aantal banen in de mondiale Solar PV
Annual Photovoltaic Installations [Mwp]
sector bedraagt nu ruwweg drie- tot vierhonderdduizend. 8000 Spain Rest of Europe United States Rest of the world Germany Japan
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
Figuur 2. Wereldmarkt voor solar PV systemen (bron: PV Status Report 2010).
Het Nederlandse bedrijfsleven is zich steeds meer bewust van deze kansen; een paar sterke spelers opereren al op de wereldmarkt. Om te kunnen meegroeien in deze zeer competitieve sector is het echter absoluut noodzakelijk, krachten te bundelen op het gebied van kennis- en technologieontwikkeling, en strategische keuzes te maken binnen de
9
vele product-marktcombinaties (PMC’s) die de solar PV sector kent. Alleen dan is succesvolle concurrentie met het buitenland mogelijk. Daarbij moeten de regionale en nationale sterktes optimaal worden benut om een sterk solar PV “ecosysteem” te bouwen, dat wil zeggen: een combinatie van sterke punten die ieder voor zich, maar vooral door hun combinatie, een eigen positie op de wereldmarkt hebben. Het totaal aantal banen in de Nederlandse Solar PV sector bedraagt op dit moment ongeveer tweeduizend en kan in de loop van dit decennium verveelvoudigen. De omzet van het bijbehorende Nederlandse bedrijfsleven wordt in 2010 geschat op ongeveer één miljard Euro en kan in de komende vijf jaar groeien naar twee à drie miljard Euro. Deze Roadmap geeft een overzicht van de Nederlandse, Europese en mondiale ontwikkelingen op het gebied van solar PV, in termen van technologie, spelers en internationale concurrentie, producten en marktsegmenten. Op basis van SWOT-analyses (strengths, weaknesses, opportunities and threats) hebben wij PMC’s gedefinieerd die voor het bedrijfsleven goede kansen bieden. Bij goede benutting van deze kansen zal de solar PV sector bijdragen aan het ontstaan van meer en nieuwe bedrijvigheid in de hightech-industrie. We schetsen ook hoe deze PMC’s een belangrijk aandeel kunnen hebben in de transitie naar een duurzame energiehuishouding.
1.2 Doelstelling en resultaat Wereldwijd is er grote aandacht voor duurzame energieopwekking, en zonne-energie speelt daarin een primaire rol. Zonne-energie zal op wereldschaal een grote drijvende economische kracht worden waarvan we in Nederland het bestaande ecosysteem willen versterken en uitbreiden. Dit ecosysteem willen we met deze roadmap kracht bijzetten: we inventariseren en analyseren alle facetten van deze sector in hun onderlinge samenhang en met de conclusies van dit onderzoek richten wij de sector op kansen op succes. Nederland moet hiermee het ecosysteem kunnen versterken en een rol van internationale betekenis kunnen (gaan) spelen. Samenwerking is van wezenlijk belang. Nederland heeft een hoogwaardige technologische uitgangspositie met vele netwerken, zowel regionaal als mondiaal. Wij kunnen aanhaken bij de huidige groei in de markt en op deelgebieden het voortouw nemen. Analyse van deze markt op het gebied van technologieontwikkeling, productontwikkeling, applicatieontwerp, productiemiddelen en dienstverlening leidt tot conclusies over de gewenste richting van ontwikkeling op zowel de korte als de middellange termijn.
10
De sterkten van de partijen in Nederland moeten hier bij passen. Het hoofddoel van het project is het verwerven van inzicht in technologieën, markten en strategieën, zodat we daarmee direct aan de slag kunnen gaan bij het creëren en versterken van een Nederlands Solar ecosysteem.
Doelstellingen: De doelstelling van deze Roadmap is het creëren van een Nederlands Solar ecosysteem waarbij de volledige supply chain betrokken is en dat zich richt op de juiste kansen in de markt. Om beter zicht te krijgen op vorm en inhoud van dit ecosysteem houden we ons in dit rapport bezig met de volgende onderwerpen: • Marktoverzicht: Nederlandse, Europese en mondiale ontwikkelingen op het gebied van Solar PV producten en diensten; • Concurrentieoverzicht: relatieve posities en sterkten van andere Solar ecosystemen die de markt bedienen; • Technologieoverzicht: technologische ontwikkelingen op het gebied van materialen, processen, cellen, modules & andere componenten en systemen; • Ecosysteem: opbouwen van een samenhangende infrastructuur op het gebied van kennis-, technologieen businessontwikkeling voor het succesvol aangaan van de internationale concurrentie; • Zichtbaarheid: zorgen dat het Nederlandse ecosysteem en de individuele spelers bekend zijn in de mondiale markt; • Borging: bedrijfsstrategieën aanpassen en richten op belangrijke focusgebieden om succes ook op langere termijn mogelijk te maken; • Roadmap: leidraad voor het benutten van kansen op het gebied van productiemiddelen, producten & toepassingen en kennis- en technologieontwikkeling.
De in het project te ontwikkelen bedrijfsstrategieën moeten leiden tot sterke hightech (MKB) bedrijven die proactief meedenken en opereren, die robuuste proces- en productkwaliteit leveren, die flexibel opereren in een wereldwijde markt, en die zich onderscheiden op het gebied van productiviteit, kostprijsreductie en innovatiekracht. De resultaten van de roadmap zullen input geven voor de te ontwikkelen bedrijfsstrategieën van de hightech (MKB) partners.
1.3 Doelgroep project De primair uitvoerende partners in het roadmapproject zijn zowel bedrijven als kennisinstellingen. Hieronder zijn MKB’s, zoals Beltech, Chematronics, CCM, Meco Equipment Engineers, Minase Consulting en Sioux Technologies. Er zijn de grotere high-tech MKB-bedrijven, zoals OTB Solar, NTS-Group, TMC, OM&T en Solland Solar. Daarnaast nemen ook de kennisinstellingen TNO, TU/e, en ECN en de branchevereniging Holland Solar deel aan dit project. Deze partners zijn op diverse posities in de keten actief, uiteenlopend van onderzoek & ontwikkeling, ontwerp, engineering en productie tot assemblage en testen.
11
Het is nadrukkelijk de bedoeling om de Solar community uit te breiden met nieuwe spelers. Tijdens het roadmappingproces hebben daarom partijen die niet tot de bekende huidige groep behoren meegedaan aan de workshops; ook bij de vertaling naar vervolgprojecten worden andere bedrijven en kennisinstellingen, ook uit andere applicatiesectoren, nadrukkelijk ingeschakeld.
1.4 Werkwijze en ketenanalyse Kansen voor de spelers in het ecosysteem (o.a. bedrijven en onderzoeksinstellingen) kunnen worden gevonden in alle onderdelen van de waardeketen, zie figuur 3. Een kans is altijd een combinatie van een product (of dienst) en een markt (PMC). Enkele voorbeelden ter illustratie: het assembleren van procesapparatuur voor zonnecelfabrikanten, het leveren van nieuwe technologie (door onderzoeksinstellingen) aan PV-fabrikanten, het produceren van zonnefolies voor fabrikanten van PV-bouwelementen, het leveren van financiële diensten aan projectontwikkelaars en het installeren en onderhouden van PV-systemen voor particuliere eigenaars. Product-marktcombinaties (PMC’s)
R&D, marktkansen en -vragen
Nieuwe technologiën Fabricage van cellen & modules en andere componenten
Nieuwe applicaties Systeembouw en -integratie
Nieuwe businessmodellen Electriciteitsproductie
Materialen, processen en productiemiddelen
Methoden en technieken, combinaties van functies
Concepten voor financieringen bedrijf
Concurrenten Figuur 3: Waardeketen van PV met daarin mogelijkheden en kansen voor PMC’s.
Ontmanteling en hergebruik
12
Het is belangrijk om een duidelijk onderscheid te maken tussen de volgende in dit document gebruikte termen: zz
Technologie: uitvoeringsvorm van zonnecellen, modules en andere systeemcomponenten (inclusief bijbehorende benodigde materialen, productiemachines, etc.);
zz
Applicatie: toepassingsvorm van PV-elementen (kan wel of niet direct verbonden zijn met de uitvoeringsvorm);
zz
Businessmodel: methode om de investering in de applicatie terug te verdienen en winst te maken;
zz
Product-Markt Combinatie: combinatie van een product of dienst en afnemers daarvan.
In deze Roadmap ligt de nadruk op kansen in de onderdelen Technologieën en Applicaties. Om succesvol te kunnen opereren op de internationale markt moeten partijen in het Nederlandse Solar ecosysteem geavanceerde, concurrerende producten kunnen leveren. Daarvoor zijn onderzoek en technologieontwikkeling essentieel. Deze zijn onderverdeeld in thema’s en ontwikkelingsaspecten, zie tabel 1 (met een nadere uitwerking in onder meer hoofdstukken 3 en 7). Richtingen
Hoofdgebieden
Thema’s
Ontwikkelingsaspecten
Applicaties
Gebouwde omgeving en infrastructuur: geïntegreerde PV-systemen
• PV bouwelementen & esthetica • Intelligentie en functies op elementniveau
Tuinbouwsector: PV in kassen
• Integratie • Combinatie van functies (optimale belichting)
Vervoersector:Solar vehicles
• Integratie in ontwerp • Combinatie met E-auto
Materialen
• Kosten en levensduur • Duurzame alternatieven
Processen
• Hoge doorvoersnelheden en opbrengst (incl. roll-to-roll) • In-line inspectie en kwaliteitsbeheersing
Cellen
• Hoge rendementen • Architecturen: wafergebaseerd en dunne films
Modules
• Levensduur • Architecturen: glasgebaseerd en folie
Integrale duurzaamheid
• Reductie van materiaal- en energiegebruik • Design for recycling en hergebruik
Nationale samenwerking
• Nationaal kennisinstituut: Solliance • Groei- en actieplan industrie (“Topgebied PV”)
Internationale samenwerking
• Europa: o.m. Duitsland en België; • Wereld: o.m. China, VS en India
Financiering
• Innovatieve modellen, met commerciële partijen • Condities, met overheden
Product- en productietechnologie
Randvoorwaarden Ecosysteem
Tabel 1: Roadmap voor de periode 2011 - 2015
13
In deze roadmap worden de wereldwijd concurrerende ecosystemen in kaart gebracht en gekarakteriseerd. Deze ecosystemen bevatten alle onderdelen die een PV-keten nodig heeft. Dat betekent dat zowel Kennis, Kunde als Kassa aanwezig zijn. Het Nederlandse ecosysteem heeft op dit moment vooral een sterke positie in de machinebouw. De bedrijven verenigd in het High Tech Systems Platform hebben een gezamenlijke omzet in geproduceerde machines, systemen en modules van circa 30 miljard Euro. De Solar-gerelateerde omzet binnen dit volume groeit, en bedroeg in 2010 1 miljard Euro, waarvan de helft in machines voor de productie van PV-cellen en modules. In die zin vertoont de PV-markt voor Nederland gelijkenis met de halfgeleiderindustrie. Ook daar wordt een groot deel van de omzet gemaakt door de verkoop van productiemachines (ASML, ASMI, ALSI), naast het produceren van de halfgeleiders zelf (NXP). Bij de marktanalyse wordt ook bekeken welke PMC’s interessant zijn voor het Nederlandse ecosysteem: zowel de huidige PMC’s als PMC’s met kansen voor het Nederlandse ecosysteem, gebaseerd op sterke competenties. In de technologieanalyse wordt voor deze geselecteerde PMC’s een overzicht gegeven van de aanwezige of nog te ontwikkelen kundes. In de roadmap worden marktgegevens, technologieanalyses en karakteristieken van concurrerende ecosystemen gecombineerd om de route voor het Nederlandse ecosysteem uit te stippelen. De nadruk ligt daarbij voor de industrie op de eerste 5 jaar, maar voor de onderzoekinstellingen is er ook een doorkijk naar 2020 en daarna, zodat de concurrentiepositie ook op langere termijn gewaarborgd kan worden.
Technologiescan
Concurrentieanalyse
Tijd
Marktanalyse
Synthese: Roadmap
Aanpak, projectdefinities en strategievorming Figuur 4: Ontwikkeling van de Roadmap voor het Nederlandse Solar ecosysteem.
15
2. Samenvatting 2.1 Roadmap: hoofdlijnen Het Nederlandse Solar PV ecosysteem verdubbelde in 2010 de omzet naar 1 miljard euro, waarvan de helft behaald door de sterke machinebouwers, en met belangrijke bijdragen van cel- en moduleleveranciers, en contractresearch van instellingen zoals ECN. Vaak zijn de successen behaald op individuele basis, waarbij steeds meer handel wordt gedreven met opkomende productiegrootmachten als China (in de toekomst naar verwachting ook India en Brazilië). Om dit succes voort te zetten en verder uit te bouwen moeten Nederlandse bedrijven, zo is inmiddels duidelijk geworden, samen optrekken. Door samenwerking kan het Nederlandse ecosysteem business genereren in bijvoorbeeld applicatieontwikkeling (als gebouwgebonden installaties), en vooral ook in productiesystemen en nieuwe cel- en module-ontwerpen. Het kunnen sluiten van de gehele kennisketen in de thuismarkt is een groot voordeel: ontwikkelingen verlopen daardoor sneller en beter dan in concurrerende landen. Dat betekent dat iedere ketenstap goed in de thuismarkt gewaarborgd moet worden, zodat iedere individuele speler in de markt kan profiteren van de nabijheid van deze omringende kennis en kunde. Op drie hoofdgebieden moeten acties worden ingezet om voor Nederland kansrijke PMC’s te ontwikkelen, zie tabel 2. NL & Global roadmap
Wereldwijde trend
Actie voor NL-ecosysteem
Applicaties
• Grid parity wordt binnen 3 jaar bereikt voor consumenten • Marktgroei is >40% per jaar • Toenemende variëteit in toepassingen
• PV-bouwelementen ontwikkelen en relatie leggen met intelligente net • Combinaties met kassen en automotive • Autonome toepassingen
Technologie
• Wafer silicium: mono- en multikristallijn • Dunne-film technologieën: Si, CdTe, CIGS • Opkomende technologieën: CPV, OPV
• Nieuwe productiemiddelen en -processen • Nieuwe celtechnologieën & materialen • Integratie van modules en systemen
Ecosystemen
• Duitsland en Japan bezig met strategische heroriëntatie • China (en Taiwan) sterk en groeiend • USA en Korea komen eraan
• Samenwerken met Duitsland en USA • Verbinden met China (India, Brazilië) • Kennis en kunde verbinden: NL proeffabricageketen
Tabel 2: Nederlandse en wereldwijde trends en acties voor het Nederlandse ecosysteem.
Op hoofdlijnen zal het Nederlandse ecosysteem meegaan in de wereldwijd bekende trends in marktontwikkelingen in technologie, en concurrentieverhoudingen met andere ecosystemen. Het Nederlandse ecosysteem zal zich kunnen ontwikkelen op een aantal sterke onderdelen als de technologische kennisbasis, het nationale machinebouwcluster en de
16
hightechsector, en profiteren van goed opgebouwde clusters in sectoren als tuinbouw en automotive.
2.2 Markttrends De eindmarkt van PV-solar (systemen) laat wereldwijd een groei zien van meer dan 40% per jaar. Als een logisch gevolg daarvan groeit ook de productiecapaciteit voor cellen, modules en andere componenten en voor materialen en productieapparatuur. China en andere groeilanden in massaproductie kopen daarbij vaak productieapparatuur in Europa, vooral ook van de Nederlandse machinebouwers als OTB Solar, Smit Ovens en Tempress. Om kansrijke en concurrerende producten te ontwikkelen is gebruik van de sterke eigenschappen van de Nederlandse industrie essentieel. Gebouwgebonden installaties voor opwekking van PV-elektriciteit in modulaire bouwelementen op gevels, daken, ramen, glasoverkappingen e.d. vragen om nauwe samenwerking met de gehele bouwsector. Dat geldt ook voor PV in de hallen- en stallenbouw. De wereldwijd bekende en sterke Nederlandse tuinbouw biedt mogelijkheden om PV te combineren met selectieve belichting van gewassen waardoor er een hoger groeirendement ontstaat. Dit sluit aan bij de “groene kas”, die minder of helemaal geen fossiele energie gebruikt of zelfs energie produceert. Automotive is als toeleversector in Nederland goed vertegenwoordigd en PV-solar daken voor auto’s leveren goede kansen, die bovendien verbreed kunnen worden naar de jachtenbouw. De op voer- en vaartuig opgewekte elektriciteit heeft een hogere waarde dan de elektriciteit in een huishouden, waardoor zulke systemen ook een hogere kostprijs mogen hebben. Van oudsher is ook de maritieme sector sterk in Nederland, wat goede aanknopingspunten levert. PV-solar applicaties zullen zich verder uitbreiden naar andere sectoren waarbij de variatie in toepassingen zal toenemen. PV zal geleidelijk voor iedereen een vertrouwde en graag gebruikte techniek worden.
2.3 Technologietrends Om PV-producten te kunnen ontwikkelen en produceren is een aantal basiselementen nodig. Uiteraard spelen de cellen en modules (of halffabricaten zoals laminaten) en de fabricage daarvan een essentiële rol, maar er is meer nodig om tot complete toepassingen te komen. De tendens bij de cellen en modules is –misschien niet verrassend- naar hogere rendementen, lagere kosten per eenheid geproduceerd vermogen,
17
integratie in het eindproduct, grotere variëteit aan technologieën, (nog) langere levensduur, hogere betrouwbaarheid en integrale duurzaamheid (volledig “groene” technologie). De sterke groei van de kristallijn-silicium technologie is belangrijk voor de Nederlandse PV-sector, omdat bijna alle onderdelen van de betreffende waardeketen in het Nederlandse PV-cluster vertegenwoordigd zijn. Nederlandse bedrijven zijn bovendien in internationaal verband sterk innovatief. De waarde van individuele onderdelen wordt zeker bij die innovaties sterk bepaald door onderlinge samenhang in het geheel van de keten. Met andere woorden: vernieuwingen hebben meestal technologische en organisatorische consequenties voor meerdere delen of zelfs voor het geheel. Alle onderdelen van de keten, inclusief productie van materialen, het ontwikkelen en produceren van cellen en modules, hebben er daarom belang bij dat in het Nederlandse ecosysteem de hele keten is vertegenwoordigd. Het Nederlandse cluster zal zich in het verlengde hiervan gaan richten op de volgende hoofdthema’s: zz
Platforms voor (proces)technologieontwikkeling: geavanceerde processen voor de fabricage van cellen, modules en andere PV-toepassingsvormen en materialen. Behalve productiviteit en prestaties spelen ook integrale duurzaamheid en veiligheid een belangrijke rol.
zz
Platforms voor apparatuurontwikkeling: voor zowel wafer-gebaseerde cel- en moduletechnologie als voor dunne-film technologieën. Ook hier niet alleen aandacht voor productiviteit en prestaties, maar ook voor standaardisatie, duurzaamheid en veiligheid.
zz
Toepassing van PV-systemen, met toeleveranciers, installateurs en dienstverleners. Op dit moment nog vooral op basis van kristallijn-silicium technologie, op termijn ook op basis van flexibele en niet-flexibele dunne-film technologieën. Daarbij gaat het onder meer om bouwelementen en andere uitvoeringsvormen voor integratie, inclusief werkwijzen en certificeringen.
2.4 Ecosysteemtrends De perspectieven van de PV-markt, zowel vanuit het oogpunt van economie als van duurzaamheid, zijn zó groot dat er wereldwijd inmiddels een tiental grote ecosystemen is ontstaan. Meer ecosystemen zullen zich in
18
de loop van de tijd ontwikkelen, en het is duidelijk dat ieder ecosysteem een eigen karakteristieke samenstelling van competenties heeft. Duitsland beschikt over een compleet ecosysteem met zowel Kennis-, Kundeals Kassa-eigenschappen en met voldoende massa om in potentie lange tijd vooraanstaande producten en diensten te kunnen blijven leveren. Niettemin moet ook Duitsland zich constant reorganiseren en vernieuwen om het hoofd te bieden aan de felle concurrentie uit vooral Azië en de VS. De Duitse integrale aanpak is echter een aansprekend voorbeeld. Duurzame energie en vooral Solar wordt wereldwijd een grote economische sector, met uitstekende kansen voor Nederland om veel business te genereren. Nederland behoort op onderdelen bij de mondiale kopgroep. Om de kansen te grijpen in deze snel innoverende en zeer competitieve sector zijn samenwerking en versnelling noodzakelijk. Het opbouwen van een goed functionerend en op specifieke onderwerpen gericht Solar ecosysteem is daarvoor essentieel. Dit betekent zowel dat er gezocht moet worden naar kansen in de markt, als ook naar te ontwikkelen technologieën waarmee de concurrentiepositie van Nederland kan worden verbeterd. Op R&D-gebied is Nederland een internationale speler van formaat. Dit is een belangrijke randvoorwaarde om de Nederlandse industrie van toptechnologie te kunnen voorzien. Maar ook op dit gebied is de internationale concurrentie groot. Doel is de industrie laagdrempelig, snel, flexibel en efficiënt te kunnen bedienen. De kennis moet voor bedrijven eenvoudig toegankelijk zijn via van een kennisloket zonder wachtrij en met hulpvaardig en deskundig personeel achter de balie. Belangrijke aspecten zijn daarbij: zz
Effectief innoveren met meerdere partijen samen, optimaal benutten van expertises
zz
Flexibiliteit, samenwerking over disciplines en functies heen, en open innovatie
zz
Concentratie rond hot spots zoals Eindhoven en het uitbreiden van het Solliance-samenwerkingsverband
zz
De vorming van een “Solar ASML/NXP” mogelijk maken (op basis van de vele aanwezige kiemen)
Het Nederlandse ecosysteem moet zelf verder worden ontwikkeld om een compleet palet van kennis en kunde te creëren, zodat een breed scala aan nieuwe producten en processen snel kan worden ontwikkeld. Anderzijds moet Nederland samenwerken met al bestaande en goed uitgeruste ecosystemen, vooral Duitsland en België (denk aan kennisontwikkeling bij Imec). Het selecteren van ecosystemen waarmee wordt samengewerkt of juist niet, is belangrijk. Landen als Korea en Japan zijn vooralsnog
19
niet aantrekkelijk om mee samen te werken vanwege hun zelfstandig ingerichte en relatief gesloten ecosystemen. China (en Taiwan) staan echter meer open, bijvoorbeeld voor samenwerking bij kennisontwikkeling, inkoop van productieapparatuur en systeemapplicaties. Wij verwachten dat India, Brazilië en misschien ook Rusland en Zuid-Afrika op termijn (en op onderdelen) het voorbeeld van China zullen volgen.
2.5 Verdienmodellen De belangrijkste producten en diensten waarmee het Nederlandse ecosysteem omzet en winst maakt zijn: zz
Intellectual property (het resultaat van kennisen technologieontwikkeling)
zz
Materialen voor PV-productie
zz
(Productie van) PV-cellen en modules
zz
Overige PV-componenten (bijv. elektronica en constructie-elementen)
zz
PV-productieapparatuur
zz
(Engineering en installatie van) PV-systemen
zz
Projectontwikkeling en financiële dienstverlening
2.6 Actieterreinen Om de slag te maken van de huidige situatie naar een ecosysteem van wereldformaat moeten op drie hoofdterreinen acties worden genomen: zz
Applicaties
zz
Technologieën
zz
Organisatie (ontwikkeling van het ecosysteem zelf)
Om daaraan praktische invulling te kunnen geven zijn deze terreinen onderverdeeld in thema’s en focusgebieden. De uitvoering is een zaak van de sector als geheel: Solliance en andere R&D-spelers, industrie en overheid, waarbij elke partij zijn specifieke rol te spelen heeft. Overkoepelende programmering en het definiëren van concrete projecten rondom focusgebieden zijn de concrete uitvoeringsvormen.
2.7 SWOT van het Nederlandse ecosysteem De SWOT van het Nederlandse PV-cluster analyseert sterktes en zwaktes, kansen en bedreigingen. Sterktes en zwaktes zijn interne factoren waarop wij zelf invloed hebben. Kansen en bedreigingen zijn externe ontwikkelingen waaraan het Nederlandse PV cluster onderhevig is.
20
Sterk
Technologische kennis Machinebouwcluster Goed opgeleid personeel Handelsgeest Kennis en kunde applicaties
Kans
Productiemachines Componenten en concepten voor de gebouwde omgeving Synergie kassen en automotive Kennisexploitatie, samenwerking met andere ecosystemen
Zwak
Tot nu toe weinig PV-systemen geïnstalleerd Moeilijke toegang tot financiering Beperkte massa van de PV-sector
Bedreiging
Snelheid van andere ecosystemen wereldwijd Nederlandse ecosysteem incompleet Geen nationale agenda Geen marktstimulering
Figuur 4: SWOT analyse van het Nederlandse PV-ecosysteem.
Sterktes: zz
Het Nederlandse ecosysteem beschikt over een goede kennispositie. De kennisinstellingen, zoals universiteiten, ECN, FOM en TNO (incl. Holst) hebben internationaal erkende researchprogramma’s. Bedrijven werken intensief met de kennisinstellingen samen.
zz
Nederland heeft een sterk machinebouwcluster met een groot exportvolume.
zz
Personeel is goed opgeleid.
zz
Nederlandse PV bedrijven, vooral bedrijven die productieapparatuur ontwikkelen en produceren, zijn de laatste jaren sterk gegroeid. De export bedraagt gemiddeld 95% en er wordt samengewerkt met de grote toonaangevende Solar bedrijven.
zz
Door de intensieve samenwerking tussen kennisinstellingen en bedrijfsleven weten veel patenten de weg naar de markt te vinden. De Nederlandse PV sector beschikt over een complete keten. Het gaat daarbij om kennisontwikkeling, kennistoepassing en commercialisering, of populair gezegd: kennis, kunde, kassa!
Zwaktes: zz
De schaalgrootte van de sector is beperkt. Dit maakt de individuele bedrijven kwetsbaar.
zz
Toegang tot kapitaal is in Nederland beperkt. Door de heftige concurrentie zijn investeerders terughoudend om te investeren in PV bedrijven.
21
Kansen zz
Productiemachines. De Nederlandse machinebouwers hebben een wereldwijde reputatie op het gebied van productietechnologie. De markt voor productie-equipment groeit de laatste jaren met dubbele cijfers. De prognoses zijn ook zeer goed.
zz
De gebouwde omgeving biedt kansen voor BIPV. Dit is ook een marktsegment met hogere entreedrempels voor buitenlandse aanbieders, veroorzaakt door specifieke bouwvoorschriften per land.
zz
Nederland heeft een sterke positie in de tuinbouw. In de combinatie van PV en kassen ligt een mogelijkheid om een wereldwijd unieke positie op te bouwen.
zz
Naarmate de ontwikkelingen op het gebied van elektrisch vervoer sneller gaan, nemen de kansen voor PV in mobiele toepassingen toe.
zz
Kennisexploitatie. Het genereren van inkomsten door licentiering van kennis is een kans.
zz
Door samenwerking met andere ecosystemen kunnen krachten gebundeld worden.
Bedreigingen: zz
Andere internationale ecosystemen ontwikkelen zich snel en kunnen rekenen op actieve marktondersteuning en een actief industriebeleid.
zz
Incompleet NL-ecosysteem. Nederland dreigt een aantal belangrijke spelers te verliezen. Nuon Helianthos en Solland worden door hun aandeelhouders niet meer actief gesteund. Nieuwe initiatieven hebben moeite om financiering te vinden. Het Nederlandse PV cluster dreigt hierdoor waardevolle schakels in de keten te verliezen.
zz
Nederland kent (nog) geen actief innovatiebeleid voor het stimuleren van de industrie.
zz
Het ontbreken van een FIT (Feed in Tariff) of ander effectief systeem voor marktstimulering werkt ten nadele van de Nederlandse installatiesector.
23
3. Roadmap: Van kansen naar successen 3.1 Groeipotentieel De markt voor PV groeit al decennia bijzonder sterk met groeipercentages tussen de 25% en meer dan 50% per jaar. Omdat de PV-markt voorlopig nog geen principiële verzadigingspunten heeft is er bovendien een zeer gezond toekomstgroeiperspectief voor alle betrokken marktpartijen. Het betekent ook dat er naast het verkopen van bestaande producten veel ruimte is voor nieuwe initiatieven. Om een indruk te geven: in 2010 bedroeg de wereldwijde omzet in PV al circa 100 miljard Euro (nieuwe installaties, uitbreiding productiecapaciteit, etc.), en volgens sommige scenario’s zal de PV-industrie uitgroeien tot een van de belangrijkste technologiesectoren van de toekomst. De Nederlandse economie kan hiervan ook volop profiteren. We moeten echter overschakelen van het beeld “de boot niet missen” naar “onze kansen verzilveren”. Kansen zijn er namelijk legio en op zeer verschillende gebieden: van fabricage en productieapparatuur, via systeemintegratie in gebouwen en infrastructuur, tot knowhow en dienstverlening. Met deze roadmap willen wij richting geven om de kansen op succes te vergroten. Het Nederlandse PV-cluster moet zich internationaal sterk op de kaart zetten, en zich over een breder gebied ontwikkelen tot voorhoedespeler. De bekende succesfactoren voor innovatie zijn ook van toepassing op het Nederlandse PV-cluster: zz
Uitbouwen wat sterk is; parels laten groeien
zz
Strategische keuzes maken voor nieuwe sterktes; kiemen leggen voor de toekomst
zz
Economische kansen grijpen door samenwerking en synergie
In het proces van het “Zon op Nederland”-project zijn focusgebieden gekozen. Deze zijn gerangschikt naar: zz
Markten (beter gezegd PMC’s)
zz
Daarvoor vereiste technologische ontwikkelingen
zz
Relatie met andere ecosystemen in de wereld.
3.2 Roadmap De roadmap concentreert zich op potentiële marktapplicaties en nieuwe technologische ontwikkelingen. Analyse van de verwachte wereldwijde marktvraag en van de sterkten van het Nederlandse PV-cluster leidt tot
24
zicht op de meest kansrijke PMC’s. De Nederlandse PV-sector kent een lange geschiedenis, waarin een aantal “parels” zijn gevormd. De roadmap geeft aan hoe deze verder kunnen groeien en hoe Nederland de concurrerende ecosystemen voor kan blijven. Daarnaast identificeert de roadmap potentiële nieuwe parels, op basis van sterktes in de kennisinfrastructuur en/of voor Nederland van groot belang zijnde applicatiegebieden (zoals bijvoorbeeld duurzame glastuinbouw). Tabel 3 benoemt de bijbehorende focusgebieden (Fx) voor onderzoek en ontwikkeling. De focusgebieden zijn geselecteerd en gedefinieerd door experts, op basis van inhoudelijke discussies en ranking. Ze zijn in meer detail beschreven in Hoofdstuk 7. Het werk op de focusgebieden kan alleen efficiënt en effectief plaatsvinden als het Solar ecosysteem goed is ingericht; zie het onderste blok in de tabel. Richtingen
Hoofdgebieden
Thema’s
Bijbehorende Focusgebieden voor onderzoek en ontwikkeling (zie lijst hierna)
Applicaties
Gebouwde omgeving en infrastructuur: geïntegreerde PV-systemen
F1 + F3 + F4 + F5
Tuinbouwsector: PV in kassen
F2 + F3 + F4 + F5
Vervoersector:Solar vehicles
F3 + F4 + F5
Materialen
F14
Processen
F6 + F7 + F8 + F11 + F12 + F13 + F15 + F16
Cellen
F3+ F4 + F5 + F6 + F7 + F8
Modules
F6 + F9 + F10
Integrale duurzaamheid
F13 + F14
Nationale samenwerking
• Nationaal kennisinstituut: Solliance • Groei- en actieplan industrie (“Topgebied PV”)
Internationale samenwerking
• Europa: o.m. Duitsland en België; • Wereld: o.m. China, VS en India
Financiering
• Innovatieve modellen, met commerciële partijen • Condities, met overheden
Product- en productietechnologie
Randvoorwaarden Ecosysteem
Toepassingen van PV zz
F1 Zonnecelgebouw
zz
F2 Zonnecelkas
PV-technologieën zz
F3 Dunne-film PV
zz
F4 + F5 Geavanceerde wafergebaseerde PV (nieuwe architecturen en dunne wafers)
25
Technologieën voor PV zz
F6 Roll-to-roll processing
zz
F7 Printtechnologie
zz
F8 Depositietechnologie
zz
F9 + F10 Geavanceerde encapsulatie (barrièrelagen en nieuwe materialen)
zz
F11 + F12 In-line inspectie en kwaliteitsbeheersing
zz
F13 Green processing
zz
F14 Materialen
Productiemiddelen zz
F15 Productieapparatuur voor dunne-film PV
zz
F16 Productieapparatuur voor wafergebaseerde PV
3.3 Marktkansen 3.3.1 Geïntegreerde PV-systemen In de vele steden en dichtbevolkte gebieden van de wereld zijn geïntegreerde PV-systemen de toepassingsvorm bij uitstek. De meest voor de hand liggende vorm is gebouwintegratie, maar ook integratie in en om infrastructurele objecten zoals wegen, spoorlijnen, dijken, etc. is in potentie zeer veelbelovend. Het gaat in alle gevallen om meervoudig ruimtegebruik. Zonnepanelen worden nu meestal nog als toevoeging op bestaande daken geplaatst (Building Adapted PV, BAPV). BIPV (Building Integrated PV) gaat een stap verder, door de PV-functie te integreren in het dak of in andere gebouwelementen zoals gevels, ramen of deuren, inclusief de koppeling met het lokale elektriciteitssysteem en het openbare elektriciteitsnetwerk. De potentieel beschikbare oppervlakken in de gebouwde omgeving zijn enorm. Denk hierbij niet alleen aan (platte en hellende) daken en gevels, maar ook aan carports, zonneschermen, etc.. PV-panelen kunnen op de grond worden geplaatst als elektriciteitscentrales. Ook bij deze vrijstaande systemen zijn er nog veel mogelijkheden voor kostenbesparing, Dit onderwerp krijgt pas nu volop de aandacht omdat door de sterk dalende prijs van panelen de systeemkosten (Balance-of-System; BOS) een steeds belangrijkere rol gaan spelen. Een andere toepassing voor gebouwgebonden installaties is de “doe-het-zelf” variant waarbij kant en klare PV-systemen eenvoudig kunnen worden gemonteerd aan woningen en gebouwen.
Figuur 5: Voorbeelden uit de gebouwde omgeving met Building Adapted en Building Integrated PV.
26
3.3.2 Kassen Nederland is sterk in de agrarische sector en heeft een reputatie op het gebied van kassenbouw. De glastuinbouwsector is nu begonnen met een ontwikkeling gericht op de benutting van PV op de “normale” glazen kas. Op de wat langere termijn moet opwekking van elektriciteit met PV worden gecombineerd met geavanceerde gewasbelichtingssystemen. Zulke systemen leveren een optimale match tussen het lichtspectrum enerzijds en de behoefte van het specifieke gewas anderzijds. In de toekomst kunnen wellicht ook (bijvoorbeeld organische) zonnepanelen worden ontwikkeld die licht doorlaten dat door gewassen kan worden gebruikt, terwijl de rest van het licht wordt omgezet in elektriciteit. Door toepassing van PV kan Nederland zo de omvangrijke en economisch belangrijke kassensector verder versterken en verduurzamen. 3.3.3 Solar vehicles Elektrische voertuigen vormen een premiemarkt voor de opwekking van elektriciteit. De huidige kostprijs van elektriciteit opgewekt in een auto is een factor 10 hoger dan de prijs van elektriciteit uit het stopcontact. De kostprijs van een PV-solar-dak voor een auto mag dan ook naar verhouding hoog zijn; op dit moment is deze ongeveer 1000 Euro per vierkante meter. Het integreren van PV in autodaken levert weliswaar slechts weinig energie op, maar daar staat mogelijk comfort en kostenbesparing tegenover, zoals een blower die voorkomt dat een in de zon geparkeerde auto te heet wordt van binnen. Figuur 6: Voorbeeld van een auto met PV
Een zonnedak met zeer efficiënte cellen kan zelfs worden gebruikt voor het leveren van elektriciteit voor aandrijving, zoals Fiat heeft laten zien voor een zuinige stadsauto in een zonnig klimaat. Ook in de jachten- en botenbouw, waar vaak grotere oppervlakken beschikbaar zijn, kan PV heel goed worden geïntegreerd. In beide sectoren beschikt Nederland al over een sterke industrie. Kruisbestuiving tussen deze sectoren en de PVindustrie biedt dan ook veel potentie. 3.3.4 Technologieontwikkelingen Technologische ontwikkelingen kunnen betrekking hebben op: zz
De cel, die het eigenlijke werk doet
zz
De materialen waaruit deze gemaakt is
zz
De gebruikte productieprocessen
zz
Opschaling van deze productieprocessen
zz
De module, waarin de cel wordt geïntegreerd en die op zijn beurt wordt geïntegreerd in een gebouw of structuur
zz Figuur 7: Voorbeeld van flexibele zonnecel.
De duurzaamheid van de module ‘van wieg tot graf’ (of nog beter: ‘van wieg tot wieg’).
27
We bespreken in deze paragraaf technologische ontwikkelingen op al deze terreinen. Vaak is ‘integratie’ daarbij een leidend thema: integratie van cellen in de module, integratie van modules in een gebouw of structuur, integratie van de opgewekte elektriciteit in het net. 3.3.4.1. Modules Vooral bij modules speelt integratie een belangrijk rol in het ontwikkeltraject. Bij de module komen alle elementen samen: celtypen, gebruikte materialen, maakprocessen. Deze elementen, in hun onderlinge samenhang, moeten passen bij de eisen vanuit de applicaties (zoals kassen, automotive daken en gebouwgebonden installaties). De veelheid van factoren en hun onderlinge samenhang maakt het ontwikkeltraject voor de module vaak complex. Op moduleniveau zijn interconnectie van cellen en encapsulatie tot halffabricaat (bijvoorbeeld bouwelement) of eindproduct belangrijk. Applicaties als gebouwgebonden systemen, stand alone consumentensystemen, automotive systemen en satelliettoepassingen stellen daarbij elk hun eigen eisen. Het (verder) integreren van onderdelen en functies in een module kan de maakkosten verlagen, en levensduur en betrouwbaarheid verhogen. Celtypen
PMC: BIPV
Materialen
Processen
PMC: Kassen
Module
PMC: Automotive
Figuur 8: Moduleontwikkeling in perspectief: technologische aspecten en randvoorwaarden vanuit de applicatie(s).
3.3.4.2. Cellen De meeste openbare roadmaps zijn gericht op het ontwikkeltraject van celtechnologieën. Het belangrijkste onderscheid in technologieën is dat tussen wafergebaseerde technologieën en dunne films.
28
Figuur 9: PV-moduletechnologieën met indicatieve waarden voor rendement (opbrengst per m2) en prijs per eenheid van vermogen en eenheid van oppervlak. Bron: IEA PV Roadmap, 2010. NOTE: All values refer to 2008
De IEA PV Technology Roadmap onderscheidt: Commerciële technologieën Kristallijn silicium (c-Si) modules zijn momenteel goed voor ruim 80% van de totale wereldwijde markt; c-Si modules zijn i) monokristallijn (single crystalline: sc-Si) of ii) multikristallijn (multicrystalline: mc-Si). Dunne films hebben op dit moment op de wereldmarkt een aandeel van iets minder dan 20%. Dunne films zijn onderverdeeld in 3 families: i) amorf silicium (a-Si) en microkristallijn silicium (µc-Si), ii) cadmiumtelluride (CdTe), iii) CIGS waarbij C staat voor koper, I voor indium, G voor gallium (optioneel) en S voor zwavel en/of seleen. Opkomende technologieën en nieuwe concepten Opkomende technologieën (emerging technologies). In deze categorie vallen onder meer nieuwe (niet-vacuüm, lage-kosten) varianten van bestaande dunne-filmtechnologieën en organische cellen. De technologieën bevinden zich in het stadium van proefproductie of kleinschalige commerciële productie. Nieuwe concepten waarbij ultra-hoog-efficiënte cellen (en later: modules) worden ontwikkeld met geavanceerde materialen en productieprocessen. Deze celtechnologieën bevinden zich in het laboratoriumstadium.
29
Concentratortechnologieën Concentrator PV (CPV).Hierbij bundelt het lichtoogstende oppervlak met een optisch systeem het licht op een veel kleinere (tot wel duizend keer zo kleine) cel. CPV is ook een opkomende technologie; verder zullen sommige nieuwe concepten hun weg vinden in CPV in plaats van vlakke-plaatmodules. Figuur 10 geeft een globaal beeld van de verwachte rendementsontwikkeling van commerciële modules voor de verschillende technologiefamilies.
Figuur 10: Mogelijke, respectievelijk verwachte ontwikkeling van modulerendementen per technologiefamilie. Bron: IEA PV Roadmap, 2010.
Bij gelijke levensduur zijn rendementen en kosten per watt-piek de belangrijkste parameters voor onderlinge vergelijking van PV-modules. Wanneer ook de kosten voor het bouwen van een compleet systeem worden meegeteld wordt het mogelijk om opwekkosten te berekenen en een vergelijking te maken met conventioneel opgewekte elektriciteit. Het veelgehanteerde begrip grid parity is in die vergelijking het punt waarbij de opwekkosten van zonnestroom gelijk zijn aan de consumentenprijzen (of welk ander prijsniveau als referentie wordt gekozen) van elektriciteit uit het net. Vanaf dat punt kan een PV-installatie zichzelf terugverdienen over de gehanteerde economische levensduur (afschrijvingsperiode), mits de vergoeding voor aan het net teruggeleverde stroom gelijk is aan de prijs van ingekochte stroom (netto bemetering of saldering genoemd).
30
3.3.4.3. Processen Een sterke sector in Nederland is de hightechsector die zich bezig houdt met ontwikkeling van hoogwaardige productieapparatuur voor halfgeleiderindustrie, procesindustrie en aanverwante sectoren. Het ontwikkelen van nieuwe processen en productiemiddelen voor het produceren van PV-cellen en -modules is daardoor een sterke troef in Nederlandse handen. De combinatie van ervaren hightechbedrijven gericht op machinebouw Figuur 11: Productiemachine van OTB Solar Eindhoven voor kristallijn silicium cellen.
en hoogwaardige ondersteunende kennisinstellingen levert een groot voordeel op bij de ontwikkeling van nieuwe machines. Indien de kennisen kundeketen in de thuismarkt compleet is zal dat nog extra gezamenlijk voordeel opleveren zoals kortere time–to-market, kostprijsverlaging van het eindproduct, en optimalisatie van maakprocessen. Nederland zal kunnen profiteren van de uitstekende kennisbasis bij printing, depositie en roll-to-roll handling, en bovendien kunnen inzetten op de ontwikkeling van apparatuur voor kwaliteitsanalyses en in-line inspectie. 3.3.4.4. Materialen
2009
a-Si/uc-Si 6%
CIGS 2%
Materialen vormen de fysieke en functionele basis van iedere techRibbon 1% Other 1%
nologie. Voor het maken van goedkopere en efficiëntere PV-cellen en -modules is daarom hoogwaardig materiaalonderzoek noodzakelijk. Op basis van materiaalonderzoek kunnen bestaande technologieën worden verbeterd en geheel nieuwe worden ontwikkeld. De mate van duurzaamheid van PV-techologieën wordt ook sterk door materialen bepaald. Bij PV spelen zowel actieve als passieve materialen een belangrijke rol.
CdTe 9%
sc-Si 34%
Actieve materialen (vooral voor lichtabsorptie en stroomgeleiding) zijn doorslaggevend voor het rendement, passieve materialen (vooral voor encapsulatie, inclusief barrièrelagen) bepalen in hoge mate levensduur
mc-Si 47%
en betrouwbaarheid. Beide materiaalsoorten samen vertegenwoordigen een aanzienlijk deel (vaak zelfs het grootste deel) van de fabricagekosten. Als we PV-technologieën indelen naar hun lichtabsorberend materiaal, zijn hun huidige marktaandelen zoals aangegeven in figuur 12.
Figuur 12: Marktaandeel per PV-technologie (situatie 2009). Bron: Photon International.
3.3.4.5. Opschaling van PV-technologie Productietechnologieën gebruikt in semicon, optische media, glas, en coating van materialen, zijn goed bruikbaar gebleken bij opschaling van de PV-technologie. De sterke positie van Nederland op deze terreinen biedt dan ook grote kansen om bij opschaling van PV net zo’n sterk aandeel te verwerven. Nieuwe domeinen als solid state lighting dragen nog eens extra bij aan versterking van dit ecosysteem.
31
De belangrijkste technologische domeinen waarvan de PV-industrie kan leren bij opschaling zijn samengevat in tabel 4. Technologisch domein
Productiecapaciteit 2010 in km2/jaar
Vergelijkbaar jaar bij op-schaling PV-technologie
(Verwachte) productiecapaciteit PV in dat jaar in km2/jaar
(Verwachte) productiecapaciteit PV in dat jaar in GWp/jaar
Halfgeleider Si-technologie
5
2000
≈2
0,3
LCD schermen Optische data-opslag
300-500 400
2010
100-150
>15
Architectural glass
2.000
2020
<1.000
100
Roll-to-roll coating (verpakkingsindustrie)
>10.000
2050
>1.000
>300
Tabel 4: Overzicht technologiedomeinen gerelateerd aan opschaling.
Meestal wordt de verwachting betreffende de capaciteit van de PVindustrie in een bepaald jaar gegeven in GWp. Om vergelijkingen met andere industriële sectoren te kunnen maken, moeten we deze grootheid omzetten in km2. Afhankelijk van het rendement van de panelen is 5 à 10 km2 nodig voor het opwekken van 1 GWp. Als we de zo berekende productiecapaciteit van de PV-industrie vergelijken met die van verwante technologische domeinen, dan wordt duidelijk dat PV voor schaalvergrotingstechnologie tot 2000 moest kijken naar de halfgeleiderindustrie, en tussen 2000 en 2010 naar technologieën voor productie van LCD-schermen en optische data-opslag, Pas nu ontstaat er een schaalgrootte die het interessant maakt om speciale glasproductielijnen in te gaan richten voor PV, en over tien jaar is een schaal vereist die nu alleen nog maar gevonden wordt in domeinen zoals het op rol printen van producten of gecoate verpakkingsfolies (roll-to-roll technologie) . 3.3.4.6. Duurzaamheid Integrale duurzaamheid is cruciaal voor een PV-sector die snel naar de terawattschaal groeit (1 terawatt = 1000 gigawatt ≈ 10.000 km2 aan PV-systemen). De duurzaamheid van PV wordt bepaald door een aantal elementen: energiegebruik bij productie en installatie, gebruik van schaarse en/of giftige en gevaarlijke materialen bij productie en in het eindproduct, mogelijkheden voor recycling, etc. Vroeger was verbetering van het duurzaamheidprofiel van PV vooral goed voor de communicatie, maar in de toekomst zal dit economische noodzaak worden. Vermindering van materiaal- en energieverbruik en het recyclebaar maken van de producten leveren niet alleen direct kostenvoordeel op maar zijn ook nodig om te voldoen aan steeds scherpere maatschappelijke eisen.
32
Dit biedt kansen voor de hightechsector in Nederland, die dit principe op andere gebieden al grotendeels en met succes heeft toegepast, soms als pionier. Deze kennis en kunde kunnen opnieuw worden toegepast, gecombineerd met bijvoorbeeld nieuwe materialen, energiearme processen en design-for-recycling.
3.4 Ecosystemen 3.4.1 Nationaal ecosysteem Kort geleden hebben vier Nederlandse kennisinstituten hun krachten gebundeld waarbij een organisatie van wereldniveau is ontstaan op het gebied van kennisontwikkeling voor PV-technologieën: Solliance. In Solliance werken ECN, TNO, Holst en TU/e op unieke wijze samen, waardoor de benodigde focus en massa worden bereikt. Solliance zal zijn uitstekende startpositie verder moeten uitbouwen en versterken en het Nederlandse bedrijfsleven kan bij de ontwikkeling van nieuwe producten en diensten daarvan profiteren. Het geheel vormt een prima fundament voor de verdere opbouw van het Nederlandse ecosysteem, leidend tot kortere ontwikkeltijden en snellere terugkoppeling vanuit gebruikers. Dit zijn essentiële factoren voor succesvolle innovatie. Via de vorming van een zogenaamde pilot chain, waarbij de kennisketen wordt gekoppeld aan onderzoeksfaciliteiten in de vorm van één of meer flexibele pilotfabricagelijnen en een testcentrum, kan het ecosysteem snel, op maat en effectief functioneren. Directe betrokkenheid van de industrie bij de programmering is daarbij noodzakelijk. 3.4.2 Samenwerken met ecosystemen en verkopen aan ecosystemen Wereldwijd is de afgelopen 5 tot 10 jaar een tiental belangrijke ecosysteRest wereld Australië Canada Zuid Korea India China
Japan 484
34 66 70 168 30 150 USA 450
men ontstaan, al dan niet geflankeerd en gestimuleerd door een markt ontwikkelingsprogramma (bijvoorbeeld in de vorm van een Feed-inTariff (FiT)). Duitsland heeft het grootste en meest complete ecosysteem en een geïnstalleerd PV-vermogen dat al in 2% van de Duitse elektriciteitsbehoefte voorziet. Op basis van piekvermogen is het aandeel PV zelfs al tientallen procenten. Duitsland bezit zowel een thuismarkt voor het toepassen van panelen als de leveranciers van cellen, modules, kennis en productieapparatuur.
EU 4608
Analyse van de kennis-kunde-kassa indicaties voor de ecosystemen in 2010 en 2015 geeft aan dat een aantal landen zich sterk zal gaan ontwikkelen. Nederland hoort daar ook bij, als we de roadmap de komende
Figuur 13: Fabrikanten van zonnecellen wereldwijd (Bron: Mecon)
jaren goed gaan uitvoeren.
33
Sterke ecosystemen zijn: zz
USA
zz
Taiwan
zz
Nederland
zz
Korea
zz
Japan
zz
Duitsland
zz
China
2015
2010
Eco-systeem Kennis
Kunde
Kassa
Kennis
Kunde
Kassa
79
81
75
94
93
92
Italië Midden Oosten USA Taiwan Zwitserland Spanje Singapore Nederland Korea Japan India Duistland Frankrijk China België Gewicht totaal
Laag
Middel
Hoog
Tabel 5: Kwalificatie van ecosystemen op basis van kennis-kunde-kassa voor 2010 en 2015.
Ter versterking van de eigen internationale positie is het voor Nederland goed om op onderdelen samen te werken met andere ecosystemen, zoals die in Duitsland en België. Deze roadmap geeft aan met welke ecosystemen Nederland het best kan samenwerken, aan welke ecosystemen het producten en diensten kan verkopen (bijvoorbeeld China) en waar maatwerk en/of terughoudendheid nodig is, bijvoorbeeld omdat de ecosystemen van oudsher grotendeels gesloten zijn, zoals in Korea en Japan. Dit onderscheid in aanpak levert uiteindelijk de meeste winst op.
34
3.4.3 Financiering De investeringsbeslissing ten aanzien van PV-systemen wordt meestal bepaald door de mogelijkheden om de investering voldoende snel terug te verdienen dan wel winst op de investering te maken. Omdat bij een PV-systeem het leeuwendeel van de totale life cycle kosten wordt gemaakt bij aanschaf (dit in tegenstelling tot bijvoorbeeld een gasgestookte centrale, waar de brandstofkosten over de levensduur van het systeem een dominante factor zijn), is de mogelijkheid om de initiële investering eenvoudig en tegen lage kosten te financieren een belangrijke succesfactor. Voor particuliere huiseigenaren kan meefinanciering van het systeem in de hypotheek bijvoorbeeld een optie zijn, maar er zijn vele modellen en constructies voor verschillende gebruikersgroepen, systeemgroottes, etc. Ook lease en participatie zijn mogelijkheden. Het belang van financieringsmogelijkheden geldt los van de vraag of het PV-systeem zichzelf kan terugverdienen of niet. Omdat de inkomsten van een PVsysteem worden gegenereerd door verkoop van opgewekte stroom (of vermeden inkoop) is het verder natuurlijk van doorslaggevend belang dat het verkooptarief voor opgewekte stroom minimaal kostendekkend, en liefst winstgevend is. Dat laatste wordt in veel landen bereikt door een gegarandeerde terugleververgoeding.
3.5 Marktbenadering Bij de markt- en klantbenadering voor te verkopen producten spelen nabijheid van de klant en mogelijkheden voor de concurrentie om zich in de buurt te vestigen een rol, afhankelijk van het soort product. Voor producten en diensten aan het eind van de waardeketen (zoals systeemapplicaties) is nabijheid van de klant in zijn algemeenheid van groter belang dan voor producten en diensten aan het begin van de waardeketen (bijvoorbeeld productieapparatuur en –materialen). Om die reden is de aanwezigheid van een thuismarkt van belang wanneer het Nederlandse ecosysteem (componenten voor) gebouwgebonden installaties gaat leveren. Het succes van de ontwikkeling van zulke producten is onder meer gekoppeld aan de nabijheid van de bouwsector. Ieder land heeft een eigen bouwsector met eigen regelgeving, en opdrachten worden vooral lokaal verstrekt. Voor de bouw van productiemiddelen en machines is de lokale aanwezigheid veel minder vereist. In dit geval is de vergelijking met ASML en andere halfgeleidermachinefabrikanten de juiste. Bij zo’n bedrijf vindt ontwikkeling van kennis en kunde plaats in de thuissituatie met alle benodigde leveranciers en partners in de nabijheid, de verkoop gaat via een uitgebreid distributienetwerk dat zich wereldwijd vertakt.
35
3.5.1 Thuismarkt Voor een aantal PMC’s is het van belang dat de thuismarkt wordt ontwikkeld om ze in een later stadium internationaal te kunnen vermarkten. Om dit met succes te kunnen doen moeten alle benodigde onderdelen van de waardeketen samenhangend aanwezig zijn. Producten kunnen eerst in het eigen ecosysteem tot een betrouwbaar en marktconform niveau ontwikkeld worden, waarna exporteren mogelijk wordt via het uitgebreide distributienetwerk. De thuismarkt is momenteel zeer klein, wat een bedreiging vormt voor een voldoende snelle ontwikkeling van een aantal PMC’s. Concreet: ontwikkeling en in de praktijk testen van geavanceerde gebouwgeïntegreerde PV-systemen kan alleen goed van de grond komen als de thuismarkt (voor die toepassingen) enig volume heeft. Anders zullen Duitse, Franse en andere bedrijven hun kans grijpen en de Nederlandse wegdrukken. Overigens is het goed mogelijk om in deze sector aan “achterwaartse integratie” te doen, waarbij geavanceerde nieuwe cellen of modulehalffabricaten zoals zonnefolies van eigen bodem worden verwerkt in PV-bouwelementen specifiek voor de Nederlandse markt. 3.5.2 Internationale markt De internationale markt voor PV-producten en diensten biedt vele mogelijkheden voor het Nederlandse bedrijfsleven. Het is een gelukkige omstandigheid dat de Nederlandse High Tech Systems industrie zo sterk is (wereldwijde omzet 30 miljard Euro per jaar). Het is een volwassen industrie die nauw verbonden is met de PV-sector. Deze hoogwaardige technologische industrie beschikt zowel over veel kennis van systeemontwikkeling (apparatuur en machines), als van productontwikkeling (modules, cellen, materialen), als van maakprocessen om machines te produceren (mechanische bewerkingen, meettechnieken). De markt voor PV-producten en -diensten ontwikkelt zich in vele landen, waarbij sommige landen beschikken over een relatief sterk en volledig ecosysteem en andere slechts delen hebben, zoals een thuismarkt voor systemen, maar weinig kennis en industrie - of juist het omgekeerde.
3.6 Ondersteuning: focus en massa Om de ontwikkelingen op PV-gebied optimaal te ondersteunen is een fundament van kennis en kunde noodzakelijk. De aanwezige partijen en competenties op de High Tech Campus in Eindhoven en het recent gevormde samenwerkingsverband Solliance onderstrepen dat energie en in het bijzonder PV een van de businesspijlers voor het bedrijfsleven en de kennisinstellingen gaat worden.
36
Human Focussed Innovation
Your Health Personal health & wellbeing - Wellness - Personal care - Preventive Microsystems Medicine - Micro-biosensors - Molecular diagnostics - Bio-informatics
Your Energy
Your Experience
Solar Generation
Smart Environmens
- Cells - Modules - Systems
- Personal - Home Networks - On the move
Solar Storage
Personal Entertainment
- Materials - Applications
Based on existing Technology Domains Microsystems Life-Tech (Bio-Tech) Medicine Technology
Embedded Systems Networked Systems High Tech Systems
Figuur 14: Fundament van kennis en kunde op HTC
Photonics New Energy Techn. Ease of use/Design
37
4. Markt 4.1 Marktkenmerken wereldwijd De markt voor PV systemen is zich vanaf 1991 gaan ontwikkelen door de introductie van het Feed In Tariff (FIT). Het eerste FIT was nog maar zeer beperkt, maar toonde wel aan dat het middel geschikt was om de markt (eerst nog langzaam)te ontwikkelen. De laatste jaren is de markt flink gegroeid, met een gemiddelde wereldwijde jaarlijkse groei van de afzet van 45%. Naar schatting bedroeg de afzet van PV capaciteit in 2009 wereldwijd 6,1 GW. Tot nu toe had Europa het grootste aandeel in de PV-industrie (ruim 75% van het totaal), met Duitsland en Italië voorop. In 2009 was Japan het belangrijkste groeiland buiten Europa. De
Annual Photovoltaic Installations [Mwp]
komende jaren zal China de grootste groeier zijn. 8000 Spain Rest of Europe United States Rest of the world Germany Japan
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
Figuur 15: Wereldwijde groei van jaarlijks bijgeplaatste PV-systemen, opgedeeld naar regio’s (bron: EPIA, 2010)
EPIA heeft een aantal scenario’s opgesteld voor de wereldmarkt in de komende 5 jaar. Het scenario met gematigde groei gaat uit van ‘business as usual’, zonder nieuwe speciale economische stimulansen. Het scenario met hoge groei is ‘policy driven’ en gaat uit van een marktsituatie waarin beleidsmakers barrières en knelpunten hebben opgelost en waar veel landen een gezonde stimuleringsregeling in het leven hebben geroepen (zie figuur 16).
38
35.000 30.000 25.000
MW
20.000 15.000 10.000 5.000 0 EPIA Moderate EPIA Policy driven Historical Data Last Year
2007
2008
2.392
5.737
2009
2010 2011 2012 2013 2014 8.180 8.350 9.315 11.535 13.380 12.715 15.405 19.090 24.595 29.975
6.049
Figuur 16: Twee scenario’s voor de groei van de jaarlijkse mondiale markt voor PV-systemen in de komende 5 jaar (bron EPIA, 2010).
Als we het gemiddelde van de twee groeiverwachtingen aanhouden kan de productiecapaciteit met 10 GWp per jaar groeien, wat een omzet aan productieapparatuur oplevert in de orde van 10 miljard Euro per jaar. Met de plaatsing van 10 GWp aan turn-key systemen is (als eerder opgemerkt) een omzet gemoeid van ongeveer 30 miljard Euro (prijsniveau 2010). Omdat de prijzen van systemen snel dalen zal eenzelfde volume in 2015 nog 25 miljard Euro vertegenwoordigen en in 2020 nog 20 miljard Euro. Uit de figuur rond de cumulatieve ontwikkeling van de markt blijkt dat eind 2009 de totale opwekking van elektriciteit van netgekoppelde systemen overeenkwam met ruim 14 GW. Over een periode van 5 jaar zou dit verder groeien naar een vermogen van meer dan 55 GW. De circa 6,1 GW PV in 2009 toegevoegde capaciteit bestaat uit installaties welke op het eind van 2009 geïnstalleerd waren en aangesloten op het elektriciteitsnet. Het betreft dus on-grid systemen. Hierbij dient opgemerkt te worden dat de nauwkeurigheid van onderzoeken naar PV capaciteit per uitgevoerd onderzoek en onderzoeker nogal kan verschillen. Het blijkt tot op heden nog moeilijk om nauwkeurige marktgegevens te verzamelen. De gegevens van het EPIA onderzoek zijn samengesteld aan de hand van opgaven van leveranciers wereldwijd.
39
Installed capacity (Mwp)
200.000 180.000 160.000 140.000 120.000
Rest wereld Australië Canada Zuid Korea India China
EPIA market forecasts 2010 - 2014 (June 2010) Baseline Scenario will be reached unless collapse of policy support and market development Paradigm Shift Scenario would require substantial acceleration in next years
100.000 80.000 60.000 40.000
Japan 484
Historical Data EPIA Policy-Driven EPIA Moderate SET for 2020 Baseline SET for 2020 Accelerated Growth SET for 2020 Paradigm Shift
34 66 70 168 30 150 USA 450
EU 4608
20.000
20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05 20 06 20 0 20 7 08 20 0 20 9 10 20 e 11 20 e 12 20 e 13 20 e 14 20 e 15 20 e 16 20 e 17 20 e 18 20 e 19 20 e 20 e
0
Figuur 17: Ontwikkeling van de cumulatieve mondiale PV-markt tot 2020 (bron: EPIA, 2010)
Portugal 32 Spanje 60 Rest EU 60
Uit de nevenstaande grafieken blijkt ook nog eens duidelijk de onbalans
België 233
Griekenland 36
Italië 582
in de verhouding tussen de belangrijkste PV regio’s in de wereld (boven-
Tsjechië 420 a
Fr
ste grafiek), en de onbalans tussen de belangrijkste Europese landen
ijk
r nk
5
18
(onderste grafiek). Duitsland 3000
In tabel 6 zijn de tien grootste markten van 2009 nader gespecificeerd in aantal geïnstalleerde megawatts (MW) vermogen in 2008 en 2009, een inschatting van het cumulatief operationeel vermogen over 5 jaar tijd (2014) en het aantal watts (W) vermogen per inwoner in het betreffende land. Tevens is aangegeven welke stimulering beschikbaar is in het betreffende land. Land
Figuur 18: Verdeling van het geïnstalleerd PV-vermogen per PV-regio wereldwijd en Europees in 2009 ( Bron EPIA 2010).
Geïnstalleerd
Geïnstalleerd
Cumulatief
Wp per inwoner
2008 (MWp)
2009 (MWp)
2014 (MWp)
2014
Beschikbare stimulering
1
Duitsland
1.500
3.000
28.500
350
Feed-in-Tariff
2
Italië
250
582
7.300
125
Feed-in-Tariff
3
Japan
230
484
10.000
80
Feed-in-Tariff
4
USA
342
450
14.000
50
Feed-in-Tariff
5
Tsjechië
51
420
2.350
240
Feed-in-Tariff
6
Korea
168
274
2.750
55
Feed-in-Tariff
7
België
48
233
1.375
130
Groencertificaten
8
Frankrijk
46
185
4.350
70
Feed-in-Tariff, tax credits
9
China
nihil
150
4.750
4
-
10
Spanje
2.050
70
7.000
150
Feed-in-Tariff
Tabel 6: Wereldwijde Top 10 van grootste PV markten in 2009
40
Een Feed in Tariff (FIT) of andere vorm van stimulering is essentieel gebleken voor succesvolle ontwikkeling van markten. De Spaanse markt is in de afgelopen jaren bijna tot stilstand gekomen, na de bijna oververhitting in eerdere jaren. In 2009 is slechts circa 70 MW geplaatst wegens een tijdelijke beperking van het beschikbare Feed-in-Tariff. De markt in USA biedt een zeer grote potentie, gezien de te verwachten groei over de komende 5 jaar en het op dat moment nog steeds relatief laag aantal Watt per inwoner, vergeleken met o.a. Duitsland. Opvallend is dat de Nederlandse markt ontbreekt in het lijstje van Top 10 landen. De capaciteit van nieuw geïnstalleerde PV systemen in 2009 bedroeg circa 6 MW, waarmee Nederland tot op heden één van de kleinere markten vormt. In 2014 zal naar verwachting jaarlijks circa 20 GW aan nieuwe capaciteit worden geïnstalleerd en gekoppeld worden op het elektriciteitsnet. Op dat moment zal de verhouding tussen Europa en de rest van de wereld gelijk zijn getrokken. Duitsland zal ook dan nog steeds één van de grootste, of mogelijk de grootste, markt in de wereld blijven. China zal een belangrijke plaats als afzetmarkt hebben verworven. Delen van Afrika en Zuid-Amerika zullen duidelijk achterlopen in de ontwikkeling als afzetmarkt onder meer door gebrek aan financiële middelen en een deugdelijk elektriciteitsnet. In Afrika kan dan weer wel de markt voor off-grid systemen tot ontwikkeling komen. De markt voor PV zal echter nog veel groter kunnen worden naarmate de kosten van PV systemen verder dalen, de kosten van elektriciteit uit conventionele bronnen gaan toenemen, internationale elektriciteitsverbindingen en smart grids worden aangelegd waardoor barrières voor de toepassing van PV verdwijnen. Uit het ‘SET for 2020’ onderzoek blijkt dat de Europese PV-markt in dat scenario kan uitgroeien tot een cumulatief geïnstalleerd vermogen van bijna 400 GW in 2020, waarmee 12% van de Europese elektriciteitsvraag kan worden gedekt.
4.2 De markt gekwantificeerd Op dit moment is de verhouding silicium/dunne film panelen 80/20. Deze verhouding zal naar verwachting licht gaan verschuiven naar 75/25 tegen 2015. Bij een prijsdoorbraak van dunne film kan deze verschuiving sneller gaan plaats vinden. Figuur 19 geeft een indruk van geplande en aangekondigde uitbreidingen van productiecapaciteit voor wafer-silicium en dunne films. In de praktijk zal realisatie van deze plannen natuurlijk afhankelijk zijn van de ontwikkeling van de wereldmarkt.
41
Production Capacity [MW/Year]
7000 6000
Chrystalline Wafer Silicon Thin Films
5000 4000 3000 2000 1000
0
2006
2009
2010
2012
2015
Figuur 19. Bestaande en geplande productiecapaciteit voor wafer-silicium en dunne-film cellen en modules (bron: PV Status Report 2010).
De markt voor solar PV omvat zowel de (directe) omzet uit productie van cellen, modules en overige componenten, als de installatie van turnkey systemen en de (daarvan afgeleide) omzet in de vorm van onder meer productieapparatuur. De afschrijving van productieapparatuur is uiteraard een component in de kostenopbouw van turn-key systemen. De omzet van productieapparatuur komt zowel voort uit uitbreiding van productiecapaciteit, als uit vervanging van bestaande productiecapaciteit. Figuren 20 en 21 geven een voorstelling van de waardeketen van wafersilicium en dunne film PV systemen.
42
Waardeketen wafer-silicium PV
Apparatuur, grondstoffen, energie
Apparatuur, verbruiksgoederen
Silicium feedstockproducte
Kristallisatie en wafering
Proces- en meetapparatuur, verbruiksgoederen
Proces- en meetapparatuur, materialen
Celfabricage
Moduleassemblage/ fabricage PV-(bouw) element
Celfabricage en module- of folieassemblage/fabricage PV-(bouw)element glas of flexibel/technologie XYZ
Projectontwikkeling, engineering, constructiematerialen, elektronica, bekabeling, installatiearbeid, etc.
Systeembouw (Fysieke applicatie)
Elektriciteitsproductie (Businessmodel)
Ontmanteling en recycling
Systeembouw (Fysieke applicatie)
Elektriciteitsproductie (Businessmodel)
Ontmanteling en recycling
Projectontwikkeling, engineering, constructiematerialen, elektronica, bekabeling, installatiearbeid, etc.
Proces- en meetapparatuur, verbruiksgoederen, materialen
Waardeketen dunne-film PV
Financiering, onderhoud & beheer, verzekering
Financiering, onderhoud & beheer, verzekering
Figuur 20. Vereenvoudigde voorstelling van de waardeketens van PV systemen. Waardeketen wafer-silicium PV
Apparatuur, grondstoffen, energie
Apparatuur, verbruiksgoederen
Proces- en meetapparatuur, verbruiksgoederen
Proces- en meetapparatuur, materialen
Silicium feedstockproducte
Kristallisatie en wafering
Celfabricage
Moduleassemblage/ fabricage PV-(bouw) element
Celfabricage en module- of folieassemblage/fabricage PV-(bouw)element glas of flexibel/technologie XYZ
Proces- en meetapparatuur, verbruiksgoederen, materialen
Waardeketen dunne-film PV
Projectontwikkeling, engineering, constructiematerialen, elektronica, bekabeling, installatiearbeid, etc.
Waardeketen wafer-silicium PV
Financiering, onderhoud & beheer, verzekering
Systeembouw (Fysieke applicatie)
Elektriciteitsproductie (Businessmodel)
Ontmanteling en recycling
Systeembouw (Fysieke applicatie)
Elektriciteitsproductie (Businessmodel)
Ontmanteling en recycling
Projectontwikkeling, engineering, constructiematerialen, elektronica, bekabeling, installatiearbeid, etc.
Financiering, onderhoud & beheer, verzekering
Apparatuur, grondstoffen, energie
Apparatuur, verbruiksgoederen
Proces- en meetapparatuur, verbruiksgoederen
Proces- en meetapparatuur, materialen
Silicium feedstockproducte
Kristallisatie en wafering
Celfabricage
Moduleassemblage/ fabricage PV-(bouw) element
Celfabricage en module- of folieassemblage/fabricage PV-(bouw)element glas of flexibel/technologie XYZ
Proces- en meetapparatuur, verbruiksgoederen, materialen
Waardeketen dunne-film PV
Projectontwikkeling, engineering, constructiematerialen, elektronica, bekabeling, installatiearbeid, etc.
Waardeketen wafer-silicium PV
Financiering, onderhoud & beheer, verzekering
Systeembouw (Fysieke applicatie)
Elektriciteitsproductie (Businessmodel)
Ontmanteling en recycling
Systeembouw (Fysieke applicatie)
Elektriciteitsproductie (Businessmodel)
Ontmanteling en recycling
Projectontwikkeling, engineering, constructiematerialen, elektronica, bekabeling, installatiearbeid, etc.
Financiering, onderhoud & beheer, verzekering
Apparatuur, grondstoffen, energie
Apparatuur, verbruiksgoederen
Proces- en meetapparatuur, verbruiksgoederen
Proces- en meetapparatuur, materialen
Silicium feedstockproducte
Kristallisatie en wafering
Celfabricage
Moduleassemblage/ fabricage PV-(bouw) element
Celfabricage en module- of folieassemblage /fabricage PV-(bouw)element glas of flexibel /technologie XY Z
Proces- en meetapparatuur, verbruiksgoederen, materialen
Waardeketen dunne-film PV
Projectontwikkeling, engineering, constructiematerialen, elektronica, bekabeling, installatiearbeid, etc.
Financiering, onderhoud & beheer, verzekering
Systeembouw (Fysieke applicatie)
Elektriciteitsproductie (Businessmodel)
Ontmanteling en recycling
Systeembouw (Fysieke applicatie)
Elektriciteitsproductie (Businessmodel)
Ontmanteling en recycling
Projectontwikkeling, engineering, constructiematerialen, elektronica, bekabeling, installatiearbeid, etc.
Financiering, onderhoud & beheer, verzekering
Figuur 21. Voorbeelden van de waardeketens voor verschillende toepassingen met PV systemen.
Links: Materialen en apparatuur voor de fabricage van solar PV bouwelementen op basis van elders gefabriceerde wafer-silicium cellen. Midden: Materialen en apparatuur voor de roll-to-roll fabricage van solar PV folies (als uitgangsproduct voor bijvoorbeeld dakelementen). Rechts: Financiële producten en diensten voor toepassing van solar PV (bijvoorbeeld lease).
43
De kostenopbouw van een PV systeem kan sterk variëren per land, systeemtype en -omvang, fabrikant, etc. Turn-key systeemprijzen liggen in 2010 tussen 2,5 en 5 euro per watt-piek systeemvermogen (indicatieve range). De kostenverdeling bij dunne film modules is iets anders dan die bij wafergebaseerd-silicium door verschillen in modulerendement (met invloed op de kosten van installatiematerialen en –arbeid) en moduleprijs.
Installatiearbeid 15% Overige installatiematerialen 15%
Module 60%
Omvormer 10%
Silicium 20%
Moduleassemblage 25%
Celfabricage 15%
Figuur 22. Indicatieve kostenverdeling van turn-key solar PV systemen: wafer-silicium modules.
Installatiearbeid 17% Overige installatiematerialen 18% Omvormer 10%
Overige 10% Module 55%
Afschrijving 17%
Materialen 28%
Figuur 23. Indicatieve kostenverdeling van turn-key solar PV systemen: dunne-film modules.
In Nederland is de kostenverdeling bij PV systemen of projecten ongeveer als volgt (afhankelijk van de omvang: 1 tot 15 kWp of 15 tot 100 kWp):
44
1 – 15 kWp
15 – 100 kWp
Omvormer
13 %
9%
Paneel/module
60 %
68 %
Materialen (kabels, frames)
7%
6%
Installatiekosten
18 %
16 %
Overige (transport e.d.)
2%
1%
PV Systeem totaal
100%
100%
Tabel 7: Indicatieve kostenverdeling van PV-projecten/producten in Nederland
Bij PV systemen boven de 100 kWp zullen geleidelijk de kosten van materialen (in het bijzonder frames en bekabeling) en transportkosten gaan toenemen tot circa 12 % en 5% van de totale omzet. Het aandeel van modules en installatiekosten (arbeid) daalt dan echter naar resp. 63% en 11%.
4.3 Overzicht van Product-Markt-Combinaties voor PV systemen Op het moment worden PV-systemen vooral toegepast op en aan huizen en gebouwen, en als grootschalige zonnecentrales in het open veld. In de toekomst zullen zich daarnaast markten voor bijzondere toepassingen en met een hoge toegevoegde waarde ontwikkelen. De huidige en in ontwikkeling zijnde Product-Markt-Combinaties omvatten: Energieopwekking & concepten voor levering aan gebruikers via een elektriciteitsnetwerk zz
Geïntegreerde systemen in de gebouwde omgeving -- woonomgeving -- bedrijfsomgeving -- infrastructuur -- agrarisch
zz
Zonnecentrales
Speciale (energie)functies voor autonoom gebruik zz
Consumenten -- apparaten -- kleding -- recreatie, lifestyle, etc.
zz
Professioneel -- telecommunicatie -- ruimtevaart -- militair -- automotive
45
Technologie en productie zz
procesontwikkeling en -implementatie
zz
materiaalontwikkeling en -productie
zz
ontwikkeling en assemblage productieapparatuur
zz
productie van geavanceerde cellen, modules en andere componenten
Onderzoek en overige diensten zz
financiële diensten
zz
projectontwikkeling
zz
technisch/wetenschappelijke diensten
4.4 Kansrijke PMCs voor de Nederlandse industrie Kansrijke PMC’s liggen allereerst daar waar de Nederlandse PV industrie zich al een positie in de markt heeft verworven, en waar verdere groei kan worden verwacht door innovaties en samenwerking. Door verdere technologische ontwikkeling kunnen er nieuwe kansrijke PMC’s ontstaan. De huidige sterktes van de Nederlandse industrie, bestaan uit: zz
PV in de gebouwde omgeving. , waarbij inbegrepen: integratie van PV in daken en in façades (gebouwen), energieconcepten voor in huis of op kantoor inclusief gecombineerde opwekking van elektriciteit en warmte, infrastructuur (lantaarnpalen, straatmeubilair, geluidsschermen, grondbedekking e.d.), bedrijfshallen, en oplaadpunten voor elektrische vervoermiddelen PV in de gebouwde omgeving biedt momenteel grote kansen, er is nog geen sprake van verzadiging van de markt. Deze toch al sterke PMC kan zich daardoor verder ontwikkelen en de komende vijf jaar de grootste groei laten zien. In de slipstream hiervan zullen ook de PMC’s financiële diensten, projectontwikkeling en onderzoek groeisectoren zijn.
zz
Zonnecentrales, zowel klein (<1 MWp), als groot (>1 MWp, met opslag van energie gedurende de nacht). Kleine PV-zonnecentrales kunnen worden gezien als decentraal vermogen binnen de gebouwde omgeving, nauw aansluitend bij het vorige punt. Daarnaast kunnen zonnecentrales worden gebruikt voor de kleinschalige energievoorziening van regio’s die niet zijn aangesloten op een nationaal elektriciteitsnet; Nederlandse bedrijven kunnen hier een rol kan spelen in projectontwikkeling.
46
zz
Productietechnologie. te weten technologie en bijbehorende productiemachines en productiemiddelen nodig voor de ontwikkeling en productie van PV-componenten en systemen, zoals celproductie en roll to roll dunnefilm productie. Voor geavanceerde technologieën (high end en bijzondere uitvoeringsvormen) kunnen er ook kansen zijn in de productie van de cellen en modules zelf.
Nieuwe kansen voor de Nederlandse PV-industrie kunnen worden gecreëerd door verder te investeren in kennis en technisch/wetenschappelijk onderzoek binnen de PV industrie, en door synergie te vinden met sterktes van andere Nederlandse industrieën. zz
Energieopwekking in kassen, hetzij voor eigen gebruik of voor levering van elektriciteit aan industrieën, woningen en gebouwen in de omgeving. De markt voor PV in kassen zal sterk gaan groeien. Deze PMC kan, in combinatie met de krachtige Nederlandse kassenbouwindustrie, een belangrijke groeimarkt betekenen.
zz
PV technologie in automotive, onder andere voor koeling van stilstaande auto’s in de volle zon. PV heeft in dit marktsegment een veel hogere marktwaarde dan PV op het dak van een huis, omdat de opwekkosten van een kWh in de auto veel hoger zijn dan de prijs van stoom uit het net. Er is in dit segment dan ook ruimte voor andere PV-technologie, al moet daarbij wel worden bedacht dat geheel andere eisen worden gesteld aan esthetica, onderhoud, betrouwbaarheid en levensduur .
Wij verwachten voor de komende 5 jaar vrij weinig kansen op succes voor de Nederlandse industrie in PMCs rond speciale functies en autonoom gebruik, zoals consumentenproducten, militaire toepassingen en ruimtevaart. Maar bij een belangrijke technologische doorbraak kan dit ineens veranderen. Wij concluderen dat de belangrijkste kansen voor de Nederlandse industrie liggen in productietechnologie en toepassing van PV in de gebouwde omgeving (met inbegrip van kleine zonnecentrales), en dat verdere innovatie kan leiden tot kansen in de sectoren kassen en automotive.
47
4.5 Eisen aan de PMC In tabel 8 benoemen we de belangrijkste eisen aan kansrijke PMCs rond toepassing van PV-cellen en modules PMC
Eisen Efficiency
Euro/Wp
Levensduur
Gewicht
Esthetica
Flex/vast
Renovatie en nieuwbouw (integratie in daken) Nieuwe energieconcepten voor huis en kantoor Infrastructuur (lantaarnpalen, geluidsschermen) Energieopwekkende kassen Bedrijfshallen Zonnecentrale groot Zonnecentrale klein Transportmiddelen Is belangrijk
Kan belangrijk zijn
Niet belangrijk
Tabel 8: Eisen aan PMC’s
Alle als kansrijk beoordeelde PMC’s moeten voldoen aan eisen voor efficiëntie, kosten en levensduur. Voor toepassingen in woningen en infrastructuur spelen esthetica en flexibiliteit ook een belangrijke rol. De innovatie rond productontwikkeling en productietechnologie moet zich dan ook op deze eisen richten.
4.6 Technologieroutes per PMC Elke van de gekozen PMC’s moet worden ingevuld met één of meer PV-technologieën. Bij de keuze van technologie moet rekening worden gehouden met een aantal technologietrends op systeemniveau: zz
integratie van PV cel-technologie in bouwelementen voor de gebouwde omgeving en in de constructie van transportmiddelen.
zz
snelle en eenvoudige assemblage en montage
zz
intelligente elektronica voor netkoppeling of autonoom gebruik van PV
zz
verhoging van de efficiëntie van het systeem
Op het niveau van cel- en modulefabricage zijn de volgende trends waarneembaar. zz
geavanceerde productieapparatuur voor het maximaliseren van de productie;
zz
nieuwe materialen voor de productie van cellen, modules en systemen;
Niet onderscheidend
48
Rekening houdend met deze trends geven we in tabel 9 een overzicht van de geschiktheid van bestaande en in ontwikkeling zijnde PV-technologieën voor de gekozen PMC’s, voor de jaren 2010 en 2015 (schatting). PMC
Technologie domeinen Siwafer
ThinSi
ThinCigs
ThinCdTe
ThinOPV
Jaartal ThinDSC
III-V
2010
Renovatie en nieuwbouw (integratie in daken)
2015 2010
Nieuwe energieconcepten voor huis en kantoor
2015 2010
Infrastructuur (lantaarnpalen, geluidsschermen)
2015 2010
Energieopwekkende kassen
2015 2010
Bedrijfshallen
2015 2010
Zonnecentrale groot
2015 2010
Zonnecentrale klein
2015 2010
Transportmiddelen Huidige technologie past nu of waarschijnlijk over 5 jaar
2015 Kan passen
Past waarschijnlijk niet
Niet onderscheidend of nog niet passend
Tabel 9: Geschiktheid van PV-technologieën voor PMC’s, 2010 en 2015 (schatting).
Uit deze tabel blijkt dat slechts een deel van de nu beschikbare en nu in ontwikkeling zijnde celtypes goed aansluit bij de gekozen PMC’s.
4.7 Specifieke kenmerken van PV in de Gebouwde Omgeving Uit de vorige hoofdstukken is gebleken dat de PMC Gebouwde Omgeving uitstekende kansen biedt voor de Nederlandse industrie. Een sterke thuismarkt is daarbij echter van groot belang. Daarom onderzoeken we in deze paragraaf de kansen op de ontwikkeling van zo’n sterke markt. Als we alléén kijken naar dakoppervlakte en gevels buiten beschouwing laten, is in Nederland in potentie 100 km2 beschikbaar voor PV op woningen. Daarbij is al rekening gehouden met de oriëntatie ten opzichte van de zon. Nederland is een dichtbebouwd land, en meervoudig ruimtegebruik zoals door zonnemodules op daken, is daarom een logische keuze. Omdat modules steeds lichten gaan worden, kan in principe elk dak worden gebruikt..
49
Drie ontwikkelingen kunnen het potentieel sterk beïnvloeden: zz
nieuwbouw met meer en grotere op de zon georiënteerde oppervlakken
zz
systeemprijzen waarmee alle hellende daken en gevels aantrekkelijk worden.
zz
verhuur van dakoppervlak aan energieproducenten.
De aanschaf van PV-systemen op koopwoningen zal voornamelijk plaatsvinden op natuurlijke momenten: bij nieuwbouw en bij renovatie. De markt van bestaande koopwoningen is groeiend. Deze markt ontstaat omdat PV-systemen financieel interessant worden voor particuliere huiseigenaren door subsidies (SDE)en fiscaal/financiële oplossingen zoals “green loans”. Bij huurwoningen is de aanpak duidelijk anders. Een aantal woningcorporaties ziet PV als interessant onderwerp. Toepassing van PV komt in beeld binnen een bredere discussie over woonlasten. Vooral daken van flats en van aaneengesloten eengezinswoningen lenen zich voor seriematige toerpassing van PV. Met de SDE als stimulans installeren corporaties momenteel aanzienlijke aantallen PV-systemen. In 2008 was in Nederland volgens het CBS totaal 57 MWp PV geïnstalleerd. Volgens het CBS worden jaarlijks in Nederland ongeveer 80.000 woningen gebouwd en 20.000 woningen onttrokken, dus netto komen er 60.000 woningen per jaar bij. Er zijn al vele tienduizenden PV systemen op woningen geplaatst. Een aansprekend voorbeeld is de Stad van de Zon in Heerhugowaard: op 2/3 van de meer dan 1600 woningen in deze nieuwbouwwijk is zonne-energie geïnstalleerd, met een gemiddelde van ongeveer 2 kWp per woning.
Figuur 25: Woningen met PV-systemen in de Stad van de Zon (Heerhugowaard)
Figuur 24: Voorbeeld van woning met PV systeem
50
Qua technische toepassingen zien we vooral: zz
Modules (vooral kristallijn, en CIGS is in opkomst) gemonteerd op een frame/beugel boven dakpannen op schuine daken, en modules op beugels op platte daken
zz
Modules bevestigd met een beugel aan de gevel
zz
Modules verwerkt in een luifel/overkapping
zz
Dunne film in rollen toegepast op platte daken
zz
Amorfe cellen verwerkt in glas, als raam, aan de gevel of als luifel of dak
Als opkomende toepassingen zien we volledig geïntegreerde systemen, beter bekend als BIPV (building integrated PV), waarbij de modules onderdeel zijn van bouwelementen als dakpannen, gevels en ramen. In de markt voor netgekoppelde PV-systemen op woningen zullen systemen tot ongeveer 5kWp per woning begrensd zijn (mede door het beschikbare dakoppervlak). De groei kan versterkt worden door: zz
financiële steun voor de industrie bij de ontwikkeling van innovatieve gebouw-geïntegreerde producten (BIPV),
zz
ambitieuze en verplichtende energiedoelen in nieuwbouw en renovatiebouw (middels EPC en Energielabel),
zz
financiële prikkels aan gebruikers voor toepassing van PV,
zz
een verplicht aandeel duurzame stroom in het pakket van energieleveranciers.
Voor nieuwbouw en renovatiebouw geldt al de EPC waarbij het energiegebruik steeds verder moet dalen, echter zonder een verplicht aandeel duurzaam. Naarmate de EPC verder wordt aangescherpt, zal toepassing van PV systemen meer in beeld komen. Met een piekvermogen van 150 Wp per m2 is het theoretisch potentieel op 100 km2 zo’n 15 GWp. Theoretisch is dit een geweldige markt, echter praktisch zal lang niet al dit dakvlak gebruikt kunnen worden voor PV. Echter: als zelfs maar een klein deel van het beschikbare dakoppervlak wordt voorzien van PV, is er nog een enorme potentie voor groei in de woningbouw. Op dit moment is de drempel voor toetreding tot de markt nog zeer laag. Tot 2013 bestaat er nog geen certificeringslabel voor installateurs. Wel valt levering van PV-producten onder internationale en nationale technische normen of keurmerken. Ter voorbereiding op het certificerings
51
label werken Uneto-VNI en Holland Solar een plan uit voor een pakket maatregelen om kwaliteit en transparantie van de sector te vergroten (Masterplan Zonne-energie). Binnen enkele jaren zal er daarom wel een pakket van opleidingen, certificeringen, installatie-eisen, normen en keurmerken in de PV sector gelden. Ontwikkelingen en groeikansen in de woningbouw Het grootste deel van de bestaande installaties op huizen is aangebracht door Nederlandse bedrijven. Ook advies, ontwerp en verdere dienstverlening zijn merendeels afkomstig van Nederlandse bedrijven. Nederland kent momenteel echter slechts één producent van PV-cellen (Solland Solar Cells), en slechts enkele moduleproductiefabrieken (o.a. Scheuten, Ubbink en Solar Modules Netherlands); het overgrote deel van de geplaatste systemen zal dus niet van Nederlands fabricaat zijn. Voor omvormers is het bedrijf MasterVolt een belangrijke speler in de Nederlandse markt. Succesfactoren voor de Nederlandse PV-industrie in deze PMC zijn: zz
Gebruik maken van Nederland Kennisland: ontwikkeling van slimme en efficiënte. integratie van PV-technologie in bouwelementen voor de woningbouw (dakpannen, prefab daken en gevels e.d.).
zz
Efficiënter gebruik van opgewekte PV-elektriciteit in de woning door integratie van het PV systeem met het elektriciteitsdistributiesysteem in huis. Wij kunnen ook denken aan de ontwikkeling van ‘Zonnecelhuizen’ met integratie tussen omvormers en een DC (gelijkstroom) netwerk voor DC afnemers in huis.
zz
Opleiding van bedrijven en promotie van de toepassing van PV in de woningbouw
4.8 Specifieke kenmerken van PV in Kassen De kastuinbouw in Nederland is in principe een zonnecollector van 10.000 hectare (100 km2). De intensiteit van de invallende energie is echter in de meeste gevallen te hoog voor het kweken van groentes en fruit. Daarom zijn veel kassen bedekt met witte verf of zonwerende folie. Slechts een klein deel van het zonnelichtspectrum is echt nodig voor de groei van de planten (PAR, photosynthetic active radiation 400 – 760 nm) en een deel van de warmtestraling kan worden gebruikt om de kas direct op te warmen; het overschot kan worden gebruikt om energie op te wekken. Ongeveer de helft van de energie die uiteindelijk het aardop-
52
pervlak bereikt zit in PAR gebied. De andere helft is infrarood. Bijna alle UV straling wordt door de atmosfeer geabsorbeerd. Bij de Wageningen UR wordt gewerkt aan concepten voor energiezuinige kassen en energie-opwekking met behulp van kassen. Het project Elkas doet onderzoek aan kasconcepten om zowel gewas als stroom te leveren. Figuur 26, Elkas (Bron: Wageningen UR).
Er wordt ook gekeken naar methoden om selectief infrarood uit het licht te filteren bv. met op de kas te monteren uitrolbare NIR reflectoren. Een andere benadering is het glas direct te voorzien van een selectief filter voor NIR met een blauw-groene geoptimaliseerde transparante zonnecellaag. Het rendement van de zonnecel zelf is hierdoor lager dan gebruikelijk, maar het rendement van het systeem als onderdeel van de energievoorziening van de kas is wel zeer hoog. Het infrarood wordt namelijk niet alleen gebruikt voor het opwekken van elektriciteit maar ook voor directe of indirecte verwarming van buffers. In de samenleving bestaat kritiek op de glastuinbouw vanwege het gebruik van energie,
Figuur 27. Relatieve plantgevoeligheid voor licht (witte lijn) in vergelijking met het menselijk oog (grijze lijn) (bron: kasklimaat.nl)
bestrijdingsmiddelen en meststoffen, uitstoot van CO2 en lichthinder. De glastuinbouw moet daarom volgens agriHolland structureel werken aan vermindering van de uitstoot. De beperking van alle emissies is hierdoor ook een bedrijfseconomisch belang van de individuele tuinder. Op dit moment wordt aan dit onderwerp dan ook al veel aandacht besteed. Ontwikkelingen en groeikansen in de glastuinbouw De toepassing van PV in de glastuinbouw wordt nog volop onderzocht. Daarom kunnen sterktes en zwaktes voor de industrie nog niet worden aangegeven. Wel kan een indruk worden gegeven van de kansen. De ambitie van de glastuinbouw is vanaf 2020 in nieuwe kassen klimaatneutraal en economisch rendabel te telen, met veel minder fossiele energie. De glastuinbouw is in 2020 daarnaast ook leverancier van duurzame warmte en elektriciteit. Dit is het onderwerp van het Masterplan ‘Kas als Energiebron’. De energiedoelstelling van dit programma is om in 2020 tenminste 3.3 Mton CO2 minder uit te stoten dan in 1990. Dit is een reductie van 48%. Hiervan neemt toepassing van WKK ongeveer 2.3 Mton voor zijn rekening en de teelt circa 1 Mton. De doelstellingen worden gehaald met de volgende middelen: zz
2% energie-efficiëntieverbetering per jaar tot aan 2020;
zz
20% duurzame energie in 2020;
zz
700 ha semigesloten kassen in 2011 (en 2500 ha in 2020).
53
4.9 Specifieke kenmerken van PV in Automotive Het meest bekende voorbeeld van de toepassing van zonnecellen in de automotive sector zijn de “zonnewagens” die aan de World Solar Challenge in Australië meedoen. De auto’s zijn volledig bedekt met hoogwaardige zonnepanelen en gebruiken voor de voortbeweging uitsluitend de elektriciteit die deze genereren, waarbij gemiddelde snelheden worden bereikt van meer dan 100 km/u over lange afstanden. In de dagelijkse praktijk is het gebruik van zonnecellen echter nog weinig in de automobielindustrie doorgedrongen. Er is echter veel voor te zeggen om zonnecellen in bijvoorbeeld het dak van een auto te integreren, zelfs als we het hebben over niet-elektrische auto’s. Met de toenemende hoeveelheid elektronica in een auto wordt de elektriciteitsbehoefte steeds groter. Een snelle berekening leert dat een zonnepaneel van 1 m² gedurende 10 jaar circa 3 MWh kan opbrengen (20% efficiëntie; 4 uur zonnestraling per dag). Het genereren van deze stroom op basis van benzine kost momenteel ongeveer €3600 (benzineprijs €1.20/l, chemische energie 10 kWh/l benzine, 10% efficiëntie voor omzetting chemische naar elektrische energie). Zelfs een relatief duur zonnepaneel van €4/W, ofwel €800, is hier veel voordeliger. Maar behalve economische aspecten spelen esthetische aspecten wellicht een grote rol. De aanschaf van een auto is een emotionele zaak, en zonnecellen op de auto moeten er daarom vooral goed uitzien. Tot nog toe zijn Audi, Toyota en Volkswagen de enige fabrikanten die een zonnedak kunnen leveren. Het is ook mogelijk om zonnepanelen te gebruiken om het bereik van een hybride of elektrische auto te verhogen, bijvoorbeeld bij de Fisker Karma, de Chevy Volt (als optie), de Italdesign Quaranta, de Free Drive EV Solar Bug, en tal van andere elektrische voertuigen, zowel in de concept- als in de productiefase. De Toyota Prius biedt de mogelijkheid van integratie van een 215 W module in combinatie met een extra 3 kWh accu, wat het bereik vergroot tot 50 km per dag. Ontwikkelingen en groeikansen in de automotive sector zz
Figuur 28: Prius uitgevoerd met zonne-energiedak
Naarmate de prijzen van fossiele brandstoffen stijgen, de elektriciteitsbehoefte van conventionele auto’s groter wordt en het aandeel hybride en elektrische auto’s groeit, zal de zonneenergie in de automotive sector aantrekkelijker worden; deze sector zou snel tot een aanzienlijke markt kunnen uitgroeien;
zz
Daarnaast kunnen car ports bij huizen en bedrijven worden uitgerust met zonnedaken als oplaadstations voor elektrische en hybride auto’s. Hiervoor moet wel een klein smart grid worden aangelegd.
Figuur 29: PV Car port (Aventis)
54
4.10 Specifieke kenmerken van productietechnologie van PV systemen Nederland en vooral zuidoost Brabant heeft een aantal wereldwijd opererende OEM-bedrijven voor productietechnologie en apparatuur in de halfgeleider- en printing-industrie. De onderdelen en materialen voor deze bedrijven worden vaak lokaal geproduceerd door een efficiënte toeleverketen. Een belangrijk aandeel in de economische bedrijvigheid in Nederland komt voort uit deze High Tech Systems industrie. Een aantal bedrijven heeft al de overstap gemaakt naar productiemiddelen voor de PV-industrie. De markt voor productiemiddelen ontwikkelt zich gunstig omdat de vraag naar PV-elektriciteit elk jaar blijft stijgen, waardoor er automatisch ook vraag naar nieuwe productiemiddelen blijft bestaan. Ook al verschillen de procesflows van kristallijn SI en dunne film zonnecellen op een aantal punten sterk van elkaar (figuur 30), toch worden deels dezelfde productieprocessen gebruikt (tabel 10).
Productiemachines
Ingot
Cel
Wafer
Module
Dunne-film PV
Kristallijn Silicium
Silicium
Actief materiaal
Cel = module
Hulpstoffen Figuur 30: Overzicht procesflows voor kristallijn silicium en dunne film PV.
Installatie/ onderhoud/ reparatie
55
Wafer productie
Apparatuur
Kristallijn silicium
Dunne film
Handling & transport
Pick & place
N.v.t.
Oven
Smelten
N.v.t.
Zagen
Wafers uit ingot
N.v.t.
Inspectie
Breuk, crack, elektrische eigenschappen
N.v.t. Glas, metaal, polymeer (allen zowel vlak rigide of als flexibele folie)
Substraat productie Cel productie
Handling & transport
Pick & place, transport, sorteren
Pick & place, transport, Roll-to-roll
Nat chemisch etsen en reinigen
Cleaning, textuur etsen, fosfor glas etsen
Substraatreiniging, TCO etsen
Spray processen
Dotering
Antireflectie
Band/batch ovens
Diffusie, firing
Annealing
Diffusieovens
Doteren silicium
Chemische gasfase depositie (evt met plasma)
Antireflectie laag
Actieve lagen, TCO, isolatie
Atomic Layer Deposition
Passivatie lagen (AlO)
Barrierelagen, CdS-vervanging, passivatie
Sputteren
Contacten, actieve lagen, TCO, antireflectie, isolatie
Opdampen
Actieve lagen, antireflectie
Laser bewerkingen
Edge isolation, selectief doteren
Separatie en contactering
Screenprinten
Contactering dmv metaalpasta’s
Contactering dmv metaalpasta’s
Inkjet printing
Selectief doteren
Selectief doteren depositie actieve lagen
Natchemisch deponeren en volvlaks printen (Nano)imprinten
Module productie
Installatie en onderhoud
Antireflectie lagen, actieve lagen, transparante geleiders Lichtmanagement
Lichtmanagement
Belichting
Light soak
Inspectie
Real time in line inspectie
Handling & transport
Pick & place, transport
Verbinden dmv - solderen, lijmen / kit
Connecties tussen wafers in module
Vacuüm ovens
Encapsulatie
Encapsulatie
Lamineren
Encapsulatie
Encapsulatie
Inspectie
Cracks, efficiency
Efficiency
Hoogwerker Mechanische en elektrische installatie materialen
Tabel 10: Productiestappen, processen en materialen voor kristallijn Si en dunne film.
Pick & place, transport
56
4.11 Ontwikkelingen en groeikansen in productietechnologie. Meestal worden PV producten nog batchgewijs geproduceerd. Dit heeft als voordeel dat er snel geschakeld kan worden naar een ander productietype en andere productieprocessen. Als er veel vraag is naar relatief dure hoog-efficiënte cellen, dan worden deze gemaakt. Is er later veel vraag naar goedkopere cellen voor modules, dan wordt de lijn daarop ingesteld. In de toekomst zal er steeds meer vraag komen naar gespecialiseerde productielijnen die voor de laagste kosten één bepaald type zonnecel kunnen maken. Dit wordt vooral belangrijk wanneer grid parity binnen bereik komt, en de vraag naar PV echt begint te groeien. R&D naar grootschaliger, meer efficiënte, duurzame productieprocessen en productiemiddelen die deze grid parity dichterbij brengen, is dan ook gewenst. Wij zien de volgende kansen voor productiemiddelen van PV: zz
Eén van de accenten in de industrie is verbetering van het celrendement. Productiemiddelen die zulke cellen met verbeterd rendement op industriële schaal kunnen produceren, bieden de beste kansen in de markt.
zz
Garantie op celrendement: investeerders zijn eerder geneigd in PV projecten te stappen als een bepaald celrendement gegarandeerd wordt. Producenten van modules zullen eerder kiezen voor een leverancier van cellen met een gegarandeerd rendement, en daarom zullen ook leveranciers van PV productiemiddelen een garantie moeten gaan afgeven op het rendement van de cellen uit hun productielijn. Om dit te kunnen doen is kennis van het gehele productieproces nodig en de rol van de eigen productiemiddelen daarin.
zz
In-line productielijnen: van wafer tot module. De huidige productielijnen met batchprocessen vereisen veel handwerk (= loonkosten) om de batchprocessen aan elkaar te koppelen. Een belangrijke verliespost bij deze productielijnen is verder uitval van producten bij transport tussen batchprocessen. In de nabije toekomst, bij grid parity van PV, zullen er gespecialiseerde in-line productielijnen nodig zijn waarbij deze twee kostenposten worden vermeden. Het proces van de huidige dunne film zonnecel kunnen we zien als een quasi in-line productie. Integratie naar een volledige in-line roll-to-roll productie is voor veel dunne film zonneceltypen mogelijk. Energiekosten worden dan belangrijker dan loonkosten.
57
zz
Processtappen in elkaar voegen: hoe meer processen er in één productielocatie samengevoegd kunnen worden, des te minder transport is er nodig. Productie-uitval bij transport is een grote schadepost terwijl de marges op productie van PV-cellen toch al laag zijn. Het wordt belangrijk voor gespecialiseerde leveranciers van productiemiddelen om samenwerking te zoeken met voor- en achterliggende processen in de lijn.
zz
Cycle/taktijd < 1 s: Sommige processtappen in bestaande productielijnen vergen veel tijd: thermische processen, diffusie, etc. Met een kortere taktijd van de productielijn wordt de productiviteit verhoogd. Meer R&D is nodig om de cyclus voor processen en machines te kunnen bekorten.
In Nederland zijn producenten actief voor productiesystemen van zonnecellen en modules. De investering voor een uitbreiding van de productiecapaciteit met 1 GWp vergt in 2010 een investering van 250 tot 300 miljoen Euro voor zonnecelproductie (exclusief de kosten voor de infrastructuur) en van 100 tot 125 miljoen Euro voor moduleproductie. De markt voor productiemiddelen is in principe af te leiden uit de verwachte groei van PV-systemen (zie hoofdstuk 4.1). Maar deze markt kent een grillig verloop omdat kleine effecten in de markt van modules een groot effect kunnen hebben op de investeringsbereidheid van producenten. Alleen gemiddelden over een aantal jaren zijn op die manier af te leiden. De markt voor productiesystemen is verder afhankelijk van de volgende effecten. zz
De economische levensduur van productiesystemen bedraagt ongeveer 5 jaar. Er zal dus binnen afzienbare tijd ook een vervangingsmarkt gaan ontstaan.
zz
De productiviteit van productiesystemen zal toenemen en de prijzen zullen dalen.
zz
Om het rendement van zonnecellen te verhogen worden extra processtappen toegevoegd in productielijnen; hiervoor is aanvullende apparatuur nodig.
zz
Productieprocessen zullen steeds meer worden geautomatiseerd.
zz
Op het gebied van meet- en inspectietechnologie en procesbeheersing zijn er nog vele kansen omdat deze technieken nog volop in ontwikkeling zijn.
59
5. Technologie 5.1 Onderscheidende technologieën Alle nu industrieel geproduceerde zonnecellen (kristallijn en amorf silicium, CIGS en CdTe) vertonen dezelfde dalende lijn in productiekosten. Zoals figuur 31 laat zien (de lijn ‘demand’) wordt grid parity (evenaring van de consumentenprijs voor elektriciteit) in zonnige gebieden als Zuid-Europa in 2012/2013 verwacht. In de jaren daarop zal grid parity ook worden bereikt in minder zonnige streken.
Figuur 31: Verwachte prijzen voor zonnestroom en elektriciteit uit het net (Bron Deutsche Bank Securities).
De kostprijsontwikkeling van PV-elektriciteit wordt bepaald door een combinatie van voortschrijdende technologieontwikkeling en schaalvergroting. De productievolumina stijgen de laatste jaren met ongeveer 40% per jaar, wat een verdubbeling elke twee jaar betekent. Hierdoor zal PV de komende jaren op alle markten doorbreken. Nu al is PV de goedkoopste vorm van elektriciteitsvoorziening op plaatsen waar geen netaansluiting beschikbaar is: in afgelegen gebieden, op open water en in de ruimtevaart. Daarna volgt de consumentenmarkt van elektriciteitsgebruikers verbonden met het net. Grid parity wordt hier bereikt tussen 2010 en 2030, afhankelijk van uren zonneschijn en elektriciteitsprijs (verschilt sterk per land). Bij verdergaande prijsdaling kan zonnestroom geleidelijk gaan concurreren met groothandelsprijzen, en op den duur met vermeden brandstofkosten van conventionele centrales. Bij elke stap zal de markt in omvang toenemen. Alle PV-technologieën concurreren met elkaar op de markt en zullen dus de kostenreductie moeten volgen, een bijzondere niche vinden, of afhaken.
60
Figuur 32: verwachte, respectievelijk mogelijke rendementsontwikkeling van PV-modules. Bron: Technology Roadmap Solar photovoltaic energy © OECD/IEA, 2010.
Op internationaal niveau zijn de belangrijkste doelstellingen voor de ontwikkeling van PV-cellen en modules, zowel in termen van energierendementen als in termen van materiaalverbruik en materiaalverwerking in productieprocessen recent nog omschreven in de IEA Roadmap 2010 (zie tabellen 11, 12 en 13). Kristallijn silicium
2010-2015
2015-2020
2020-2030 / 2050
Rendementdoelen (commerciële modules)
Monokristallijn Si : 21% Multikristallijn Si: 17%
Monokristallijn Si : 23% Multikristallijn Si: 19%
Monokristallijn Si : 25% Multikristallijn Si: 21%
Aspecten van industriële maakprocessen
Si consumptie < 5 g/W
Si consumptie < 3 g/W
Si consumptie < 2 g/W
Geselecteerde R&D-thema’s
Nieuwe siliciummaterialen en -processen Celcontacten, emitters, interconnectie, passivering
Verbeterde cel- en modulestructuren Productiviteitverbetering en kostenoptimalisatie in productieprocessen
Wafer-equivalent technologieën Nieuwe celstructuren met nieuwe concepten
Tabel 11: Ontwikkeltraject voor kristallijn silicium (bron IEA 2010)
Dunne films
2010-2015
2015-2020
2020-2030
Rendementdoelen (commerciële modules)
Dunne-film Si: 10% CIGS: 14% CdTe: 12%
Dunne-film Si: 12% CIGS: 15% CdTe: 14%
Dunne-film Si: 15% CIGS: 18% CdTe: 15%
Aspecten van industriële maakprocessen
Hoge-snelheid depositie Roll-to-roll productieprocessen Encapsulatie
Vereenvoudiging van productieprocessen Goedkope encapsulatie Management van toxische materialen
Grote hoog-rendement productiesystemen Beschikbaarheid van te gebruiken materialen Recyling van PV-modules
Geselecteerde R&D-thema’s
Depositieprocessen voor grote oppervlakken Verbeterde substraten en transparante geleidende oxides (TCOs)
Verbeterde celstructuren Verbeterde depositietechnieken
Geavanceerde materialen en concepten
Tabel 12: Ontwikkeltraject voor dunne film technologie (bron IEA 2010).
61
De kristallijn silicium en dunne film technologieën hebben nog een aanzienlijk potentieel voor verdere kostenreductie en rendementsverbetering. Wel kunnen in de toekomst nog grote verschuivingen in marktaandeel gaan plaats vinden door technologische ontwikkelingen, vraag en aanbod van grondstoffen, geografisch toepassingsgebied, toepassingsdomein, en wet- en regelgeving, factoren die elkaar ook onderling beïnvloeden. Voor dunne film technologie zijn de rendementen wat lager dan voor wafergebaseerde kristallijn silicium technologieën. De kostprijs per oppervlakte-eenheid is echter meestal ook lager zodat de prijs per kWh weer ongeveer gelijk kan zijn. Alle technologieën hebben een best match met een bepaald toepassingsgebied, waardoor ze de komende jaren naast elkaar kunnen blijven bestaan. Dat resulteert in een aantal technologie-conglomeraten die per conglomeraat de gehele keten van applicatie, module, cellen, materialen en bijbehorende maakprocessen en productiemachines in stand houden en verder uitbreiden en optimaliseren. Overige technologieën
Concentrator PV
Opkomende technologieën
Nieuwe PV-concepten
Celtype
Hoge kosten, superhoge rendementen
Lage kosten, redelijke rendementen
Zeer hoge rendementen mogelijk Volledige benutting zonnespectrum
Status en potentieel
23% systeemrendement is reeds gedemonstreerd Meer dan 30 procent rendement is haalbaar op middellange termijn
Nu op demonstratieniveau (bijvoorbeeld OPV, geprint CIGS, dye PV) Eerste toepassingen in nichemarkten
Grote variëteit aan omzettingsprincipes en celconcepten in het laboratorium Potentiële ‘doorbraaktechnologieën’
Geselecteerde R&D-thema’s
Bereik superhoge rendementen van meer dan 45% Goedkope en kwalitatief goede oplossingen voor optische concentratie en tracking (zonvolgen)
Verbetering van rendement en stabiliteit voor eerste commerciële toepassingen Encapsulatie van organische concepten
Proof-of-principle van nieuwe omzettingsconcepten fabricage, karakterisering en modellering van (in het bijzonder) nanogestructureerde materialen en cellen
Tabel 13: Ontwikkeltraject voor overige technologieën (bron IEA 2010).
5.2 Conclusies Uit de inventarisatie voor deze Roadmap van Nederlandse PV-bedrijven blijkt dat de meeste omzet wordt gemaakt in de bouw van productieapparatuur. Deze apparatenbouw maakt deel uit van een bredere sterkte van Nederland in high-end equipment. Om deze redenen is als technologiefocus van het ecosysteem in Nederland gekozen voor productietechnologie.
62
Dit mag echter niet geïnterpreteerd worden als een signaal dat er vanuit technologisch oogpunt minder belang zou worden gehecht aan het ontwikkelen van Nederlandse PV productie faciliteiten: high tech productie met een hoge mate van automatisering is kansrijk, en voor de ontwikkeling van productietechnologie is het van groot belang ook lokaal voeling te houden met de implementatie van nieuwe technologie in een echte productieomgeving (belang van technologisch ecosysteem). Binnen de focus productietechnologie onderscheiden we drie deelaspecten, elk met een eigen leidend motief: Productietechnologie
Betaalbaar en duurzaam
Materialen
Efficiënt met minder gebruik van schaarse grondstoffen
Processen
Snelle, groene processen (met lage capex)
Concepten
Efficiënte en esthetische (trendy) bouwintegratie
De belangrijkste middelen om deze doeleinden te bereiken zijn de volgende. Materialen zz
Kostprijs en schaarste -- Dunnere zonnecellen -- Dunnere absorbers door efficiëntere lichtinvangst (textuur, nanofotonica) -- Efficiëntere absorbers (nanomaterialen, nanowires) -- Printbare materialen -- Vervanging van schaarse en/of ongewenste elementen door alternatieven -- In, Ga, Cd, Te, Ag vervanging
zz
Substraatontwikkeling -- In de bouw integreerbare dragers optimaliseren voor het groeien/ aanbrengen van PV materiaal -- Dun Si, verliesloos “zagen”
zz
Barrièrelagen voor flexibele encapsulatie en eliminatie van glas-encapsulatie
63
Processen zz
Roll-to-roll processen -- Hantering substraat (deformatie, tracking, overlay) -- Homogene en snelle aanbieding van energie voor oppervlakteprocessen -- Combineren van processtappen met oplosmiddelen met gasfase depositie -- Snelle laser patronering/activatie
zz
Printen -- Homogeen printen van dunne lagen op grote oppervlakken (nanometer uniformiteit op meters brede substraten) -- Curing (thermische processtappen) -- Patroonmatige depositie
zz
In-line inspectie -- Bepalen van de belangrijkste parameters voor modulekwaliteit en levensduur -- In-line control systemen gebaseerd op in-situ meting van deze parameters
zz
Groen -- Reductie energiegebruik (proceswarmte, pompen, etc.) -- Efficiënt materiaalgebruik (efficiënte materiaaloverdracht, gesloten systemen) -- Schone en recycleerbare processen (droge processen, terugwinning)
Concepten zz
Integratie op moduleniveau -- Silicium wafer processing op moduleniveau (niet meer modules vormen uit voltooide cellen,maar cellen pas voltooien op moduleniveau) -- Geïntegreerde interconnectie (MWT, EWT, geprinte contactering) -- Flexibele interconnectie
zz
Module-integratie in bouwmateriaalconcepten -- Lagere cost of ownership op installatieniveau -- Vorm- en maatvrijheid -- Esthetische vormgeving -- Bouwmaterialen met geïntegreerde functionaliteit (kassen, utiliteitsbouw, woningen)
64
5.3 Materiaaltechnologie Ook voor materiaaltechnologie zijn de belangrijkste drivers kostenreductie en rendementsverhoging. Voor het succes van de PV-industrie zijn verbeteringen op deze gebieden onontbeerlijk. Daarnaast worden duurzaamheid, schaarste en recycling steeds belangrijker. Op deze gebieden zullen enkele belangrijke stappen gezet moeten worden. Wij bekijken de vereiste materiaalontwikkelingen nader voor vijf sectoren: 1. Si-wafer 2. Dunne-laag zonnecellen 3. Substraatmateriaal 4. Modules 5. Duurzaamheid Si-wafer Si-wafers hebben op de wereldmarkt het grootste aandeel en daarom bestaat er veel aandacht voor verbeteringen in deze technologie, zeker ook gezien de sterker wordende concurrentie van dunne film PV. Zowel hoge celrendementen als concurrerende prijzen zijn nodig om de huidige vooraanstaande marktpositie te behouden. Omdat de Si-wafer zelf een grote kostenpost is, heeft veel R&D hierop betrekking. Voorbeelden van zulk onderzoek zijn: zz
Gebruik van lagere (dan Semicon) kwaliteit silicium, zoals upgraded metallurgisch (UMG) Si, voor lagere kostprijs per kWh.
zz
Gebruik van juist zeer zuiver silicium voor hogere kWh-opbrengst per vierkante meter
zz
Verminderen van de waferdikte, eerste naar ongeveer 100 µm, later naar 20-50 µm.
zz
Vervaardigen van Si uit zuivere SiO2 en C bronnen.
zz
Ontwikkeling van processen voor verliesloos “waferen”.
zz
Ontwikkeling van n-type Si als vervanger voor het huidige p-type materiaal
zz
Hetero- en multi-junctie cellen.
zz
Verminderen van defecten door andere materiaal- en productietechnologie.
Sommige ontwikkelingen zouden ten koste kunnen gaan van het celrendement. Maar de markt vraagt rendement (meer kWh per vierkante meter) eerder dan kostprijs, en daarom ligt de nadruk bij R&D op hoger rendement met een focus op innovaties in het complete cel- en moduleontwerp.
65
Dunne-laag zonnecellen Materiaalonderzoek en -ontwikkeling voor dunne-laag zonnecellen richten zich vooral op rendementverhoging, materiaalgebruik, kostenbesparing, nieuwe materialen en vervanging van schaarse materialen. Er is een tendens naar materialen die bij lage temperatuur, onder atmosferische condities en/of droog kunnen worden verwerkt. Veel aandacht krijgt het aanbrengen van materialen met printtechnieken. Voor grootschalige PV productie lijkt een all-printed R2R proces uiteindelijk de beste oplossing, mits aan alle eisen van rendement, kwaliteit, betrouwbaarheid en kosten kan worden voldaan. Deze ontwikkeling is belangrijk voor de regio, aangezien er regionaal veel know-how van printprocessen bestaat. Materialen geschikt voor verwerking met printprocessen moeten deels nog worden ontwikkeld. Materiaaltechnologie heeft betrekking op de volgende lagen van een dunne film zonnepaneel: zz
Actieve laag: zoals CdTe, CIGS, CZTS, a-Si, OPV, c-Si en III-V. De toename in interesse voor III-V halfgeleiders (zoals GaInP, GaAs, Ge) hangt samen met de opkomst van concentrator PV (CPV). CZTS wordt bestudeerd als mogelijke opvolger van CIGS. Voor organische PV (OPV) wordt gekeken naar synthese van nieuwe moleculen met hoger rendement. Bij a-Si is er belangstelling voor materialen waarvan de bandgap aangepast kan worden, en voor tandem- en tripelcellen uit verschillende typen silicium met variërende bandgap.
zz
Barrièrelaag: toplaag aan de zonzijde, afdeklaag op het dragermateriaal aan de achterzijde van de cel, ter bescherming van de gevoelige actieve laag tegen zuurstof, vocht, en onzuiverheden uit het dragermateriaal. Bij sommige typen PV (bijvoorbeeld OPV) zijn de eisen stringent. De barrièrelaag moet pinholevrij en (aan de zonzijde) transparant zijn. Bij flexibele PV gelden nog extra eisen aan de barrièrelaag. Veel gebruikte barrièrematerialen zijn siliciumnitrides en -oxides, maar ook andere (an)organische verbindingen, al of niet in meerdere lagen, staan in de belangstelling.
zz
Top-elektrode: materialen, of laagcombinaties, die zowel transparant als geleidend zijn. Ontwikkelingen vinden plaats op gebieden als optimalisatie en atmosferische depositie van transparant geleidende oxides (TCO), combinatie van TCO met metalen grids, ontwikkeling van organische geleiders, en nanowires.
66
zz
Lichtmanagement-lagen: bijvoorbeeld anti-reflectie coatings, of juist reflecterende grensvlakken voor lichtopsluiting. Deze lagen zijn vaak (nano)gestructureerd of worden samengesteld uit materiaalcombinaties met geoptimaliseerde brekingsindex. Op de iets langere termijn wordt toepassing verwacht van fotonconversie. Een typisch voorbeeld van dit laatste zijn fosforen en quantumdots die het invallende licht kunnen omvormen in de voor de PV optimale golflengtes. Er wordt ook gewerkt aan plasmonische lagen die lichtinvang en conversie combineren.
Substraatmateriaal Als ondergrond voor dunne film PV wordt momenteel bij voorkeur glas gebruikt (voornamelijk soda-lime glas). Glasonderzoek omvat versterken en temperen van glas, aanbrengen van coatings om extra functionaliteit toe te voegen (barrière, geleiding, antireflectie, etc.), en vinden van alternatieven voor soda-lime glas (ook wel groen glas genoemd), zoals het meer transparante low-iron glas (wit glas).Andere materialen worden ook onderzocht, zoals plastics, folies, metalen en flexibel glas. Deze materialen hebben enkele voordelen boven glas: zz
Meer mogelijkheden voor integratie in bouw en applicaties als de PV-modules flexibel zijn in plaats van rigide.
zz
Lager gewicht, belangrijk bij systeeminstallatie.
zz
Mogelijkheid van R2R productietechnologie bij gebruik van flexibele substraten.
zz
Combinatie van de functionaliteit van de drager met die van de elektrode bij metalen folies. Titaanfolies worden al gebruikt als PV substraat, maar er wordt ook gekeken naar RVS, koper en andere, goedkopere staalsoorten.
Naast de functie van drager heeft glas ook de functie van barrière voor zuurstof en vocht. Bij keuze van een ander substraatmateriaal moet deze functie gehandhaafd blijven, eventueel door een extra coating. Modules Veel fabricagekosten van PV modules worden gemaakt ná het fabriceren van de cel. Dit betreft vooral contacteren en serieschakelen van de individuele cellen, en encapsuleren en afwerken van de uiteindelijke module. Veel grote producenten kiezen hier nog niet voor volledige automatisering, er wordt nog veel met de hand gedaan. Gedeeltelijk is dit een gevolg van de gebruikte productietechnologieën. Een belangrijk deel is echter toe te schrijven aan de gebruikte materialen.
67
Op het gebied van contactering wordt gezocht naar goedkopere materialen als aluminium voor zilver screenprinten en voor het solderen van de individuele cellen. Voor moduleproductie wordt gezocht naar goedkope, lichte en bij voorkeur flexibele plaatsvervangers voor nu gebruikte materialen als glas en EVA, die toch weersbestendig, UV-tolerant en voldoende sterk zijn. Duurzaamheid Duurzaamheid is de laatste jaren een steeds belangrijker onderdeel van de R&D activiteiten geworden. Vooral vervanging van schaarse materialen en recycling staan in de belangstelling. zz
Materiaalschaarste zal in de toekomst een steeds belangrijker probleem gaan vormen. De siliciumwafer-schaarste van een aantal jaren geleden heeft al duidelijk laten zien hoe afhankelijk de PV-kostprijs is van grondstoffen. Veel PV-materialen behoren tot de categorie schaars tot zeer schaars (zoals In, Ga, Cd, Te, Ag). Voor sommige materialen, zoals indium, is het daarom nu al gewenst, efficiënt met de grondstof om te gaan en recycling te ontwikkelen. Voor transparante geleiders als indium-tin oxide (ITO) worden alternatieven ontwikkeld. Ook wordt onderzoek gedaan naar het vervangen van indium en gallium uit CIGS door zink en tin (CZTS). Het rendement van dit type PV is misschien iets lager, maar er worden geen schaarse materialen meer gebruikt (wereldjaarproductie zink:107 ton/jaar, tin 105 ton/jaar). Ander onderzoek richt zich op het vervangen van zilver door niet-zeldzame metalen (koper, aluminium, etc.), en alternatieven voor CdS en CdTe.
zz
In de komende jaren zullen de eerst verkochte zonnecellen aan het einde van hun levensduur komen; recycling zal dan noodzakelijk worden. Hoewel recycling al wordt toegepast bij uitval in productie, staat de benodigde technologische kennis nog in de kinderschoenen. Gedegen procesonderzoek is noodzakelijk om recyclingstechnieken te ontwikkelen. Daarnaast is het belangrijk om bij het (door)ontwikkelen van PV-concepten na te denken over het gebruik van eenvoudig recyclebare materialen en productconcepten (“design for disassembly”). Recycling heeft wel als voordeel dat dure materialen teruggewonnen worden, waardoor op den duur de kosten van PV-productie worden verminderd.
68
Materiaaltechnologie: ranking Wat de sector als belangrijkste ontwikkelingen ziet op het gebied van materiaaltechnologie is aangegeven in figuur 33. Het cijfer is het gemiddelde van beoordelingen waarbij een cijfer gegeven kon worden tussen 0 en 10.
Barrièrelagen Encapsulatie dunne-filmlagen Alternatieven voor glas Gebruik goedkoper en minder zuiver silicium Printbare geleiders Encapsulatiealternatief voor glas Printbare materialen Alternatieven voor gebruik EVA in module Upgraded metallurgisch silicon Transparante geleiders Toename gebruik dunne-film Encapsulatie voor roll-to-roll Hoogefficiënte materialen voor niet-loodrechte lichtinval Goedkopere materialen voor concentrators Opkomst OPV Gebruik minder schaarse elementen Reductie gebruik van zilver en andere materialen CZTS als alternatief voor SIGS Plastic substraten Nanotechnologie Reinigen van zand tot silicium Droogtechnologie voor cellen (geen chemicaliën) Bij lage temperatuur verwerkbare materialen Gebruik zuivere chemicaliën Recyclebare materialen Goedkoop galliumarsenide Gebruik plasmoneffecten voor lichtinkoppeling Recyclebare materialen 0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
Figuur 33: Beoordelingen van het belang van ontwikkelingen in materiaaltechnologie.
De sterkste focus van de ondervraagde partijen ligt op het gebied van de encapsulatie en bescherming van de PV cel: het vinden van goede barrièrelagen (ook voor flexibele PV) en alternatieven voor glas. Er is ook veel aandacht voor het werken met minder zuiver Si, het upgraden van metallurgical grade Si, en voor het ontwikkelen van printbare materialen. Van alle ontwikkelingen op het gebied van dunne film scoort het vinden van een TCO-materiaal dat bij atmosferische condities en lage temperatuur gedeponeerd kan worden het hoogst.
69
5.4 Celtechnologie Wij verdelen celtechnologieën onder in: 1. Wafer-type silicium (Si) zonnecellen 2. Dunne film (Si, CIGS, CdTe, OPV, DSC) 3. III-IV cellen (GaAs, InP) Wafer-type silicium (Si) zonnecellen In boardroomsessies noemden regionale betrokkenen uit de wereld van industrie en onderzoek de volgende trends en aanknopingspunten in de ontwikkeling van kristallijn siliciumtechnologie: zz
Achterzijde cel- en moduletechnologie,
zz
N-type absorbers,
zz
Open achterzijde devices,
zz
Heterojuncties,
zz
Nieuwe (zilvervrije) device architecturen,
zz
Verhoogd rendement,
zz
Dunne wafers (80 – 100 µm),
zz
Ketenintegratie,
zz
Wafering,
zz
Productie yield verbetering,
zz
Dunne wafers met geavanceerd licht management d.m.v. fotonische en plasmonische structuren,
zz
Spectrum conversie,
zz
All-silicon tandems.
Dunnefilm-technologieën Het rendement van dunnefilm-technologieën is tot nu toe een paar procent lager dan dat bij kristallijn silicium. Door de voorspelde lagere kostprijs per Wp kunnen deze technologieën echter toch concurrerend zijn, zeker als naast celkosten rekening wordt gehouden met overige systeemkosten (zoals bekabeling, inverter, draagconstructie). Voor dunnefilmtechnologie gelden in het algemeen de volgende aandachtspunten: zz
Algemene toename in productievolume en cel-efficiëntie,
zz
Integratie van cellen en modules,
zz
Kostenreductie,
zz
Efficiëntieverhoging,
zz
Implementatie van foton management,
zz
Procesintegratie in combinatie met systeem makers,
zz
Groene processen/recycling.
70
Dunne film Silicium Dunne film Silicium is een verzamelnaam, waarbij amorf silicium (a-Si), microkristallijn silicium, tandems en 'dikke' film silicium op goedkope substraten de belangrijkste technologieën zijn. Als substraat zijn onder meer glas, staalfolie en kunststoffolie in productie en in ontwikkeling. Het relatief lage rendement van enkellaags dunne film silicium is een belangrijk aandachtspunt. Tandem- of meerlaags devices waarin meerdere dunne siliciumlagen met verschillende eigenschappen worden gestapeld, bieden hierbij mogelijkheden. Positief voor roll-to-roll lichtgewicht producten zijn de ruime mogelijkheden tot integratie in bouwproducten. Lastig hierbij is dat de bouw een conservatieve sector is met per land verschillende regelgeving en maatvoering. Aandachtspunten kunnen worden samengevat als: zz
Ontwikkeling tandem en meerlaags devices,
zz
Stap naar roll-to-roll processing,
zz
Technologie voor “dik” silicium op goedkope substraten,
zz
Productintegratie.
CIGS Kenmerkend voor CIGS is het grote aantal mogelijkheden, zowel in materialen als in productietechnologie. Er is nog weinig standaard apparatuur. Het hoogst bereikte rendement op labschaal is net iets meer dan 20%. De voor dit record gebruikte technologie is echter moeilijk te vertalen naar goedkope massaproductie. Vacuümprocessen zoals co-evaporatie en sputteren zijn de meest gebruikte technieken. Er zijn verschillende procesroutes mogelijk, bijvoorbeeld door te starten met elementair Cu, In, Ga, Se of door uit te gaan van verbindingen als CuSex, InSex, etc. Ook nano-inkten als materiaalbron worden met toenemend succes onderzocht. Verdeling van de elementen in de laag, junctievorming, kristallisatie en hechting spelen een cruciale rol. Meestal wordt glas als substraat gebruikt, echter ook flexibele folies (staal, koper, titaan, kunststof) worden industrieel toegepast. Er bestaat de mogelijkheid om geen gallium (Ga) in de cel te verwerken en het selenium (Se) te vervangen door zwavel (S): CIS. Voor de transparante geleidende elektrode (TCO) wordt meestal aluminium-gedoteerd zinkoxide (ZnO:Al) gebruikt. Vanwege de vochtgevoeligheid stelt dit extra eisen aan de encapsulatie. De belangrijkste aandachtspunten voor deze sterk opkomende technologie zijn: zz
Reproduceerbaarheid en uniformiteit
zz
Roll-to-roll processing,
zz
Opschaling,
71
zz
Procescontrole/standaardisatie,
zz
Vervanging vacuümprocesstappen,
zz
Compleet geprinte cellen,
zz
Encapsulatie,
zz
Levensduur.
CdTe De CdTe (cadmium-telluride) technologie wordt momenteel gedomineerd door First Solar. Het grote succes van First Solar met CdTe is te danken aan de eenvoud van het proces, de lage capex, en de strategie om op te schalen door exact te kopieren (standaardisatie). In vergelijking met CIGS is de vorming van de halfgeleider chemisch eenvoudiger, al wordt de depositie gevolgd door een moeilijke nabehandeling met gasvormig CdCl2 ter bevordering van de materiaalkwaliteit. Toch zijn er ook probleempunten, zoals de lastige contactering op de achterzijde. Door stapsgewijze verbeteringen zijn de productiekosten al sterk teruggebracht. De focuspunten komen overeen met die van CIGS: zz
Opschaling (marktleider First Solar is hier al heel ver mee),
zz
Procescontrole/standaardisatie,
zz
Vervanging gasfase en vacuümprocesstappen,met name CdCl2 nabehandeling,
zz
Compleet geprinte cellen,
zz
Roll-to-roll processing.
OPV Bij OPV (organische PV) is roll-to-roll productie op plastic folies vanaf het begin duidelijk de doelstelling geweest. Daarnaast ligt er een focus op het sterk groene karakter van de technologie (productietechnieken, recycling). In de loop der jaren zijn rendement en stabiliteit van laboratoriumdevices gestaag toegenomen, maar OPV blijft op deze terreinen nog duidelijk achter bij andere PV-technologie. Toch worden de eerste consumentenproducten met OPV al op de markt gebracht, door bijvoorbeeld Konarka. Voor gebruik in grootschalige elektriciteitsproductie is er echter nog veel ontwikkeling nodig. De belangrijkste aandachtspunten zijn: zz
Roll-to-roll processing,
zz
Extreem lichte cellen/modules,
zz
Licht trapping,
zz
Levensduurverbetering,
zz
Verminderde afhankelijkheid van ITO als TCO,
zz
Compleet geprinte cellen.
72
DSC De DSC (dye-sensitized) zonneceltechnologie bevindt zich qua ontwikkeling op de overgang van laboratorium naar commerciële productie. Het unique selling point van DSC ten opzichte van andere technologieën is de vrijheid in vormgeving ten aanzien van kleur en design. Er worden producten ontwikkeld op glas, maar er zijn ook flexibele, lichtgewicht producten op de consumentenmarkt (als opstap naar grootschalige productie). Specifieke aandachtspunten zijn: zz
Opschaling,
zz
Flexibele substraten,
zz
Ontwikkeling niet-vacuümprocessen.
III-V: GaAs, InP De III-V zonnecellen, waarvan GaAs en InP de belangrijkste voorbeelden zijn, zijn sterk in opkomst voor concentratortoepassingen. Nederland heeft zich ook op dit gebied een positie verworven. III-V technologie in combinatie met concentrators geeft veruit de hoogste rendementen van alle PV technologieën. Dit spreekt tot de verbeelding van onderzoekers, ontwerpers en uitvinders, en triggert vele toepassingsgerichte ontwikkelingen. Maar de praktijk blijkt vooralsnog weerbarstig. Door de hoge kosten van III-V zonnecellen kunnen zij eigenlijk alleen in de ruimtevaart en op de concentratormarkt worden toegepast. Concentrators vereisen een directe instraling van licht, met als gevolg dat er alleen in zuidelijke streken voldoende mogelijkheden zijn. Daarbij moet vrij nauwkeurig de zon worden gevolgd. Voor optische, PV-en trackercomponenten moet productieapparatuurontwikkeld worden en van standaardisatie is nog geen sprake. Iedere partij ontwikkelt momenteel zijn eigen concentratortechnologie. Als de problemen op het gebied van productietechnologie, kosten en tracking opgelost kunnen worden, belooft de III-V een van de belangrijkste kandidaten te worden voor grootschalige plannen om zonne-energie in woestijnen te oogsten, en voor lokaal gebruik op plaatsen met veel (directe) zonne-instraling.
73
Celtechnologie: ranking technologie-aspecten In een boardroomsessie hebben betrokkenen technologische aspecten geïdentificeerd en op hun relatieve belang gerangschikt (figuur 34). Nieuwe (oppervlakte) passiverende lagen Integratie van cel en module Multi-junctie cellen Eenvoudige integratie in modules Achterzijdecontactcellen Aluminiumoxide als passivatielaag Toename dunne-film Achterzijdecontactcellen in modules Hogere celefficiëntie Optimalisatie van schakeling cellen (op moduleniveau) Gebruik n-type silicium Gebruik van dunner silicium Ribbon-Growth-on-Substrate wafer Lichopsluiting Metal Wrap Through cellen Heterojunctie in kristallijn siliciumcellen Cadmiumtelluride Zilvervrije cellen Emitter Wrap Through cellen Extreem lichte cellen en modules (OPV) Combinatie van conventionele en dunne-film technologie Tandemcellen OPV Halfgeleidertechnologie voor complexe cellen Geprinte zonnecellen en -modules Low-Impact metallisatie Opkomst fotonmanagementtechnologie III-V-cellen Dikke film silicium Epitaxiaal silicium 0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
Figuur 34: Beoordeling aspecten van celtechnologie.
De passivatielaag voor Si-wafer zonnecellen wordt gezien als een belangrijk aandachtspunt. Daarnaast is er ook veel interesse voor de problematiek rondom de cel-module integratie en mogelijkheden met betrekking tot multi-junction/tandem cellen. Van de specifieke celtypen is er veel aandacht voor de back contact cel. Ook de sterke opkomst van dunne film-celtechnologie scoort hoog.
5.5 Productietechnologie Naast doorontwikkeling van bestaande productietechnologieën is ook de ontwikkeling van innovatieve procestechnologie van groot belang. Deze moet leiden tot effectievere en verder opschaalbare productieconcepten, procesbeheersing en automatisering.
7,0
8,0
9,0
74
Si-wafer (1e generatie) Vanuit het oogpunt van productietechnologie is er duidelijk veel interesse voor silicium. De volgende thema’s spelen een rol: zz
Silicium smelten Voor de productie van wafer-type silicium zonnecellen wordt momenteel silicium van zeer hoge kwaliteit gebruikt. Gezien de beschikbaarheid en de hoge kostprijs van deze grondstof wordt er gewerkt aan: -- Verwerken van lagere kwaliteit Si, zoals upgraded metallurgisch Si (UMG). -- Produceren van Si vanuit zuivere bronnen en SiO2 (zand). -- Betere procesbeheersing; modelmatig begrip van het smeltproces en sensoren.
zz
Waferproductie Momenteel worden wafers geproduceerd door het verzagen van ingots. Deze ingots worden geproduceerd door gesmolten silicium gecontroleerd te laten kristalliseren. Typische nadelen van deze methodiek zijn het batchkarakter van het proces en de grote materiaalverliezen die optreden bij het verzagen van de ingot (door zaagverliezen en waferbreuk). Actuele ontwikkelingen zijn: -- Direct produceren van silicium wafers/sheets op een al dan niet tijdelijke ondergrond door bijvoorbeeld gebruik te maken van: -- Ribbon Growth on Substrate (RGS): direct gieten van wafers uit gesmolten Si -- Printen: vervaardigen van wafers door met Si-inkt, gebruik makend van innovatieve printtechnologie. -- Epitaxy: groeien mono-kristallijnelaag op mono-kristallijn substraat en lift-off. -- Verticaal trekken van silicium sheet uit de smelt -- Octagon proces van RWE Schott -- String ribbon (bijvoorbeeld Evergreen Solar) -- Laten groeien van een dunne laag hoge kwaliteit c-Si op een Si of ander (keramisch) substraat van lage kwaliteit. -- Bestuderen van kristallisatiegedrag, dotering en defect engineering. -- Lage temperatuur sinteren. -- Continue productie in plaats van batch. -- Productie van grotere (>300 mm) en dunnere wafers (<100 µm). -- Gebruik van lagere kwaliteit Si -- Elektromagnetische casting -- Gebruik van diamant voor draadzagen -- Klieven.
75
Figuur 35. Printen van silicium nanoinkten op Si-wafers zorgt voor voor rendements verbetering die ook dunnere silicium zonne cellen mogelijk maakt. Links: Innovalight module met ruim 1% absolute rendements verbetering. Rechts: de daarbij gebruikte inktjet-printapparatuur van OTB Solar, 2009.
Figuur 36. String ribbon proces van Evergreen Solar
Er wordt een aantal technologieën onderzocht waarmee wafers direct van een ingot worden gescheiden, zodat verlies van silicium door het zaagproces wordt voorkómen. De belangrijkste van deze technologieën is implantatie met waterstof, maar ook laserprocessen worden onderzocht. Het voordeel van zulke technologieën is niet alleen het voorkomen van zaagverlies, maar ook de mogelijkheid dunnere siliciumwafers te produceren, in de orde van 20-50 µm (vergelijk de huidige industriestandaard ca. 170 - 210 µm). zz
Wafer handling Mede om de huidige problemen met waferbreuk tijdens het PV productieproces sterk te verminderen wordt er veel aandacht besteed aan: -- Het scheiden van dunne wafers van een stack. -- Het manipuleren van wafers: -- bij hoge temperatuur en onder vacuüm condities, -- met behulp van luchtlagering in plaats van mechanisch, -- met een dikte <100 µm, -- bij toenemende productiesnelheid. -- Het terugbrengen van het aantal handling stappen, bijvoorbeeld door sommige processtappen pas toe te passen als de wafers al in modulevorm zijn samengevoegd
Figuur 37.Ribbon Growth on Substrate van Sunergy
76
Texturering (alle generaties) Oppervlaktetexturering van één of meerdere lagen kan worden uitgevoerd om het rendement te verhogen (bv. verbeteren lichtinvang, oppervlaktevergroting) of om functionaliteit toe te voegen (bv. zelfreinigende structuren, esthetische waarde, hechting). Bij de Si-wafer zonnecel gebeurt dit doorgaans door de wafer te etsen in een HF/HNO3 of KOH etsbad. Veel onderzoek en ontwikkeling worden gedaan naar fotonische en plasmonische structuren, die voor of na de vorming van de zonnecel kunnen worden aangebracht om lichtinvang en weglengte van het licht door het materiaal te verbeteren. Hiervoor kan gebruik worden gemaakt Figuur 38. Helios CIS scriber van 4Pico voor texturering van dunne film CIGS PV cellen
van textuur en van antireflectiecoatings. Deze laatste kunnen binnen de module worden aangebracht (bijv. opkristallijn silicium wafers) of buiten op de module. In het laatste geval moeten er strenge eisen worden gesteld aan levensduur, krasvastheid en vuilbestendigheid van de lagen. Voor het maken van via’s (verticale verbindingen door de wafer heen) worden zowel natchemische etsbaden als lasers gebruikt. Voor dunne film PV worden vaak laser en mechanische scribe technieken gebruikt om het gedeponeerde zonnecelmateriaal in afzonderlijke cellen te verdelen. Verdere ontwikkelingen zijn: zz
Doorontwikkelen van huidige technologie.
zz
Vervanging van nat etsen door droge etsprocessen.
zz
Technologie voor het maken, metalliseren (MWT) en doteren (EWT) van via’s.
zz
Nieuwe technologieën, zoals nanoimprint, injection molding of plasmabehandeling.
zz
Texturering van samengestelde (dunne) laagstructuren door middel van lasers (optimalisering van toegepaste golflengte en pulsduur van het laserlicht).
zz
Schaalvergroting van de productie zodat grote oppervlakken snel behandeld kunnen worden.
zz
Patroonmatig aanbrengen van structuren.
zz
Schaalverkleining van de te produceren structuren, zelfs tot nanometerschaal.
zz
Productie van nanowires (om lichtinvang te verbeteren).
Substraatreiniging (alle generaties) Voor het reinigen en prepareren van substraten worden veelal technieken gebruikt die zijn ontwikkeld voor andere toepassingen, zoals vlakglaswassers (glasindustrie) en natte etsbaden (Semicon). Technologieontwikkeling vindt plaats op het gebied van:
77
zz
Reinigen van nieuwe (flexibele) substraatmaterialen, zoals metaal en kunststof, en substraten waarop al een coating is aangebracht.
zz
Combineren van reinigings- en structureringstechnieken.
zz
Non-contact methoden: substraatbreuk voorkomen zoals plasma reinigen en droog HF etsen.
zz
Continue processing in plaats van als batch.
zz
Roll-to-roll reinigingstechnologie.
Doteren (1e generatie) Wil silicium stroom kunnen leveren, dan moet het materiaal gedoteerd zijn. Normaal gesproken wordt tijdens de ingotproductie het chemische element boor aan de smelt toegevoegd om p-type geleiding te bewerkstelligen. Na het zagen van de wafers en het structureren van het oppervlak wordt de halfgeleiderjunctie gemaakt met een n-type dotering. Doorgaans gebeurt dit door een laag fosforhoudend materiaal op de wafer aan te brengen, meestal met een spray gebaseerd op fosforzuur. Andere mogelijkheden zijn APCVD van een fosforglas, of fosforglasvorming met POCl3. Vervolgens diffundeert het fosfor vanuit het fosforglas over een kleine afstand de wafer in. Batchprocessen leveren tot nu toe een hoger rendement. Door de sector worden de volgende ontwikkelgebieden genoemd: zz
Overstappen van p-type dotering naar n-type dotering van wafers. In het boven beschreven proces moet fosfor dan vervangen worden door boor.
zz
Vervanging van het sprayproces door een atmosferisch proces zoals APCVD.
zz
Heterojunctie formatie. Dit is een lage-temperatuurproces met hoge rendementen. Mogelijke kandidaten zijn voornamelijk PECVD en wellicht ook inkjet, laser en hotwire technologie.
zz
Kiezen voor een ander diffusieproces, bijvoorbeeld met behulp van plasma of (ionen) implantatie.
zz
Gepatroneerde diffusie voor cellen met hoger rendement en elektrische contacten aan de achterzijde.
Passiveren (1e generatie) De functie van de passivatielaag is het verminderen van de kans dat elektronen en gaten recombineren voordat ze bijdragen aan energieopwekking. Met een passivatielaag kan met andere woorden het celrendement worden verhoogd. Naast het aanbrengen van lagen op het oppervlak van de Si-wafer (oppervlaktepassivatie) wordt er ook vaak voor gekozen om waterstofatomen met een warmtebehandeling de wafer in te laten diffunderen (bulk passivatie).Veelal worden a-Si, en waterstof
78
rijk SiNx en/of SiOx gebruikt als materiaal. Recent is echter ontdekt dat passivatie ook heel goed mogelijk is met een zeer dunne laag Al2O3. Ook gedoteerde lagen aan voor- en achterzijde en bij de contacten spelen hierbij een belangrijke rol. Naast algemene thema’s zoals die hieronder bij depositie besproken worden richt de ontwikkeling zich op: zz
Andere depositiemethoden dan de gangbare vacuümdepositie, zoals Atomic Layer Deposition.
zz
Depositietechniek voor het aanbrengen van andere SiCxOy en SiOxNy materialen, en voor het aanbrengen van stapelingen van verschillende lagen.
zz
Lage temperatuur bulk passivatie.
zz
Heterojunctie zonnecellen.
Depositie (alle generaties) Met depositie wordt hier zowel het deponeren van verschillende lagen (geleiders, actieve lagen, transparante elektroden, barrièrelagen, enz.) als van elektrisch geleidende structuren bedoeld. Om een complete zonnecel te maken zijn meestal meerdere depositietechnieken nodig. Voor de Siwafer zonnecel zijn gangbare productiestappen al goed doorontwikkeld. Voor de dunne film PV is dat nog niet het geval. Algemene ontwikkeltrends binnen dit thema hebben betrekking op: zz
Depositietechnologie voor verschillende (nieuwe) materialen.
zz
Depositie op vlakke en op 3D structuren, zowel rigide als flexibel.
zz
Depositie op verschillende substraatmaterialen, zoals glas, metaal, kunststof, Si, coatings, etc.
zz
Gepatroneerde depositie.
zz
Depositie van dunne (<1 µm) uniforme lagen, zowel vlak als (nano)gestructureerd.
zz
Milieuvriendelijke depositietechnologie.
Technologieën die in de huidige PV-productie van belang zijn, of waarvan men verwacht dat ze aan belang zullen winnen, zijn: zz
Gasfase depositie -- Atomic Layer Deposition (ALD). Hiermee kunnen lagen epitaxiaal (laag voor laag) gegroeid worden. Het belangrijkste aandachtspunt is het verhogen van de depositiesnelheid. -- Chemical Vapor Deposition (CVD): Hoge-temperatuurtechnologie waarbij het substraat wordt blootgesteld aan een chemische damp van precursoren. De depositie is het resultaat van een chemische reactie aan het oppervlak.
79
-- Physical Vapor Deposition (PVD). Vacuümtechnologie waarbij het substraat wordt blootgesteld aan een damp van gecondenseerd basismateriaal. In tegenstelling tot CVD is de depositie hier het gevolg van fysische processen. Bekende PVD technologieën zijn: sputteren, gepulste laserdepositie en evaporatie. Naast de algemene ontwikkel trends is onderzoek hier vooral gericht op het gebruik van andere dan de standaardcondities, zoals bij atmosferische druk (AP), bij lage druk (LP) of met behulp van een plasma (PE). zz
Chemische depositie -- Elektrochemie: depositie van materialen onder invloed van een elektrische stroom. Voorbeelden: Redox, elektro-platen, galvaniseren en elektro-depositie. -- Natchemische technologie: depositie van materialen door ze te dompelen in een chemische vloeistof. Voorbeelden: sol-gel, ionische vloeistoffen en chemisch bad depositie (CBD). Er is brede interesse voor opschaling, zorgvuldig en zuinig chemicaliëngebruik, minimalisering van gevaarlijke stoffen en on-site recycling.
zz
Printen Voor opschaling en productievergroting moet printtechnologie verder worden ontwikkeld. Een ideaalbeeld voor dunne film zonnecelproductie het printen van alle lagen waaruit de zonnecel is opgebouwd. Een compleet roll-to-roll productieproces zou dan mogelijk zijn. Zo goed als alle bekende print- en druktechnologieën worden onderzocht op hun toepasbaarheid voor zonnecelproductie: inktjet, zeefdruk, rotary screen, spin blade, stencil, embossing, µ-contact, etc. Ontwikkelingen hebben betrekking op: -- Printtechnologie voor verschillende zonnecel-absorptiematerialen. -- Printtechnologie in combinatie met sintertechnologie om de eigenschappen van de geprinte lagen te optimaliseren (vooral belangrijk voor geleidende structuren). -- Technologieontwikkeling om koper of aluminium (in plaats van zilver) te printen. -- Het printen van hoge aspectratio geleiders (nodig om minimale oppervlaktebedekking te combineren met minimale elektrische weerstand, en dus optimaal rendement). -- Vervanging voor screenprinten. -- Gepatroneerde depositie, zeker op kleine dimensies. -- Opschaling en uniformiteit (in sommige gevallen nanometer uniformiteit vereist op meer dan een meter breed).
80
Modulevorming (alle generaties) Hieronder wordt zowel het elektrisch contacteren van de cellen verstaan als het verder verwerken van cellen tot modules. zz
Contacteren Om modules te produceren moeten er elektrische aansluitingen gemaakt worden. Voor dunne film zonnecellen gebeurt dit door (laser en mechanisch) scriben van de verschillende lagen, het aanbrengen van busbars door screenprinten of ultrasoon lassen, en het aansluiten van een junction box. Voor Si-wafer zonnecellen gebeurt het contacteren door het screenprinten van elektrische geleiders en busbars op de wafer die vervolgens met geleidende ribbons doorverbonden worden (lijmen of solderen). Deze methodieken zijn in veel gevallen niet ideaal. Vandaar ook dat er naar verdere ontwikkelingen en alternatieven gekeken wordt: -- Vervanging van mechanische scribestappen door laserscriben (betere patroondefinitie). -- Nieuwe contacteertechnieken gebaseerd op het gebruik van andere materialen (vervanging van zilver door aluminium en koper). -- Nieuwe celontwerpen met andere connectieschema’s, zoals de back contact cells van ECN. -- Metaaldepositietechnologie -- Isolatie voor achterzijde contacttechnologie.
zz
Encapsuleren Om de cel of module te beschermen tegen chemische en fysische invloeden van de buitenwereld, en voor mechanische stevigheid, worden de cellen geëncapsuleerd. Voor de meeste zonnecellen betekent dit dat ze tussen twee barrièrematerialen (van bijvoorbeeld glas of kunststof) worden gelamineerd. Maar als het substraat een goede en voldoende stevige barrière vormt, kan worden volstaan met het aanbrengen van een front cover. Tussen de verschillende lagen wordt vaak een polymeerlaag (EVA, PVB, butyl, etc.) aangebracht die moet zorgen voor hermetische afsluiting van de module. Bestand zijn tegen UV licht is ook een belangrijk eis, waaraan soms lastig kan worden voldaan. Een typisch encapsulatieproces maakt gebruik van verhoogde temperatuur, lage druk en het uitoefenen van druk. Veel van de gebruikte lamineer- en encapsulatietechniek is afkomstig uit andere technische disciplines zoals de productie van veiligheidsglas. Nieuwe ontwikkelingen hebben betrekking op: -- Het encapsuleren van flexibele zonnecellen, compatibel met rollto-roll (R2R).
81
-- Techniek om dunne folies of rechtstreeks aangebrachte barrièrelagen als encapsulatiemateriaal te kunnen gebruiken (eventueel meerdere lagen). -- Het ingieten van cellen in een geschikte epoxy/hars zodat encapsulatie overbodig wordt. In het ideale geval zou een zonnecel zó bestand zijn tegen mechanische, chemische en fysische invloeden dat encapsulatie helemaal niet nodig is. Dan moet er ook nog rekening worden gehouden met veiligheidseisen. Zonnepanelen zijn elektrische apparaten die moeten voldoen aan de zogenaamde Class II norm. Dit betekent onder andere dat de (elektrische) inhoud dubbel geïsoleerd moet zijn ten opzichte van de buitenwereld. Encapsulatiematerialen moeten daarom niet alleen isoleren, maar ook voldoende homogeen zijn, wat hoge eisen stelt aan de productiekwaliteit. Productietechnologie: ranking Er zijn drie technologieën die er uitspringen: encapsuleren, passiveren en printen. Daarnaast is er ook nog veel aandacht voor gasvormige depositie, wafervorming en textureren. Deze uitkomst is geheel in overeenstemming met de ontwikkelingsinspanning die in Nederland op deze gebieden wordt geleverd.
Encapsuleren Passiveren Printen Gasfase deponeren Wafervorming Textureren Verbinden Doteren Inspecteren Lamineren R-t-R substraat handling Positioneren Silicium kristalliseren Activeren Substraat reinigen Warmtebehandelen Zeefdrukken Scriben Nanodeponeren Natchemisch deponeren Silicium smelten Scheiden Herwinnen Malen 0
1,0
Figuur 39: Beoordeling aspecten van productietechnologie.
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
82
5.6 Productietechnologie: globale ontwikkelingen Roll-to-roll productie Een belangrijk alternatief voor de huidige batch- of in-line processing van zonnecellen en –panelen is de zogenaamde roll-to-roll processing. Doel daarvan is om processtappen met grote snelheid uit te voeren op een flexibel substraat, bij voorkeur niet in vacuüm. Bij doorvoersnelheden van enkele meters per minuut kan een productielijn een aantal vierkante kilometers zonnecel per jaar produceren. De uitdagingen zijn: zz
een productkwaliteit te krijgen die de kwaliteit bij andere processen benadert
zz
alle processen roll-to-roll kunnen uitvoeren.
De positie van roll-to-roll processing ten opzichte van andere grootschalige productiemethoden zal vooral door deze aspecten worden bepaald. Overigens zal er in alle gevallen een markt voor flexibele roll-to-roll producten ontstaan omdat de er unieke toepassingsmogelijkheden zijn. Om roll-to-roll processing op grote schaal te kunnen gebruiken moet er nog een flink aantal problemen opgelost worden. Systeemkennis en materiaal- en depositietechnologie moeten worden ontwikkeld, evenals in-line inspectietools en oplossingen voor problemen van overlay (uitlijning) en patronering. Ontwikkeling van roll-to-roll technologie vindt vooral plaats in het kader van onderzoek naar OPV, a-Si en CIGS, maar ook fabrikanten van andere dunne film technologieën bekijken de mogelijkheden. De eerste dunne film fabrikanten zijn begonnen met roll-to-roll zonnecelproductie, maar het is nog lang niet duidelijk wat de optimale technologie zal zijn. Deze zal in elk geval producten mogelijk maken voor speciale nichetoepassingen. Kansen voor de industrie zz
Ontwikkelen van de benodigde roll-toroll apparatuur en procesbeheersing.
zz
Voor materiaal ontwikkeling (met name ook substraten).
zz
Innovatie op het gebied van depositietechnologie op flexibele substraten.
83
Recycling Technologie om zonnecellen, modules en systemen te recyclen is nog maar mondjesmaat voor handen. Toch zal het over een aantal jaren nodig zijn om te gaan recyclen, niet alleen vanwege de milieubelasting, maar ook vanwege het terugwinnen van zeldzame en dure materialen. Het onderwerp is nog geheel in de researchfase. Er wordt zowel gekeken naar scheiding van de verschillende zonnecellagen om die individueel te recyclen, als naar het tot poeder malen van de complete module om daarna stoffen terug te winnen. Naast technologieontwikkeling vindt er discussie plaats over benodigde wetgeving en logistiek management. First Solar heeft voor zijn CdTe modules een recycleproces ontwikkeld. Kansen voor de industrie Alleen kennisinstellingen zijn in de regio bezig met dit onderwerp. Er zijn echter grote kansen, omdat het gaat om een enorm volume. Ontwikkelactiviteiten op dit gebied moeten zeker worden gestimuleerd. Procesbeheersing in de PV industrie Procesbeheersing is van essentieel belang voor de noodzakelijke efficiëntieslagen in de productie van zonnecellen en modules. Vanwege nauwe procesconditiemarges, toenemende productiesnelheid en grote waardetoevoeging tijdens het productieproces wordt de roep voor adequate inspectietechnologie steeds groter. Kansen voor de industrie: Momenteel is inspectietechnologie, als deze al voorhanden is, vaak erg duur. Controle vindt bovendien meestal plaats op een enkel punt, niet over het hele oppervlak. Continue processing is soms ook niet mogelijk omdat de samplesnelheid van de technologie te laag is. Op het gebied van inspectietechnologie, en dan vooral in-line inspectie, is dus nog een groot aantal ontwikkelingen noodzakelijk en te verwachten. Grote oppervlakten, opgebouwd uit verschillende dunne materialen, moeten geïnspecteerd kunnen worden bij steeds hoger wordende doorloopsnelheden. De problematiek is nog groter voor inspectie van folies door de grotere variatie in plaatsafhankelijkheid als gevolg van het flexibele karakter van het substraat. Inspectie bij roll-to-roll productie en trouwens ook bij wafer-type siliciumcellenmoet dus nog sterk worden ontwikkeld. Belangrijke thema’s zijn: zz
Wat er gecontroleerd moet worden, zoals: laagdikte, uniformiteit, geleiding, oppervlaktestructuur, chemische samenstelling, transmissie, breuk, defecten, paneelconstructie, contactering, scribe performance, etc.
84
zz
Welke technologie er gebruikt kan worden, zoals: elektronluminescentie, fotoluminescentie, ellipsometrie, ultrasoon geluid, optisch en elektrische metingen, infrarood, UV, etc.
Specifiek voor Si-wafer celtechnologie geeft tabel 14 een overzicht van te verwachten ontwikkelingen. Applicatie
Processtap
Huidige principes
Toekomstige ontwikkelingen
Uitdagingen
Tracking & tracing
Gehele proces, van ingot tot module
OCR, barcode, 2D codes
Verkleinen codes, identificatie o.b.v. eigen structuur
Microcodes, voorkomen degradatiecodes door de verschillende processtappen, unieke identificatie op basis van textuur
Geometrie wafer (omtrek)
Gehele proces
2D vision, wegen, profilometrie
Nauwkeurigheid, Snelheid
Emiter laag weerstand / homogeniteit
Emiter diffusie
4-point probe, Hall metingen
Nauwkeurigheid, snelheid
Verbetering meetmethode, classificeren fouten, inline meting
Lasersnijden
Edge cutting
2D vision
3D meten
Inline 3D meting
Geometrie metaallaag
Metallisatie boven- en onderzijde
2D vision
Nauwkeurigheid, snelheid, 3D
Inline 3D meting
Laagmeting
Textureren, ARC
Reflectiemeting, ellipsometrie, 2D vision
Snelheid, hogere resolutie
Inline ellipsometrie
Breuk/ insluitsel controle
Gehele proces
Elektro- en fotoluminescentie, ultrasoon,IR transmissie
Nauwkeurigheid, snelheid
Betrouwbaar detecteren van microcracks
Uitlijning
Modulevorming
2D vision
Celkoppeling
Modulevorming
2D vision, elektro- en fotoluminescentie
Snelheid, nauwkeurigheid
Betere classificatie foutsoorten
Efficiency voorspelling
Vooraan in proces
Elektro- en fotoluminescentie, oppervlaktebehandelingen die gewenste kenmerken zichtbaar maken
Betrouwbaarheid
Vinden van oppervlaktebehandelingen die geen invloed hebben op kwaliteit en proces
Tabel 14: Toekomstige ontwikkelingen bij PV-cellen op basis van Si-wafers.
5.7 Systeemtechnologie Het verwerken van individuele cellen en/of modules in complete PV systemen is een belangrijke schakel in de totale PV-keten. Zonder efficiënte en adequate integratie kan PV niet op grote schaal worden toegepast. Maar er moet aan systeemtechnologie nog veel werk worden verzet. De manier waarop een module wordt gefabriceerd, en geïntegreerd in een compleet energieleverend systeem is mede afhankelijk van lokale factoren als regelgeving, bouwverordeningen, esthetische verwachtingen,
85
milieueisen en financieringswijzen. Naast efficiënte, internationaal toepasbare standaardoplossingen moeten ook op maat gesneden totaaloplossingen worden ontwikkeld voor specifieke regio’s en marktniches. Binnen het onderwerp systeemtechnologie zijn de belangrijkste aspecten: integratie, netkoppeling, kosten en techniek. Integratie PV zal een grote invloed gaan hebben op straatbeeld en landschap, zeker in dichtbevolkte gebieden als Nederland. Zeer grote oppervlakken zullen bedekt gaan worden met zonnecellen. PV wordt nu nog algemeen geaccepteerd; er moet worden gewaakt voor het ontstaan van een “not in my back yard” houding, zoals nu te merken is bij grote windturbines en windparken. Maar door slim ontwerp kan PV zowel adequaat als esthetisch verantwoord worden ingepast. Grootschalige energie-opwekking zal vooral kunnen plaats vinden in de gebouwde omgeving (huizen, kantoren, bedrijfsgebouwen), op infrastructuur (wegen incl. viaducten en geluidschermen, spoorwegen, dijken, etc.) en in zonnecentrales (wastelands, woestijnen en andere oppervlakken). Bij een inventieve aanpak van integratievraagstukkenmoeten ook grote hoeveelheden PV-oppervlak zó kunnen worden aangelegd dat deze niet als storend of belemmerend worden ervaren. Beter nog is functionele integratie van PV in zonwering of decoratie, of als architectonische bouwsteen. Belangrijke aandachtspunten zijn: zz
Uitvoeringswijze van modules -- Uiterlijke aspecten als kleur, patroon, vormvrijheid -- Minder manuren per vierkante meter voor bevestiging en integratie -- Hanteerbaarheid (gewicht, afmeting) en robuustheid -- Veiligheid (brandveiligheid, weerbestendigheid, vandaalbestendigheid) -- Milieu-aspecten en duurzaamheid (design for disassembly)
zz
Optimalisatie lichtinvangst -- Materialen voor verhoogde lichttoetreding -- Dynamische zon-volgsystemen -- Concentrator PV en lichttransport -- Managen van schaduwwerking, verontreiniging en lokale defecten.
zz
Standaardisering van elektrische integratie (conversie, netkoppeling, bemetering)
zz
Combinatie van zonthermische en PV energieopwekking (zeker in de gebouwde omgeving).
zz
Functie-integratie: opwekking, opslag, verlichting.
86
Netkoppeling De elektrische link tussen zonnepanelen en omgeving wordt gevormd door de inverter. Deze elektronica kan nog sterk worden verbeterd: de kostprijs moet omlaag, betrouwbaarheid en vooral levensduur moeten verder omhoog. De levensduur van de huidige inverters blijft nog vér achter bij die van de panelen, de uitdaging is dus vooral levensduurverlenging en kostprijsverlaging tegelijkertijd. Een ander belangrijk onderzoeksgebied is de tijdelijke opslag van opgewekte energie. In autonome systemen is opslag meestal essentieel, in netgekoppelde systemen kan opslag de waarde van de opgewekte energie verhogen, omdat die dan uitgesteld geleverd kan worden op momenten van maximale vraag. Op lange termijn is opslag waarschijnlijk noodzakelijk om PV zeer grootschalig te kunnen toepassen. De belangrijkste mogelijkheden die op dit gebied worden onderzocht zijn ontwikkeling van efficiënte en milieuvriendelijke batterijen en accu’s, chemische omzetting in H2, en omzetting in potentiële energie. Voor inpassing van netgekoppelde PV-systemen is daarnaast de ontwikkeling van intelligente netten belangrijk. Kosten Ook bij systeemtechnologie moeten de kosten worden teruggebracht. De kosten van installatie en montage van PV systemen vormen een belangrijk deel van het totaal. Er wordt nog veel met de hand gedaan, en systemen worden vaak slechts ontworpen voor een speciale applicatie. Door ontwikkeling van slimme integratie- en assemblagetechnieken standaardisatie en schaalvergroting moeten installatiekosten echter sterk kunnen dalen. De PV-industrie heeft deze kostenreductie absoluut nodig, zeker nu de markt snel zelfdragend (d.w.z. zonder subsidies) moet worden. Techniek Systeemtechnologie biedt technisch nog vele ontwikkelmogelijkheden. De bij boardroomsessies genoemde aandachtspunten zijn divers: zz
Ontwikkeling van semi-transparante PV-systemen om bouwintegratie ondersteunen
zz
Flexibele systemen voor eenvoudige installatie en vergroting van integratiemogelijkheden.
zz
Systemen met geïntegreerde schakeling om reverse currents te vermijden(shadowingeffect).
zz
Systemen geschikt voor glastuinbouw (bv. OPV).
zz
Custom-made oplossingen voor duurzame gebouwen.
zz
Ontwikkeling van wegwerp of recyclebare PV.
zz
Slimme assemblage, snelle plaatsing mogelijk, ook door niet-experts.
zz
Slimme ideeën voor schoonmaak en onderhoud.
87
5.8 Belangrijkste doorbraken technologieontwikkelingen Het vinden van alternatieven voor glas is duidelijk de meest belangrijke ontwikkeling. Glas is een uitstekend materiaal, maar rigide en zwaar en daarom niet voor alle toepassingen geschikt. Daarna volgt een cluster van verschillende technologieën: nieuwe passivatielagen, cel-module integratie, en encapsulatie (zowel materiaal als proces). Met uitzondering van de passivatielaag hebben deze onderwerpen alle betrekking op efficiënte PV-integratie. Alternatieven voor glas Nieuwe (opp) passiverende lagen Integratie cel en module Encapsulation (materiaal) Encapsuleren (proces) Goedkoper (minder zuiver) Si Toename dunne film Barrière lagen Passiveren (proces) Wafervorming (proces) Printbare materialen Printen (proces) Multi-junction cells Inspecteren (proces) Textureren (proces) Gasfase deponeren (proces) 0
0,5
1,0
1,5
2,0
Figuur 40: Belangrijkste gewenste doorbraken in product- en procestechnologie.
Voor al deze onderwerpen is ook gekeken naar het belang van die technologie voor prestatieparameters op technisch, economisch en esthetisch gebied (zie tabel 15).
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
Gasfase deponeren (proces) Textureren (proces) Inspecteren (proces) Multi-junction cells Printen (proces) Printbare materialen Wafer vorming (proces) Passiveren (proces) Barrière lagen Toename dunne film Goedkoper (minder zuiver) Si Encapsuleren (proces) Encapsulation (materiaal) Integratie cel en module Nieuwe (opp) passiverende lagen Alternatieven voor glas Laag
Middel
Tabel 15: Impact per technologie op performanceparameters.
Hoog
Grondstof
Volume flexibiliteit
Leverbetrouwbaarheid
Orderrespons
Afleverkwaliteit
Parallel koppelbaar
Integratie
Recyclebaarheid
Kleur
Gewicht
Celafmetingen
Vorm
Technische levensduur
MTTR
MTBF
Cel efficientie
Time to Market
Economische levensduur
Onderhoudskosten
Gebruikskosten
Kostprijs
88
89
Belangrijkste beoordelingsparameters Bij de totaalbeoordeling van PV-systemen blijkt cel-, module- en systeemintegratie het belangrijkste te zijn, op korte voet gevolgd door de kostprijs. Opmerkelijk genoeg staat kosten(reductie) niet op één, terwijl dit toch meestal de driver van technologische ontwikkeling is. Op de derde plaats komt rendement. Integratie Kostprijs Cellefficiency Economische levensduur Afleverkwaliteit Grondstof Technische levensduur Time tot Market Gebruikskosten MTBF Onderhoudskosten Recyclbaarheid Kleur Volumeflexibiliteit Vorm MTTR Leverbetrouwbaarheid Gewicht Oerderrespons Afmetingen cell Parallelkoppeling 0
0,5
1,0
Figuur 41: Belangrijkste beoordelingsparameters voor PV-systemen
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
90
Doorbraken op basis van kostprijseffect Als we kostprijsreductie als leidraad nemen (figuur 42), zijn integratie en alternatieven voor glas opnieuw belangrijke factoren. Over het belang van deze onderwerpen bestaat dus veel eensgezindheid. Andere factoren die sterk kunnen bijdragen aan kostprijsreductie zijn gebruik van minder zuiver Si, en verbeteringen in printbare materialen, mits de rendementen daar niet onder zullen lijden. Integratie cel en module
Figuur 42: Gewenste doorbraken met het oog op vermindering van de kostprijs.
Alternatieven voor glas Goedkoper (minder zuiver Si) Printbare materialen Encapsulation (materiaal) Wafervorming (proces) Printen (proces) Encapsuleren (proces) Nieuwe (opp) passiverende lagen Toename dunne film Gasfase deponeren (proces) Multi-junction cells Passiveren (proces) Barrière lagen Inspecteren (proces) Textureren (proces) 0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
4,5
91
6. Concurrentie 6.1 Overzicht ecosystemen De Solar industrie heeft zich in de afgelopen decennia zeer sterk ontwikkeld. De jaren tachtig werden gekenmerkt door technologische doorbraken vanuit onderzoeksinstituten. Rond 1991 was de productie van zonnecellen ongeveer 20 MW per jaar; productie werd handmatig gedaan. In de jaren negentig heeft de industrie de eerste stappen gezet in de richting van massaproductie; in 1999 bedroeg de wereldwijde productiecapaciteit ongeveer 200 MW per jaar, met het zwaartepunt in Westerse industrielanden zoals Duitsland. In de afgelopen tien jaar is massaproductie doorgebroken. Op dit moment is de wereldwijde productiecapaciteit meer dan 20 GW, een factor 100 groter dan de productiecapaciteit in 1999. Door de verdere industrialisatie is een belangrijke, sterk innovatieve industrie ontstaan waarin wereldwijd 300.000 mensen werken. De Solar industrie had over de hele wereld in 2010 een omzet van meer dan 40 miljard Euro. In dit hoofdstuk wordt een schatting gegeven van de positie van de Nederlandse Solar industrie en kennisinstituten temidden van de buitenlandse concurrentie. Hierbij is gebruikt gemaakt van: zz
Bestaande roadmaps
zz
Conference proceedings
zz
Interviews industrie
zz
TWA-Netwerk (gerichte vragen uitzetten)
zz
Informatie van de partners.
Daarnaast hebben we gebruik gemaakt van workshops met telkens 20 experts uit de sector waarbij de vraag centraal stond: wat zijn de onderlinge verhoudingen tussen de ecosystemen die er in de wereld echt toe doen? Dat heeft een scherp en gedifferentieerd beeld opgeleverd. Bij de workshops is gebruik gemaakt van het Electronic-Boardroom systeem waarbij de deelnemers probeerden om voor 2010 en 2015 de ecosystemen zo kwantitatief mogelijk aan te geven.
92
6.2 Afzet van Solar PV De afzet van Solar producten is geconcentreerd in een beperkt aantal landen. De kosten van PV zijn op dit moment namelijk nog hoger dan de kosten van grijze elektriciteit, waardoor overheidsbeleid de belangrijkste aanjager van de markt is. De landen met het krachtigste stimuleringsbeleid zijn op dit moment tevens de grootste afnemers van Solar producten, zie tabel 16. Annual installation (MW)
2006
2007
2008
2009
2010E
2011E
China
NA
30
45
247
456
911
France
NA
35
46
227
362
471
Germany
959.2
1328
1500
3000
3366
3703
India
NA
NA
40
69
204
347
Italy
NA
70
258
526
772
1157
Japan
296.48
230
230
431
861
1377
Spain
NA
640
2511
456
499
514
US
296.48
220
342
450
1273
1910
Other
192
290
587
750
1280
1928
Total
1744
2843
5559
6156
9073
12318
Top 8 contries % of total market
89%
90%
89%
88%
86%
84%
Tabel 16: Belangrijkste afnemers van Solar producten. Bron: OTB Solar Analysis, Morgan Stanley 2010, SolarBuzz
De komende jaren zal in steeds meer landen grid parity worden bereikt. Hoewel verschillende definities mogelijk zijn komt het er grofweg op neer dat de kWh kosten van PV voor de eindgebruiker ten hoogste gelijk zijn aan die voor elektriciteit uit het net. PV-producten worden steeds goedkoper, waardoor grid parity steeds verder naar het Noorden kruipt. In 2010 is grid parity bereikt in delen van Italië (Bron: World Energy Summit 2009). Uit tabel 16 is duidelijk dat Duitsland de motor is van de PV-markt. Ook in 2011 blijft Duitsland naar verwachting een belangrijke afnemer, maar een daling van de vraag is zeker niet uit te sluiten. Stimuleringsbeleid is ook de komende jaren nog de drijvende kracht, wat de zonnecelindustrie kwetsbaar maakt. Nederland speelt geen rol van betekenis als afnemer van PV-producten. De SDE-regeling 2010 was groot genoeg voor de installatie van ongeveer 30 MW, overeenkomend met 0.3% van de wereldmarkt. Inmiddels is de SDE regeling in de oude vorm opgeheven en de vorm van de regeling voor 2011 is nog niet duidelijk.
93
6.3 PV productie PV productie is begonnen in landen met een sterke technologische positie, dicht bij de nieuw ontwikkelde technologie: Japan, Duitsland, de VS en ook Nederland. Enkele bedrijven, waaronder het Amerikaanse SunPower, hebben onmiddellijk gekozen voor concentratie van hun productie in lage-lonen landen . Deze tendens, die overigens niet uniek is voor PV, heeft zich doorgezet, aangejaagd door sterke prijsconcurrentie en een sterk op productiecapaciteit gericht overheidsbeleid in landen als China en Maleisië. Een klein aantal landen domineert de wereldtop: China, Taiwan, Japan, Duitsland en de VS. In figuur 43 wordt hun productieca-
Global cell production capacity
paciteit gegeven ten opzichte van het totaal. 16.000 Top 5 Countries Others
12.000 8.000 4.000 0
2005
2006
2007
2008
2009
Note: Production capacity of European (Q-cells, REC) and US companies (First Solar Sunpower) typically build up in Asia (e.g. Malaysia) Source: OTB Solar aralyss, Credit Suisse, Company Announcements
Figuur 43: Aandeel van de top 5 producerende landen in de wereld-productiecapaciteit.
Schaalvoordelen bij de productie van zonnecellen worden steeds belangrijker en daarom zal deze concentratie waarschijnlijk niet op korte termijn verdwijnen. Voor cellen zal de productie naar verwachting nog verder naar Azië verschuiven. Landen als Korea zullen zeker proberen bij de top 5 te komen. Wel worden modules steeds meer lokaal geproduceerd. De benodigde investeringen voor moduleproductie zijn aanzienlijk lager dan die voor celproductie. Een aantal Aziatische bedrijven (Suntech, Yingli, Motech en andere) zijn bezig, moduleproductie op te zetten in de VS. Nederland heeft een totale productiecapaciteit van ongeveer 200 MW. Dit komt overeen met ongeveer 1.5% van het wereldtotaal. Nederlandse producenten zijn Scheuten Solar, Solland en Solar Modules Nederland.
94
6.4 PV-technologie en de verdeling naar ecosystemen De Solar markt kan worden opgesplitst naar hoofdprocessen, zie figuur 44. Bij elke processtap zijn de belangrijkste equipmentleveranciers (in 2009) vermeld. Crystaline silicon
Thin Film
Segment
Silicon
Ingot/wafer
Cell
Module
Example manufacturer
Wacker
PV Crystalox
Q-cells
Solon
First Solar
Process overview
High temperature deposition chambers convert TCS gas into charks of high-purity polys licon, typically using the “Siemens”method
Silicon is melted in a cruciole before cooling into a crystaline ingot. The ingot is cut first into blocks, then into thin wafers
Tha wafers are chemically treated to stimulate the photovoltaic effect and reduce reflection. The metallic contacts are printed onto the cells
A number of cells are combined together and sealed securely in a frame. Wiring and interconnectors are added
Single production process combining the deposition of thin layer of self conducting material and module manufacture
Centrotherm
Meyer Burger
Centrotherm
Meyer Burger (3S)
Centrotherm
GT Solar
HCT (Applied materials)
Roth & Flau
NPC
Roth & Flau
NTC Komatsu
Manz Automation
Spire
Manz Automation
Schmid
Schmid
Applied materials
Leading equipment suppliers
GT Solar
Baccini (applied materials) Capex cost Cost of 500 MW expansion
Oerlikon
€ 1m per 10MT
€ 0,4 - 0,5m per MW
€ 0,2 - 0,3m per MW
€ 0,1m per MW
€ 0,8 - 1,5m per MW
€ 400m
€ 225m
€ 125m
€ 50m
€ 400 - 700m
Figuur 44: Overzicht processtappen en equipmentleveranciers (2009).
De meeste productietechnologische bedrijven zijn gevestigd in een beperkt aantal landen. Dit komt doordat de PV technologie veel gebruik heeft gemaakt (en naar verwachting zal maken) van technologieën ontwikkeld voor de micro-elektronica en de flatpanel industrie. Landen met een historie in deze industrieën zijn ook sterk vertegenwoordigd in de productietechnologiesector voor PV: Duitsland, de Verenigde Staten, Korea, Japan, Zwitserland en ook Nederland. Vaak spelen onderzoeksinstituten daarbij een belangrijke rol. Er zijn echter ook goede instituten in landen zonder PV-industrie van betekenis: Imec in België en de University of New South Wales in Australië. Zie tabel 17 voor de leidende onderzoeksinstituten op het gebied van Solar-PV technologie.
95
Fraunhofer
Germany
ISE, CSP, IKZ, THM
University of Konstanz
Germany
University of Konstanz Photovoltaic
ISC Konstanz
Germany
International Solar Energy Research Centre
ZSW
Germany
Zentrum für Sonnenenergie und Wasserstof-forschung, Baden-Württemberg
HZB
Germany
Helmholtz Zentrum Berlin
Imec
Belgium
Imec
ECN
Netherlands
Energy research Centre of the Netherlands
CEA-INES
France
CEA Institute for Solar Energy
UNSW
Australia
University of New South Wales
NREL
USA
National Renewable Energy Laboratory
SERIS
Singapore
Solar Energy Research Institute Singapore
CAS
China
Chinese Academy of Sciences
ITRI
Taiwan
Industrial Technology Research Institute
KIER
Korea
Korean Institute of Energy Research
Tabel 17: Leidende onderzoeksinstituten wereldwijd.
Wanneer de gegevens van de productietechnologiesector worden gecombineerd met het overzicht van onderzoeksinstituten blijkt dat Solar PVtechnologie aanwezig is in minder dan 15 landen. c-Si Production Equipment
Thin Film Production Equipment Silicon
Cell Equip-
Module
Relevant
Equipment
ment
Equipment
Institutes
Institutes
Australia
√
√
Belgium
√ √
China
√
France Germany
√
Equipment
Relevant
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
√
India Japan Korea
√
Netherlands
√
Singapore √
Spain Switzerland
√
Taiwan USA
√
√ √
√
√
√
√
√
Tabel 18: Overzicht aanwezigheid PV-technologie bij de belangrijkste PV-landen
96
Nederland heeft een goede positie in PV-technologie met toonaangevende spelers op het gebied van productiemiddelen als Tempress, OTB Solar en Smit Ovens. Daarnaast wordt door partijen als Sunergy, Solland, Scheuten en Nuon Helianthos technologie ontwikkeld die internationaal verkocht kan worden. Nederland kent ook enkele succesvolle bedrijven op het gebied van materialen (o.a. Avantor) en van componenten en systemen (o.a. Mastervolt).Tenslotte zijn er toonaangevende kennisinstituten (vooral ECN, TNO en 3TU) en vele ontwikkelingsinitiatieven voor nieuwe bedrijvigheid.
6.5 Onderlinge verhoudingen 2010 & 2015 Wij hebben met behulp van het Electronic-Boardroom systeem van Berenschot de onderlinge verhoudingen tussen ecosystemen gekwantificeerd voor 2010 en 2015. Voor gedetailleerde uitkomsten van de boardroomsessies verwijzen wij naar ons rapport Concurrentieanalyse. De deelnemers aan de sessies hebben de clusters gescoord op containerbegrippen als Kennis, Kunde en Kassa. Hierbij wordt onder Kassa begrepen: commerciële productie in één of meerdere van de Solar marktsegmenten.
2010
Eco-systeem Kennis
Kunde
Kassa
79
81
75
Italië Midden Oosten USA Taiwan Zwitserland Spanje Singapore Nederland Korea Japan India Duistland Frankrijk China België Gewicht totaal
Laag
Middel
Tabel 19: Onderlinge clustervergelijking op basis van Kennis-Kunde-Kassa: 2010.
Hoog
97
Volgens de deelnemers zijn Duitsland, Japan, Taiwan, Korea, China de sterke regio’s (mede afhankelijk van de categorie), met Duitsland als absolute koploper. Nederland doet het niet slecht. De deelnemers hebben hun twijfels over de positie van de VS. 2015
Eco-systeem Kennis
Kunde
Kassa
94
93
92
Italië Midden Oosten USA Taiwan Zwitserland Spanje Singapore Nederland Korea Japan India Duistland Frankrijk China België Gewicht totaal
Laag
Middel
Hoog
Tabel 20: Onderlinge clustervergelijking op basis van Kennis-Kunde-Kassa: 2015.
De ecosystemen die hun concurrentiepositie drastisch gaan versterken of hun sterke positie verder uitbreiden ten opzichte van 2010 zijn: USA, Taiwan, Nederland, Korea, Duitsland en China, waarbij de veranderingen het grootst zijn in de VS en China. De karakteristieken per ecosysteem worden weergegeven in tabel 21.
98
ECOSYSTEEM
KARAKTERISTIEK VAN HET ECOSYSTEEM
Italië
Kennis ontbreekt Groeiende productie-industrie Grote potentiële eindmarkt
Midden Oosten
Vooral veel geld beschikbaar Geen eigen ervaring in de sector Kopen alles in als alternatief voor olieproductie
USA
Kennis wordt top! Slechte maakindustrie, wel Applied Materials VC’s en een grote kapitaalkrachtige thuismarkt!
Taiwan
Goede kenniseconomie, gebaseerd op halfgeleider sector Uitstekende maakindustrie, focus op productie Leidende cell makers en agressieve investeerders
Zwitserland
Een goed kennisinstituut in Neuchatel Maakindustrie en apparatenbouw
Spanje
Beperkte productie-industrie Veel kennis en kunde van buitenlandse leveranciers Subsidies zijn gestopt
Singapore
Kennis komt snel op niveau Semiconductor industrie is de basis. Sterke maakindustrie Dure omgeving
Rest of World
Moet nog starten Uiteindelijk een grote eindmarkt Zeer groot potentieel in off-grid, Island solutions
Korea
Krachtige kenniseconomie, sterk in productie en productiemiddelen High Tech en gedreven, succesvol Sterk ecosysteem, groeit sterk. Belangrijke speler! Ook op productiemiddelen
Japan
Uitstekend kennisniveau, instituten en bedrijven Grote partijen schakelen om naar Solar, ook productiemiddelexport Grote eindmarkt, maar gesloten. Ervaren high tech maakindustrie.
India
Grote achterstand en geen middelen, beperkte kennis Geen focus en programma Wel een grote eindmarkt, maar moet nog opstarten
Duitsland
De gehele keten is afgedekt: Top bedrijven en Instituten Nog steeds sterke maar afnemende ondersteuning door overheid Moeite om celproductie concurrerend te houden met Azië
Frankrijk
Kennisniveau groeit snel en goed Groei van de industrie Intern en teveel overheidsgestuurd
China
Kennisniveau beperkt maar groeit snel, ambitieus Nummer 1 in massaproductie Grote (potentiële) eindmarkt voor systemen, grote markt voor productiemiddelen
België
Hoogwaardig kennisniveau met name door IMEC Beperkte eigen industrie
Tabel 21: Overzicht ecosysteem-karakteristieken
99
6.6 Kansen voor Nederland per ecosysteem In de boardroomsessies oordeelden de deelnemers als volgt over de slaagkansen voor Nederland per ecosysteem. ECOSYSTEEM
KANSEN VOOR NEDERLAND PER ECOSYSTEEM
Italië
Leveren van kennis Leveren van module-systemen, productiemiddelen Leveren componenten voor connectie, o.a. aan grid
Midden Oosten
Kennis leveren Productiemiddelen leveren Leveren componenten voor connectie, o.a. aan grid
USA
Kennis leveren, meedoen Productiemiddelen leveren (beperkt)
Taiwan
Kennis leveren Productiemiddelen leveren
Zwitserland
Geringe kansen op samenwerking over gehele keten
Spanje
Productiemiddelen leveren
Singapore
Geringe kansen op samenwerking over gehele keten
Rest of World
Kennis leveren Productiemiddelen leveren Leveren componenten voor connectie, o.a. aan grid
Korea
Eerder een grote concurrent! Dan kansrijk voor NL
Japan
Geringe kansen op samenwerking over gehele keten
India
Kennis leveren Productiemiddelen leveren Leveren componenten voor connectie, o.a. aan grid, maar alles loopt nog traag.
Duitsland
Samenwerking met de gehele keten i.v.m. geografische ligging Samenwerking in kennisontwikkeling Meeliften
Frankrijk
Geringe kansen op samenwerking over gehele keten
China
Kennis leveren Productiemiddelen leveren
België
Samenwerking in kennisontwikkeling Afzet van modules
Tabel 22: Overzicht kansen voor Nederland per ecosysteem
100
6.7 Conclusies van de analyse De concurrentieanalyse en uitgebreide boardroomsessies met een brede groep industrie-experts hebben een aantal belangrijke conclusies opgeleverd. Ten eerste: hoewel de wereldmarkt zeer sterk groeit, zijn kennis, kunde en kassa verdeeld over niet meer dan vijftien landen (ecosystemen), en wij verwachten niet dat dit aantal zich nog op korte termijn zal uitbreiden. Wij verwachten dat in de komende vijf jaar zes ecosystemen hun concurrentiepositie sterk kunnen gaan verbeteren of hun huidige leidende positie succesvol kunnen verdedigen: de VS, China, Taiwan, Korea, Duitsland en Nederland. De ecosystemen zijn beoordeeld op hun aanwezigheid in technologiedomeinen, ketenbezetting en breedte van commerciële activiteiten. Nederland is vooral sterk aanwezig in het technologiedomein kristallijn silicium, op dit moment de dominante technologie in de markt. Dit geldt voor leidende instituten als ECN, TNO en 3TU en ook voor de industrie. In de keten van het Nederlandse ecosysteem ligt de nadruk op het maken van processen/machines en op productiecentra. De product/ marktcombinatie ‘high tech apparatuur’ is de enige PMC waarin Nederland op dit moment een sterke positie heeft. Deze positie geldt dan voor het “maken” en niet voor het “kopen” van apparatuur. Op basis van de aangelegde criteria bevindt het Nederlandse ecosysteem zich in de mondiale middenmoot. Toch is in vier jaar tijd de omzet van de industrie gemiddeld meer dan 60% per jaar gegroeid; in 2009 bedroeg deze meer dan 500 miljoen Euro. Het aantal directe arbeidsplaatsen groeide in deze jaren met gemiddeld meer dan 50%; in 2009 bedroeg dit meer dan 1.400 FTE. Voor 2010 bedragen deze getallen 1.000 miljoen resp. ruim 2.000 FTE. Wij zien kansen voor het Nederlandse ecosysteem, opnieuw met nadruk op het leveren van kennis en productiemiddelen. Daarnaast zien wij kansen voor de installatiebranche in landen met een grote investeringsagenda. Deze kansen kunnen benut worden gezien de aansluiting met de sterktes van ons ecosysteem. Ten eerste is er diepe technologische kennis en algemene innovatieve durf. Daarnaast hebben we een hoog opgeleid arbeidspotentieel met relevante expertise. Er is een toonaangevende industrie met een sterke achtergrond in high-tech equipmentontwikkeling en dito productie. En bedrijven, instituten en overheden werken goed samen om het huidige succes verder te kunnen uitbreiden.
101
7. Focusgebieden In dit hoofdstuk worden zestien focusgebieden – onderverdeeld in vier categorieën – voor Nederland toegelicht. Deze focusgebieden sluiten aan bij de hiervoor benoemde pmc’s. Per focusgebied wordt een definitie gegeven en worden de mogelijkheden voor creatie van bedrijvigheid voor Nederland en de potentiele Nederlandse spelers benoemd. Toepassingen van PV zz
Focusgebied 1 Zonnecelgebouw
zz
Focusgebied 2 Zonnecelkas
PV-technologieën zz
Focusgebied 3 Dunne-film PV
zz
Focusgebied 4 & Focusgebied 5 Geavanceerde wafergebaseerde PV (nieuwe architecturen en dunne wafers)
Technologieën voor PV zz
Focusgebied 6 Roll-to-roll processing
zz
Focusgebied 7 Printtechnologie
zz
Focusgebied 8 Depositietechnologie
zz
Focusgebied 9 & Focusgebied 10 Geavanceerde encapsulatie (barrièrelagen en nieuwe materialen)
zz
Focusgebied 11 & Focusgebied 12 In-line inspectie en kwaliteitsbeheersing
zz
Focusgebied 13 Green processing
zz
Focusgebied 14 Materialen
Productiemiddelen zz
Focusgebied 15 Productieapparatuur voor dunne-film PV
zz
Focusgebied 16 Productieapparatuur voor wafergebaseerde PV
7.1 F1: Zonnecelgebouw Definitie Het focusgebied zonnecelgebouw beslaat onderzoek en ontwikkeling van nieuwe en verbeterde systemen en bijbehorende producten voor toepassing van PV-technologie in gebouwen (in de brede zin van het woord). Technische doelstellingen zijn vérgaande (fysieke en functionele)
102
integratie van PV-technologie in bouwelementen en installatiesystemen, intelligente koppeling met het elektriciteitsnetwerk en hoogwaardige combinaties met elektrisch vervoer. Los van het realiseren van de technische doelstellingen wordt gestreefd naar het creëren van een sterkere bewustwording bij architecten en anderen uit de bouwkolom over PVtoepassingen. Voor Nederland zijn op dit focusgebied onder meer kansen rondom productontwikkeling, –demonstratie en -installatie. Daarnaast zijn kansen aanwezig voor levering van diensten door en ter ondersteuning van architecten en productontwerpers. De doelstellingen zijn: zz
Verregaande integratie van PV-technologie in bouwelementen
zz
Intelligente koppeling van PV-systemen met een DC-elektriciteitsnetwerk in het gebouw
zz
Intelligente koppeling met klimaatsysteem en opslagmedia in het gebouw
zz
Intelligente koppeling met elektrisch vervoer (oplaadpunt)
zz
Intelligente koppeling met de buitenwereld via een smart grid
De belangrijkste eisen voor de ontwikkeling van producten in dit focusgebied zijn: zz
Verlaging kostprijs op systeemniveau
zz
Gemakkelijke en snelle installatie
zz
Bestand tegen vandalisme en onderhoudsvrij
zz
Mogelijkheid van prefab fabricage
zz
Zowel te gebruiken als onderdeel van een systeem als wel als los product (bijvoorbeeld in combinatie met een zonneboiler of andere bronnen).
Een goed resultaat van dit focusgebied gaat gepaard met een toenemende bewustwording bij architecten, aannemers en installateurs. Samenwerking met projecten op het gebied van materialen en zonnecelconcepten is zeer gewenst om de juiste integratie van PV-technologie en bouwelementen te kunnen ontwikkelen en produceren. Businessontwikkeling De omzet voor Nederlandse bedrijven zal vooral bestaan uit de verkoop en installatie van systemen en producten. Daarnaast liggen er kansen voor architecten en ontwerpers, en in de algehele ondersteuning van deze beroepsgroepen. Ter demonstratie van de mogelijkheden en kansen wordt gezocht naar een pilotproject voor een zonnecelgebouw. Dit gebouw kan fungeren als testfaciliteit van het ontwerpproces en het uiteindelijke product.
103
Partijen en partners Kennisinstellingen moeten technieken voor integratie van PV in bouw elementen maar ook van intelligente koppelingen en regelingen verder ontwikkelen. Leveranciers moeten bestaande en te ontwikkelen producten tot een systeem samenvoegen, en daarbij ook kijken naar een efficiënte koppeling tussen PV-systemen, het elektriciteitsnetwerk van het gebouw en de diversiteit aan applicaties binnen het gebouw. Holland Solar is als branchevereniging de aangewezen partij om deze ontwikkelingen van zonne-energiegebouwen te promoten. Hierbij kan in 2011 gebruik worden gemaakt van de promotiecampagne ‘European Solar Days’, maar ook van artikelen in vakbladen en Solar magazine. De mogelijke partijen in dit focusgebied betreffen onder andere: zz
Kennisinstellingen
zz
Leveranciers/producenten van solarsystemen
zz
Leveranciers uit de bouwsector en van klimaatsystemen
zz
Toepassers van solar modules, waaronder projectontwikkelaars, architecten en woningbouwcorporaties
zz
Brancheorganisaties en overheden
Marktintroductie Het zonnecelgebouw is een traject waarvoor meerdere jaren doorlooptijd moet worden ingepland. De verwachting is dat binnen een termijn van drie à vijf jaar het zonnecelgebouw tot bloei zal komen, waarbij tevens een stap naar verdere internationalisering kan worden ingezet.
7.2 F2: Zonnecelkas Definitie Het focusgebied Zonnecelkas sluit goed aan bij de sterkten van Nederland. Nederland telt ruim 10.000 hectare kassen en 80% van alle glazen kassen die buiten Europa in gebruik zijn, is afkomstig uit Nederland. Daarnaast behoren twee door de Universiteit Wageningen ontwikkelde concepten voor PV-toepassing in glastuinbouw (ELKAS en Fresnel-kas) tot de wereldwijde top. De ontwerpen bewijzen dat het mogelijk is elektriciteit op te wekken zonder negatieve invloed op het kasgewas. Beide concepten zijn binnen drie tot vijf jaar gereed voor marktintroductie. Op te lossen knelpunten door het Nederlandse PV-cluster, die leiden tot kostenreductie en rendementsverhoging, zijn verbetering van Nabije Infrarode (NIR) stralingreflecterende folie in de ELKAS; opvoering van de concentratiefactor, verbetering van het modulerendement en productie van speciale panelen voor een hoge elektri-
104
citeitsopbrengst. Op de langere termijn zijn er mogelijkheden voor het toepassen van panelen die het voor planten bruikbare deel (golflengtebereik) van het licht doorlaten en andere delen omzetten in elektriciteit. Gezien de beschikbare kennis bij de Universiteit Wageningen, de ervaring van ECN met optimalisatie en levensduurtesten en aanwezigheid van verschillende moduleproducenten en producenten van testapparatuur, moet het Nederlandse PV-cluster in staat zijn op dit focusgebied een sterke positie in te nemen en nieuwe business te genereren. Een methode om het rendement van zowel ELKAS als Fresnel-kas te verbeteren is het bundelen van zonlicht door optische instrumenten. Daarbij kan ook gebruik worden gemaakt van volgsystemen met een of twee assen die de zon van ‘s morgens tot ‘s avonds volgen en het licht op de zonnecellen concentreren. Voor de Fresnel-kas kan een beter ontwerp van lineaire fresnellenzen de concentratiefactor verhogen. Bij ELKAS moet de concentratiefactor vergroot worden door optimalisatie van het reflectorontwerp en verbeterde zonnevolgsystemen. Bij ELKAS wordt gebruik gemaakt van het scheiden van het zonnespectrum, waarbij de ‘Photo Active Radiation’ (PAR) wordt doorgelaten en de Nabije Infrarode Straling (NIR) wordt gereflecteerd. Voor de groei van het gewas is het PAR-deel van het spectrum belangrijk terwijl het NIRdeel ongewenste thermische straling in de kas brengt. Met het NIR-deel van het zonnespectrum kan elektriciteit worden opgewekt, terwijl tegelijkertijd het klimaat in de kas verbetert. Voor het scheiden van PAR en NIR wordt momenteel gebruik gemaakt van een commercieel beschikbare NIR-reflecterende folie van 3M. NIR-reflecterende folies worden ook toegepast in autoruiten en voor vensters in brandweerhelmen, waarbij het belangrijk is om zichtbaar licht door te laten, maar warmte buiten te houden. De uitdaging ligt in de ontwikkeling van een betere reflecterende folie, door een hogere transmissie van het PAR-deel te verkrijgen en een betere reflectie in het gehele NIR-deel van het spectrum. Het gebruik van PV in de kassenbouw vraagt verder om specifieke maatvoering van de zonnecelmodules. Zonnecellen veroorzaken lichtverlies in de kas, wat een negatief effect heeft op het gewas. Het oppervlak van de modules moet dus geoptimaliseerd worden voor maximale absorptie van zonlicht en minimale verstoring van de groeicondities van het gewas. Met een specifieke module die aan alle eisen voor toepassing in kassenbouw voldoet, kan een hoger rendement gehaald worden. Daardoor komt economische rentabiliteit dichterbij. Ook dient hierbij te worden gekeken naar oplossingen voor automatisering van de productie.
105
Businessontwikkeling Knelpunten die verder moeten worden opgelost zijn de volgende: zz
Verbetering van NIR reflecterende folie toegepast in ELKAS;
zz
Opvoeren van de concentratiefactor, waardoor duurdere zonnecellen binnen bereik komen;
zz
Verbeteren van het celrendement;
zz
Produceren van dedicated panelen, waardoor de paneelrendementen hoger worden.
Partijen en partners Wageningen UR beschikt over kennis van de concentratiefactor, de NIR reflecterende folie, het paneelrendement, kasconstructies en groeicondities. Specifieke technische expertise is nodig op het gebied van optica, concentrator-technologie, en mechanica voor zonnevolgsystemen voor deze ontwikkeling. ECN kan bijdragen als architect van het geheel, aan de optische modellering, en aan het optimaliseren van het zonnecelrendement op het aangeboden spectrum. Essentiële kennis is verder voorhanden bij TNO Industrie en Techniek, Holst Centrum en Dutch Polymer Institute (DPI). Marktintroductie Nederland kan in deze markt een onderscheidende positie opbouwen. Wij verwachten dat er door samenwerking binnen drie à vijf jaar aanvullende kansen op de markt ontstaan, ook voor nieuwe varianten kassen.
7.3 F3: Dunne film PV Definitie Het marktaandeel van dunnefilm zonnecellen zal naar verwachting de komende jaren sterk groeien. Dunne-film zonnecellen zijn interessant omdat weinig materiaal wordt gebruikt in de actieve lagen en omdat de fabricageprocessen snel en efficiënt kunnen zijn. Als het aanbrengen van die dunne lagen heel goedkoop kan plaatsvinden en het rendement voldoende hoog is, kunnen de modulefabricagekosten sterk worden verlaagd ten opzichte van de huidige PV-technologieën. Belangrijke technologische uitdagingen zijn volledige lichtabsorptie in ultradunne lagen (d.m.v. lichtmanagement), het snel en goedkoop aanbrengen van lichtabsorberende lagen gepaard gaand met een hoge kwaliteit en het minimaliseren van de verliezen die samenhangen met de stap van zonnecel naar zonnepaneel (serieschakeling van cellen, encapsulatie, etc.).
106
Nederland heeft op deze terreinen veel hoogwaardige expertise te bieden en kan daarom belangrijke nieuwe business ontwikkelen. De huidige markt voor zonnepanelen wordt gedomineerd door siliciumwafer-zonneceltechnologie (ca. 80% marktaandeel), maar de mogelijkheden voor kostenreductie zijn bij deze technologie uiteindelijk beperkt. Het marktaandeel zonnepanelen op basis van dunne-film technologie zal daarom naar verwachting in de komende jaren sterk groeien (zie figuur 45). 40000
Production Capacity Outlook [MW]
35000 30000
75%
CSI modules Thin Films
76%
25000 76%
20000 15000
78% 82%
10000 5000
0
18% 2009e
22% 20010e
24% 2011e
24%
2012e
25%
2013e
Figuur 45. Verwachte groei productiecapaciteit (EPIA, 2010)
Dunne-film zonnecellen bevatten slechts een dunne laag fotovoltaïsch actief materiaal, waardoor materiaalkosten niet meer dominant zijn. Daar staat tegenover dat het zonlicht niet efficiënt wordt ingevangen, waardoor het rendement relatief laag is. Met lichtmanagement met reflecterende nanotexturen en plasmonstructuren (zoals in Blue Ray disc technologie) kan dit nadeel verminderd worden. Een andere mogelijkheid biedt de ontwikkeling van materialen die inherent efficiënter zijn. Siliciumwafercellen zijn in serie geschakeld; dat geeft het hoogste rendement. Datzelfde moet ook gebeuren bij dunne film-zonnecellen. Alleen moeten hier afzonderlijke cellen worden gemaakt door lasergraveren van de folie, waarbij weerstandsverlies en het verlies van actief oppervlak door de lasergravure zo klein mogelijk moeten zijn.
107
Het focusgebied Dunne Film-zonnecellen richt zich op: zz
Geavanceerd lichtmanagement: nanotexturering, plasmonische structuren
zz
Materiaalontwikkeling: bandgap engineering, robuuste stoichiometrievensters, structuurmanipulatie, grensvlakengineering
zz
Laserprocessing: diepteselectief lasergraveren, laser/ materiaalinteractie, zelf-regulerende processing
zz
Interconnectie: lage-temperatuur inkten, metal jetting
Businessontwikkeling Voor dunne–film zonnecellen zijn allerlei technologieën nodig om het rendement te verhogen, of de negatieve invloed van fabricageprocessen daarop zo klein mogelijk te maken. Veel verschillende Nederlandse bedrijven hebben specifieke hoogwaardige expertise in huis die op dit gebied te gelde kan worden gemaakt. Partijen en partners Alle partijen die in Nederland betrokken zijn bij de ontwikkeling en productie van dunne-film zonnecellen kunnen bijdragen aan dit focusgebied. Technologieontwikkelaars ontwikkelen gereedschappen voor de zogenaamde toolbox voor hoogrendement dunne–film zonnecellen in samenwerking met apparatenbouwers en zonnecelproducenten. Universiteiten ondersteunen de ontwikkelingen met hun wetenschappelijke basiskennis. Marktintroductie Enkele van de gereedschappen uit de toolbox kunnen op korte termijn op de markt beschikbaar zijn.
7.4 F4 & F5: Geavanceerde wafergebaseerde PV Definitie De focusgebieden Geavanceerd kristallijn silicium (F4) en dun silicium (F5), vormen samen een geheel. Kristallijn silicium is op dit moment de dominante technologie. Sterkten zijn een hoog rendement en een uitgebreid track record op het gebied van levensduur en betrouwbaarheid. De belangrijkste uitdagingen zijn een verdere integratie van cel- en moduleontwerp en (mede als gevolg daarvan) kostenverlaging. Dit focusgebied is daarom gericht op vermindering van materiaalgebruik en/of verlaging van de materiaalkosten, verdere verhoging van het rendement en verlaging van de kosten op moduleniveau. Dit wordt met name bewerkstel-
108
ligd door ontwikkeling en toepassing van nieuwe concepten gebaseerd op zeer dunne wafers en geavanceerde (met name achterzijdecontact) architecturen voor cellen en modules (Metal Wrap Through, Interdigitated Back Contact, Heterojunction en Crystalline Silicon Interconnected Strips). Bij alle concepten gaat het daarbij om cellen op p- en n-type materiaal en op monokristallijn en multikristallijn silicium. Voor Nederland biedt dit focusgebied kansen om nieuwe business te creëren via ontwikkeling en daadwerkelijke productie van geavanceerde cellen en modules en (in het bijzonder) de bijbehorende productieapparatuur. De huidige Nederlandse kennispositie op dit gebied is uitstekend en er is bovendien veel bedrijvigheid aanwezig. Beoogde doelen zijn een omzetvergroting en het genereren van nieuwe bedrijvigheid (start-ups). Verder is dun silicium een flexibel materiaal waarbij roll-to-roll processing belangrijk is en aspecten zoals lichtgewicht, flexibele producten, interconnectie en encapsulatie een grotere rol spelen. Crystalline silicon technologies
2010 - 2015
2015 - 2020
2020 - 2030/2050
Efficiency targets in % (Commercial modules)
Single-crystalline: 21% Multi-crystalline: 17%
Single-crystalline: 23% Multi-crystalline: 19%
Single-crystalline: 25% Multi-crystalline: 21%
Industry manufacturing aspects
Si consumption <5 g/W
Si consumption <3 g/W
Si consumption <2 g/W
New silicon materials and processing
Improved device structures
Wafer equivalent technology
Cell contacts, emitters and passivation
Productivity and cost optimalisation in production
New device structures with novel concepts
Selected R&D areas
Tabel 23.Doelstellingen en R&D-thema’s voor kristallijn silicium-technologieën. Bron: Technology Roadmap Solar Photovoltaic Energy © OECD/IEA, 2010.
Belangrijke ontwikkelingen voor het Nederlandse ecosysteem zijn daarbij: zz
Rendementsverbetering van commerciële modules, zowel multi- als monokristallijn silicium.
zz
Celcontacten, emitters en passivatie of oppervlakte recombinatie.
zz
Verbeterde device-structuren en hoog-rendementsconcepten.
zz
Nieuwe deviceconcepten met verminderd gebruik van dure en schaarse materialen (denk aan metalen) en verhoogde levensduur (elektronische structuur).
zz
Light trapping / light management.
zz
Photonische / plasmonische structuren en spectrumconversie.
zz
3D device modeling.
109
zz
Deviceconcepten voor steeds dunner wordende wafers, technologie die weinig stress introduceert, bijvoorbeeld middels lage temperatuur-processing.
zz
Productieconcepten met steeds dunner wordende wafers, handling, hoge yield, processing op carrier.
zz
Vergaande integratie van cel- en moduleprocessing voor verhoogde overall yield, kwaliteit, levensduur, throughput, kostenreductie, gericht op steeds dunner wordende wafers, integraal ontwerp.
zz
Integratie en optimalisatie van celmetallisatie en moduleinterconnectie gericht op materiaal(kosten)reductie, betrouwbaarheid, gebruik van ruim voorradige, ‘groene’ en goedkope materialen en verbindingstechnologieën.
zz
Reductie van zaagverlies door draadzagen, bijv. door gebruik van fijne diamantkorrels als slijpmateriaal. De waferdikte kan hiermee waarschijnlijk tot onder de 100 µm dalen.
zz
Klieven door ionenimplantatie (waterstof), laser-assisted klieven of ‘zagen’.
zz
Direct casting, zoals bijvoorbeeld RGS (Ribbon Growth on Substrate).
zz
Epitaxy.
Businessontwikkeling Voor verdere kostenbesparing bij kristallijn silicium PV moeten de rendementen omhoog, moet de productietechnologie worden verbeterd en moet het materiaalgebruik worden verminderd, gekoppeld aan groenere materialen en groenere processen. Dit focusgebied richt zich verder op businessontwikkeling uit IP (nieuwe en verbeterde technologie), productie van cellen en modules met die technologie, en het ontwikkelen en bouwen van productieapparatuur daarvoor. De kennispositie voor de levering van hoogwaardige machines voor cel- en moduleproductie is uitstekend en er is al veel bedrijvigheid, met een groot aandeel in de wereldmarkt. Doelen zijn: vergroting van de omzet van ca. € 600 mln. naar ca. € 2.000 à 3.000 miljoen over 5 jaar, en het genereren van een aantal start-ups. Partijen en partners Alle partijen die in Nederland betrokken zijn bij de ontwikkeling van kristallijn silicium-technologie kunnen in dit focusgebied actief zijn. Technologie- en kennisontwikkelaars ontwikkelen nieuwe processen en deviceconcepten in samenwerking met de producenten. Apparatuur- en materiaalproducenten ontwikkelen in nauwe samenhang hiermee aangepaste en nieuwe producten. In potentie is er een grote rol weggelegd voor technieken om goedkoper siliciumwafers te produceren. Er is echter nog geen sterke Nederlandse positie op dit gebied, met uitzondering van
110
RGS. Wij stellen in de eerste plaats voor zowel mogelijke technologieën als mogelijke betrokken industrieën nader te verkennen. Marktintroductie Nederland behoort in kristallijn silicium-technologie tot de top van de wereld. De omzet van de Nederlandse PV-industrie wordt voor het grootste deel in dit focusgebied behaald, en wij verwachten dat dit nog vele jaren zal voortduren. Om onze huidige positie te behouden of misschien wel uit te breiden is het van het grootste belang dat blijvend geïnvesteerd wordt in zowel de onderzoekinfrastructuur als het meerjaren-onderzoekprogramma.
7.5 F6: Roll-to-roll processing Definitie De huidige productieprocessen van dunnefilm zonnecellen en -panelen kenmerken zich veelal door het gebruik van glas als substraat. Glas is een rigide materiaal waardoor productieprocessen over het algemeen batchgewijs zijn georganiseerd. Om de productiekosten verder te verlagen kan de overstap naar roll-to-roll productieprocessen gemaakt worden. Daarmee kunnen de verschillende processtappen (al dan niet in vacuüm) direct achter elkaar worden uitgevoerd en kan de doorvoersnelheid worden verhoogd. Om de overstap naar het dynamische rollto-roll-productieproces te maken moeten de verschillende onderdelen van het proces zeer goed worden beheerst en op elkaar zijn afgestemd. Daarbij is kwaliteitscontrole van het productieproces van groot belang en zijn sensoring, processturing en zeer nauwkeurige mechatronica zeer belangrijk. Het focusgebied Roll-to-roll processing biedt Nederland grote kansen; voor partijen actief rond ontwikkeling van dunne-filmzonnecellen en bijbehorende productieapparatuur en voor degenen die de zonnefolies integreren in bijvoorbeeld bouwelementen. Mede vanwege het grote belang is roll-to-roll fabricage een integraal onderdeel van het Sollianceprogramma. In het programmadocument van Solliance is beschreven hoe generieke roll-to-roll-productie-expertises (depositie, printen, laserbewerking, etc.) voor verschillende zonneceltechnologieën kunnen worden ingezet. Een intensief vierjarig programma leidt tot een stevige Nederlandse expertisebasis voor dynamische fabricageprocessen. Roll-to-roll fabricage is een dynamisch proces en de gebruikte depositietechnieken (zoals plasmadepostie, sputteren, slot-die coaten, inkjet-,
111
flexo- en gravureprinten) moeten zeer goed worden beheerst om homogene deposities over grote oppervlakken te krijgen. Daarbij moet tijdens het proces de kwaliteit van de zeer dunne lagen (variërend van 100 nanometer tot 10 micrometer) worden gecontroleerd; sensoring, processturing en zeer nauwkeurige mechatronica zijn daardoor belangrijk. De volgende aspecten zijn van cruciaal belang: zz
Zeer nauwkeurige (plasma, dampvormig, vloeistof) depositietechnieken die robuust in een dynamisch proces werken
zz
Zeer nauwkeurige mechatronica met geavanceerde processturing
zz
In-line monitoring op basis van fit-to-purpose sensors
Roll-to-roll geproduceerde zonnecellen zijn licht, flexibel en variabel in afmetingen en hebben een relatief vrije keuze van ondergrondmateriaal. Deze zonnecellen kunnen verwerkt worden tot normale modules maar zijn ook uitermate geschikt om te integreren in bouwelementen. Businessontwikkeling Roll-to-roll processing is de goedkoopste manier om zonnecellen te produceren. Het focusgebied richt zich zowel op businessontwikkeling op basis van productie van zonnecellen, als ook door de ontwikkeling en levering van productiemachines. Daarbij gaat het niet alleen om hogeprecisie verplaatsingsplatforms maar ook om depositietechnieken (bijv. inkjetkoppen, rotatiezeven) sensoring, en meet- en regeltechnieken. Roll-to-roll geproduceerde zonnecellen worden belangrijk in Building Integrated PV (BIPV), zie ook het focusgebied “Zonnecelgebouw”. Partijen en partners Alle Nederlandse partijen betrokken bij de ontwikkeling van dunne film-zonnecellen, apparatuur voor de productie ervan en integratie van zonnecellen in bouwelementen kunnen dit focusgebied versterken. Technologieontwikkelaars ontwikkelen nieuwe roll-to-roll productieapparatuur in samenwerking met apparatenbouwers en zonnecelproducenten. Universiteiten en andere kennisinstellingen ondersteunen de ontwikkelingen met basiskennis. Marktintroductie Voor sommige zonneceltechnologieën kan marktintroductie binnen een termijn van 3 jaar plaatsvinden, bijvoorbeeld voor dunne film silicium. Marktintroductie voor technologieën als printbaar Si, CIGS of organische zonnecellen zal later plaatsvinden.
112
7.6 F7: Printtechnologie Definitie De solar-industrie maakt gebruik van meerdere depositietechnologieën om de verschillende lagen van een PV-cel te maken. Om celproductiekosten te reduceren is het nodig dure en langzame depositieprocessen te vervangen door goedkope, kwalitatief hoogwaardige en snelle technologieën. Printtechnologie is een van de belangrijkste alternatieven. Droomscenario is het printen van de volledige PV-module waarmee grootschalige roll-to-roll-productie mogelijk wordt. Nederland kan op het focusgebied “Printtechnologie” een belangrijke rol spelen rond te ontwikkelen apparatuur, materialen (inkten en oplosmiddelen) en processen (recepten, instellingen en condities). Onderzoek richt zich op materialen (inkten, oplosmiddelen), processen (recepten, instellingen, condities) en innovaties op het gebied van apparatuurontwikkeling. Meer specifiek richten projecten zich op: zz
Printen van metalen geleiders en contacten, vervanging van zilver
zz
Gepatroneerd printen (bv aanbrengen geleidende contacten)
zz
Printen van homogene oppervlakken; niet alleen OPV, maar juist ook anorganische PV
zz
Verbetering van homogeniteit in combinatie met schaalvergroting
zz
Printen van actieve lagen, resistlagen en selectieve doping
zz
Ontwikkeling en optimalisatie van materialen en hun printeigenschappen (zoals reologie)
zz
Substraathandling
zz
In-line procesbeheersing
zz
Meerlaags coaten en laminatie
Businessontwikkeling De businesscase staat voornamelijk in het teken van kostenvermindering. Ook schaalvergroting speelt een belangrijke rol. Businesskansen liggen er op het gebied van het ontwikkelen van apparatuur, materialen en processen waarbij eerst de meest kritische processen aandacht moeten krijgen en dan pas de all-printed alternatieven. Partijen en partners De groep van partijen die belang hebben bij de ontwikkeling van printtechnologie – en daarmee bij innovaties op deze terreinen – is uitgebreid en divers. Dit wordt mede veroorzaakt door de verwachte impact en het grote marktvolume. Geschikte partijen om een initiatief rond printtechnologie te trekken zijn bijvoorbeeld het Holst Centre en Océ. Innovatieprojecten kun-
113
nen daarbij de huidige Nederlandse kennispositie versterken, doorbraken forceren en helpen om nieuwe technologieën versneld te introduceren. Marktintroductie De eerste doorbraken op het gebied van printtechnologie zijn de komende jaren te verwachten. Het zal nog jaren duren voordat een all-printed PV technologie met een hoge yield bij een hoge snelheid haalbaar wordt, hoewel sommige PV bedrijven (Konarka, Nanosolar) al belangrijke stappen in deze richting hebben gezet. In projecten kan de kennispositie worden versterkt, doorbraken worden geforceerd en nieuwe technologieën versneld worden ingevoerd.
7.7 F8: Depositietechnologie Definitie focusgebied Het focusgebied depositie behandelt het onderzoek naar en de ontwikkeling van nieuwe en verbeterde depositieprocessen en bijbehorende machines. Depositiemachines dienen om een grote verscheidenheid aan lagen aan te brengen voor diverse wafer-types en dunne-film (organische en anorganische) zonnecellen. Onderzoek naar verbeterde en nieuwe processen vindt plaats rond ondermeer atomic layer deposition, plasmadepositie en depositie op nieuwe substraattypen. Op dit focusgebied is intensieve interactie met ontwikkelingen rondom materialen, zonnecelconcepten en productieapparatuur een vereiste. Met name voor organische zonnecellen is samenwerking met printtechnologie en roll-to-rolltechnologie belangrijk. Wij voorzien verder verbeterde of nieuwe processen op de volgende gebieden: zz
Atomic Layer Deposition (ALD) voor met name Al2O3 passivatielagen.
zz
Plasmadepositie van diverse lagen voor verbeterde of nieuwe zonnecelconcepten (intrinsiek a-Si, a-Si al dan niet gedoteerd, SiO2, TCO).
zz
Plasmadepositiemachines voor bestaande zonnecelstacks (c-Si) met aanzienlijk verbeterde productiviteit.
zz
Plasmadepositie bij lage substraattemperaturen en/of bij atmosferische drukken.
zz
Depositie op nieuwe substraatvormen, zoals gekromde oppervlakken.
zz
Depositie van contactlagen door andere technieken dan printing (elektrochemisch, sputteren, etc.).
zz
Gepatroneerde depositie.
114
Intensieve samenwerking met projecten op het gebied van materialen, zonnecelconcepten en productieapparatuur is een vereiste. Voor organische zonnecellen is samenwerking met onder andere de focusgebieden printing en roll-to-roll belangrijk. Businessontwikkeling Nederland kan op dit focusgebied vooral nieuwe business creëren door verkoop van machines die een betere prijs/kwaliteitverhouding hebben en het rendement van het product verhogen. Gecombineerd met de ontwikkeling van nieuwe materialen en zonnecelconcepten is het bovendien mogelijk intellectueel eigendom op te bouwen waarvoor licenties verleend kunnen worden. Partijen en partners Kennisinstellingen moeten de kennis van depositietechnologieën verder ontwikkelen (depositie van absorptielagen, dotering, anti-reflectie lagen, passivatielagen en geleidende lagen). Met deze kennis moeten machinebouwers in samenwerking met hun toeleveranciers nieuwe en verbeterde machines kunnen ontwikkelen. Marktintroductie Op korte termijn worden nieuwe initiatieven verwacht rondom ALD, integratie in de volledige productielijn die tevens noodzakelijk voor verder succes. Hiervoor moeten de bedrijven uit de waardeketen bereid zijn tot samenwerking op de langere termijn.
7.8 F9 & F10: Geavanceerde encapsulatie (barrièrelagen en nieuwe materialen) Definitie Encapsulatie (“inpakking”) van (wafer en dunne-film) zonnecellen tot een module is in belangrijke mate bepalend voor de levensduur van het product. Encapsulatie draagt bovendien substantieel bij aan de totale kosten. De encapsulatie fungeert als barrière voor de indringing van zuurstof en vocht vanuit de omgeving, die de werking van de zonnecellen nadelig kunnen beïnvloeden of zelfs tot volledig falen kunnen leiden. Encapsulatie van cellen kan bijvoorbeeld bestaan uit een combinatie van een glasplaat aan de ene zijde en een hermetisch afsluitende folie aan de andere zijde, met daartussen een transparante folie (“lijm”). Daarnaast kunnen barrièrelagen worden ingevoegd, bijvoorbeeld om te voorkomen dat ongewenste stoffen vanuit het glas in het actieve celmateriaal dringen. Voor flexibele dunne-film zonnecellen is glas geen optie
115
en daarom is het van belang om goedkope, maar uitstekend werkende andere materialen of combinaties van materialen (inclusief dunne barrìèrelagen) beschikbaar te hebben. Zulke materialen moeten ook op ruwe (of getextureerde) of niet-homogene ondergronden kunnen worden gebruikt. Hoewel zulke opties bestaan, zijn ze zeer kostbaar en daarom ongeschikt voor toekomstige grootschalige productie tegen zeer lage kosten. Het focusgebied “Geavanceerde encapsulatie” biedt ruimte voor ontwikkeling van materialen, processen en apparatuur. Het domein kent daarmee aanzienlijke kansen voor Nederland. Het Nederlandse ecosysteem kan op korte termijn verbeteringen in de huidige technologieën bewerkstelligen en op langere termijn volledig nieuwe materialen en concepten opleveren. Onderzoek binnen dit focusgebied moet zich richten op: zz
Nieuwe materialen (of materiaalcombinaties), en vermindering van materiaalgebruik
zz
Oplossingen voor depositie van barrières op een niet-homogene ondergrond
zz
Nieuwe en goedkope depositieapparatuur, waarmee snel op grote schaal gedeponeerd kan worden
zz
Het voorkomen van ongewenste insluitingen, en op termijn het vinden van alternatieven voor het moeten werken bij erg schone condities (ter voorkoming van pinholes)
zz
Verbeteren van de kwaliteit van beschikbare encapsulatiefolies en het vinden van een alternatief voor het dure EVA/PVB materiaal
zz
Nieuwe diagnostiek waarmee snel de barrièreeigenschappen bepaald kunnen worden
Businessontwikkeling Er is nog veel ruimte voor ontwikkeling van materialen en apparatuur, en voor met name procesbeheersing. De voorgenomen ontwikkelingen in PV kunnen ook elders worden gebruikt, bijvoorbeeld in de LED-industrie .Voor de ontwikkelingen op het gebied van flexibele substraten is de potentie (maar ook de technologische uitdaging) nog een stuk groter. Partijen en partners Interesse kan komen uit partijen die zich bezighouden met materiaalonderzoek (depositie van lagen of productie van folies), van de kant van apparatenbouwers (depositie, encapsulatie, laminatie, etc.), en ook van bedrijven voor wie excellente (en goedkope) barrièrelagen van doorslaggevend belang zijn voor het slagen van hun technologie (OPV ontwikkelaars, gebruikers flexibele substraten). De lead kan bij elk van deze
116
partijen liggen. Bij o.a. het Holst Centre wordt al veel aan onderzoek en ontwikkeling gedaan en de successen die daar momenteel behaald worden zouden als basis kunnen dienen voor vervolgprojecten. Marktintroductie De marktintroductie van deze technologie is een doorlopend proces. Verbeteringen in de huidige technologie zijn op zeer korte termijn mogelijk. Zodra er een goedkopere, maar kwalitatief vergelijkbare (of betere) laag beschikbaar komt, zal deze snel worden gebruikt door de PV-industrie. Het ontwikkelen van nieuwe productietechnologie en apparatuur kan iets langer op zich laten wachten (termijn van enkele jaren). Voor highend toepassingen (zoals OPV) ligt de marktintroductie iets verder weg. Van belang is alleen dat de technologie beschikbaar is zodra deze derde generatie PV marktrijp is.
7.9 F11 & F12: In-line inspectie en kwaliteitsbeheersing Definitie Ook op het focusgebied “Kwaliteitsbeheersing” is voor de PV-industrie nog veel te winnen. Via kwaliteitscontrole wordt inzicht verkregen in kwaliteit van ingangsmaterialen, tussenproducten en uitgevoerde processtappen. Dit wordt belangrijker naarmate de fabricageprocessen sneller worden en de toleranties voor procesparameters en productspecificaties nauwer worden. Bij roll-to-roll-productie is ultrasnelle, nauwkeurige in-line inspectie zelfs een absolute noodzaak. De ontwikkeling van in-line inspectietools kan opgesplitst worden in een korte termijn en een langere termijn ontwikkeling. Op korte termijn is ontwikkeling van in-line inspectietools voor wafer-silicium productielijnen nodig. Deze ontwikkeling loopt momenteel al als onderdeel van bestaande projecten. Op langere termijn is het ontwikkelen van in-line inspectietools voor (roll-to-roll) dunne-film productieprocessen een belangrijk thema. Het focusgebied biedt daarmee op de korte termijn kansen voor Nederland via de ontwikkeling van inspectietools voor kristallijn-silicium PVproductietechnologie. Zo kunnen Nederlandse machinebouwers applicaties geïntegreerd in cel- en modulelijnen verkopen of kunnen specifieke technologische bedrijven losse applicaties verkopen. Op langere termijn kan ontwikkeling van dunne-film-inspectietools bijdragen aan het versterken van het Nederlandse PV-cluster.
117
Technieken als infrarood, ultrasoon, LED en elektro- of foto-luminescentie worden op verschillende plekken in het productieproces toegepast. Veel technieken kunnen momenteel slechts offline worden gebruikt, andere technieken zijn destructief, of ze werken niet contactloos. Dit betekent, in combinatie met steeds hogere productiesnelheden, dat meetgegevens steeds minder representatief worden voor de complete batch wafers, cellen of panelen. In het project ZONprom worden meettechnieken ontwikkeld tot applicaties voor cellijnen en modulelijnen. De eindresultaten worden eind 2011 verwacht, maar deze zullen niet alle potentiële applicaties afdekken. Voor specifieke plekken in het productieproces kunnen wel kleinschalige projecten op basis van de ZONprom worden doorontwikkeld. In elk geval verwachten wij hiervan: zz
Inventarisatie van relevante inspectiebehoeften voor specifieke processtappen
zz
Inventarisatie van beschikbare relevante apparatuur
zz
Inventarisatie van technologische mogelijkheden voor in-line inspectie in specifieke processtappen
zz
Businesscase ontwikkeling: verwachte ontwikkelingskosten, verwachte besparingen, verwachte verkoopprijs
zz
Ontwikkeling van een inspectietool in samenwerking met een selecte groep relevante Nederlandse partijen.
Op langere termijn is het ontwikkelen van in-line inspectietools voor dunne film-productieprocessen een belangrijk thema, hetgeen aansluit bij de focusgebieden van Solliance. Bij de ontwikkeling van roll-to-roll productietechnologie moeten parallel ook inspectietools worden ontwikkeld. Hierbij zal men slechts in beperkte mate kunnen voortbouwen op in-line inspectietechnologieën uit de kristallijn siliciummarkt, en zodoende ligt een meer kennisgedreven en open opzet hier voor de hand. Businessontwikkeling Ontwikkeling van inspectietools voor kristallijn siliciumproductie draagt op korte termijn bij aan business voor het Nederlandse ecosysteem. Nederlandse machinebouwers kunnen applicaties van geïntegreerde celen modulelijnen verkopen. Daarnaast kunnen specifieke technologische bedrijven losse componenten of applicaties verkopen die door anderen in complete productielijnen worden geïntegreerd. Op de langere termijn is ontwikkeling van dunne film inspectietools belangrijk voor het Nederlandse PV cluster. Wanneer niet alleen machines worden ontwikkeld maar direct ook inspectietools, kan een totaaloplossing worden geboden.
118
Een productielijn met in-line inspecties en bovenliggende kwaliteitsbeheersing biedt in alle gevallen een aanzienlijke meerwaarde. Immers: zz
De lijnoperator kan adequaat inkopen, waarbij de kwaliteit van het geleverde ingangsmateriaal direct kan worden teruggekoppeld en waar nodig ter discussie gesteld
zz
De lijnoperator heeft concreet inzicht in de yield van de totale lijn en in het functioneren van de afzonderlijke deelmodules
zz
De lijnoperator vermijdt rework of, erger, recalls doordat de kwaliteit van elke component en processtap wordt bewaakt.
Partijen en partners Voor kleinschalige korte-termijnprojecten is een beperkt aantal partners (3-4) wenselijk: een machinebouwer voor cel- of module-productie, een kennisinstelling, een technologiebedrijf en bij grote voorkeur ook een producent van cellen en modules. De potentiele partijen brengen deels ervaring en hun marktpositie in de PV-sector mee, en deels hoogwaardige technische kennis op non-solar gebied zoals beeldverwerking en patroonherkenning, een domein waarin met name sterke Nederlandse bedrijven opereren. Zulke projectclusters katalyseren de toepassing van bestaande kennis op nieuwe gebieden, en versterken gelijktijdig het solar-ecosysteem. Marktintroductie ZONprom zal eind 2011 haar resultaten opleveren. Vervolgprojecten zullen binnen afzienbare tijd hierna (1 à 2 jaar) met voor de industrie relevante resultaten kunnen komen. De ontwikkeling van volledig nieuwe apparatuur zal naar verwachting langer duren. De ontwikkeling van in-line inspectietools voor dunne film roll-to-roll productie zal een langere doorlooptijd hebben. In eerste instantie moet een groter onderzoeksprogramma worden opgezet vanuit Solliance. Het doel daarbij is om parallel aan dunne film-productietechnologie ook inspectieapparatuur te ontwikkelen.
7.10 F13: Green processing Definitie Het focusgebied green processing heeft betrekking op het inventariseren, analyseren en minimaliseren van materiaalgebruik, energieverbruik, afvalproductie en milieu-impact bij de productie van PV-systemen. De gehele levenscyclus moet in beschouwing worden genomen: van grondstoffenwinning tot materiaalverwerking, cel- en moduleproductie,
119
transport, plaatsing en verwerking of recycling na eindgebruik. Op deze manier moet een kwantitatief overzicht van de milieu-impact tijdens de levenscyclus van een PV-systeem gegenereerd worden, inclusief suggesties om deze terug te dringen. Nederlandse bedrijven hebben op dit focusgebied kansen om productieprocessen te ontwikkelen die bijvoorbeeld minder (schaarse of schadelijke) grondstoffen en energie gebruiken. Voor de uitwerking van initiatieven op dit focusgebied zijn partners nodig die expertise hebben op het gebied van levenscyclusanalyses, productieapparatuur en cel- en moduleproductie. De conclusies van een dergelijk traject kunnen na afloop direct in de praktijk gebracht worden door de industriële partners. Businessontwikkeling Grondstoffen en energie worden in de toekomst schaarser en duurder; milieu-eisen worden verder aangescherpt. Elke bedrijfstak, ook de sector zonne-energie, zal slim moeten omgaan met grondstoffen, energie en regelgeving om rentabiliteit in de toekomst veilig te stellen. Productieprocessen die minder schaarse grondstoffen en energie gebruiken geven een financieel stabielere basis voor de toekomst, en daarom zal dit meer en meer een doorslaggevend criterium worden bij de aanschaf van productieapparatuur. Partijen en partners Voor de uitwerking van het focusgebied zijn partners nodig met expertise op het gebied van levenscyclusanalyse (LCA), productieapparatuur en celproductie. Marktintroductie Alle benodigde gegevens en kennis zijn al beschikbaar, en daarom kan een project in principe binnen een jaar worden afgerond. De conclusies kunnen na afloop onmiddellijk in de praktijk gebracht worden door de industriële partners.
7.11 F14: Materialenonderzoek Definitie Het focusgebied materialen is in twee domeinen op te delen: reeds industrieel toegepaste materialen en nieuwe materialen met betere of geheel nieuwe functionaliteiten. Bij reeds toegepaste materialen is er behoefte aan verbeterde beheersing van materiaalproductie en -verwerking (reproduceerbaarheid, homogeniteit en uniformiteit) en
120
fundamentele begripsvorming van materiaaleigenschappen (zoals de relatie tussen materiaaleigenschappen en het gekozen productieproces). Voor het tweede domein geldt dat de PV-industrie behoefte heeft aan (nieuwe) materialen die bijvoorbeeld hogere celrendementen of langere levensduren opleveren en/of goedkoper, respectievelijk minder schaars zijn. Nederland kan op dit focusgebied een rol van betekenis spelen bij het vinden van nieuwe en verbeterde materialen. Ook bij materialenonderzoek is de groep van partijen die belang heeft bij innovaties groot. Materialen vormen immers het hart van de PV-technologie en de gehele PVindustrie is daarom gebaat bij gedegen materiaalonderzoek. Een initiatief rond materiaaltechnologie kan het beste getrokken worden door een van de kennisinstellingen vanwege het benodigde fundamentele begrip en de systematische aanpak. Specifiek is er behoefte aan: zz
Begrip van materiaaleigenschappen als functie van het vervaardigingproces (welke materiaaleigenschappen moeten worden gemonitord om de kwaliteit van het eindproduct te beheersen)
zz
Ontwikkeling van printbare materialen
zz
Organische absorbermaterialen (stabiliteit, efficiency)
zz
Nano-materialen (nano-fotonics, nano-materialen voor absorbers)
zz
Siliciumvervaardiging (zuiverheid, efficiënte productie)
zz
Levensduurvoorspelling
zz
Fundamentele materiaalkennis van absorbermaterialen
zz
Vervanging van zeldzame en/of giftige stoffen (bijvoorbeeld alternatieven voor CdS, zilververvangers, CZTS)
Businessontwikkeling Voor de businesscase is niet alleen kostenreductie belangrijk, maar ook het vinden van alternatieven voor zeldzame en/of milieubelastende materialen. Nieuwe materialen bieden de mogelijkheid om andere celconcepten te ontwikkelen, wat tot interessante IP mogelijkheden zal leiden. Daarnaast zijn er kansen op de raakvlakken van nieuwe materialen en de benodigde productieapparatuur en processen. Partijen en partners Veel verschillende partijen uit de keten kunnen belang hebben bij de ontwikkeling van materiaaltechnologie. Materialen vormen het hart van de technologie, en zijn belangrijk bij de verschillende stappen van het productieproces. Het is uiterst belangrijk om slimme keuzes te maken.
121
De gehele PV-industrie is daarom gebaat bij gedegen materiaalonderzoek. Voor de ontwikkeling van nieuwe materialen is een fundamentele aanpak nodig en daarom ligt het voor de hand dat het initiatief voor dit domein komt te liggen bij een van de kennisinstellingen. Vanwege het grote belang en de mogelijk snelle toepassing van materiaalonderzoek zullen industriële partners sterk betrokken willen zijn. Marktintroductie Wanneer fundamenteel onderzoek bestaande processen beter beheersbaar maakt (effectieve in-line monitoring en kwaliteitsbeoordeling), kunnen nieuwe producten snel op de markt worden gebracht. Als nieuwe materialen kunnen worden gebruikt op goedkopere productieapparatuur, zal dat ook leiden tot een groeiende vraag naar zulke apparatuur. Hierdoor kan apparatuur in combinatie met materialen op de markt worden gezet .
7.12 F15: Productieapparatuur voor dunne film PV Definitie Op dit focusgebied is nog veel te winnen omdat productietechnologie voor dunne-film cellen en modules zich in zijn totaliteit nog in een relatief pril stadium van ontwikkeling bevindt. Dit ondanks het feit dat enkele individuele fabrikanten een geavanceerd proces en product hebben. Dat uit zich onder meer door het gebrek aan standaardisatie en het grote aantal in gebruik zijnde processen. Kwaliteitscontrole en -verbetering, kostenreductie, opschaling en vermindering van de down-time zijn thema’s waarop nog veel vooruitgang geboekt kan (en moet) worden. Daarnaast is nog een breed scala aan volledig nieuwe materialen en celconcepten in ontwikkeling die te zijner tijd hun eigen productietechnologie en –apparatuur zullen vragen. Centrale partijen bij deze ontwikkeling zijn niet alleen de apparatuurbouwers zelf, maar ook hun toeleveranciers en onderzoeksinstellingen. Gezamenlijk moeten zij daarbij ook in staat zijn intellectueel eigendom op te bouwen en dit te vermarkten. De huidige apparatuur is goed, ook omdat de technologie deels overgenomen wordt uit de glascoating- en TFT-displayindustrie, maar er is nog veel ruimte voor verbetering. Specifiek is er behoefte aan: zz
Apparatuur voor depositie van lagen met toegevoegde functionaliteit
zz
Lichtmanagement, fotonconversie, barrièrewerking, decoratieve aspecten realiseren door modificatie van bestaande processtappen
122
zz
Ontwikkeling van apparatuur met lagere investeringskosten
zz
Green processing: processen en apparatuur die minder energie verbruiken, efficiënter met grondstoffen omgaan, minder milieubelastend zijn, recycling mogelijk maken
zz
Vervanging van vacuümstappen door droge, atmosferische processen (AP-CVD, ALD, plasmadepositie)
zz
Roll-to-roll equipment
zz
Mechanische scribe stappen die vervangen worden door lasertechnologie
zz
Printtechnologie
zz
Handling van, en depositie op flexibele substraten
zz
Real time inspectieapparatuur
zz
Interconnectie-applicaties van dunne film PV
zz
Apparatuur voor de productie van flexibele formaten
zz
Integratie en standaardisering van procesaansturing en -control van opeenvolgende procesmodules
Businessontwikkeling In dit focusgebied staat de ontwikkeling van innovatieve apparatuur voor dunne film-PV productie centraal. De hiervoor benodigde kennispositie kan nog worden uitgebouwd, dus er liggen ook kansen op het gebied van IP. Kostenvermindering zal ook voor dit focusgebied een drijvende kracht zijn. Daarnaast staan echter ook schaalvergroting en het faciliteren van innovatieve processen centraal. Partijen en partners Partijen die betrokken kunnen worden bij de ontwikkeling van de benodigde apparatuur zijn voornamelijk apparatenbouwers, hun toeleveranciers en de onderzoeksinstellingen. De lead kan bij apparatenbouwers liggen. Onderzoeksinstellingen kunnen ondersteunen door te voorzien in de benodigde kennis, en tevens als ondersteuning bij de ontwikkeling. Marktintroductie Voor sommige toepassingen zal de marktintroductie op zeer korte termijn moeten plaatsvinden. Dunne film PV-technologie wordt sinds een aantal jaren op grotere schaal toegepast. De ramp-up van de verschillende initiatieven zal de komende periode plaatsvinden. Het is daarom belangrijk om actief deel te nemen aan deze ontwikkelingen en te streven naar een vooraanstaande technologische positie.
123
7.13 F16: Productieapparatuur voor wafergebaseerde PV Definitie focusgebied Dit focusgebied behandelt de ontwikkeling van nieuwe en verbeterde machines en in-line systemen voor silicium cel- en moduleproductie. Belangrijke onderzoek aspecten zijn daarbij onder meer machine- en procesintegratie, wafer handling tussen procesmodules, besturingsconcepten voor procesbeheersing en reductie van de gevraagde faciliteiten. Voor Nederland biedt dit focusgebied kansen om bedrijvigheid te genereren via machineverkoop, bestaande uit proces- en handling-modules en geïntegreerde lijnen. Daarnaast zorgt de levering van service en reserveonderdelen, maar ook productieondersteunende software, voor business. Kennisinstellingen, oem’s en toeveleranciers moeten daartoe de handen ineen slaan en gezamenlijk de benodigde kennis en toepassingen genereren. De belangrijkste aspecten die aan de orde komen zijn: zz
Integratie van processtappen; onderzoek te ondersteunen met een pilot line
zz
Integratie van de machines tot compacte en goedkope systemen
zz
Handling van wafers tussen procesmodules
zz
Besturingsconcepten voor procesbeheersing en productieondersteuning
zz
Reductie van de gevraagde faciliteiten (conditioneren ruimte, chemicaliën, gaswassen)
zz
Integratie van interconnectie.
Businessontwikkeling De business binnen dit focusgebied zal met name gegenereerd worden door de verkoop van machines, zowel losse procesmodules en geïntegreerde lijnen als handling modules. Daarnaast zal er business gegenereerd kunnen worden door de levering van service en reserveonderdelen, maar ook van software voor productieondersteuning. Er komt een steeds grotere diversiteit aan zonnecelconcepten waardoor het assortiment aan machines uitgebreid wordt, hetgeen extra business mogelijk maakt.
124
Partijen en partners Partners in dit focusgebied zijn: zz
Technologiebedrijven, maar bovenal de producenten van productieapparatuur
zz
Toeleveranciers en softwarebedrijven
zz
Gebruikers van de machines
zz
In beperkte mate kennisinstellingen
zz
Adviesbureaus over inrichting van zonnecelfabrieken
Kennisinstellingen en technologiebedrijven kunnen een bijdrage leveren aan sub-moduleconcepten voor nieuwe machines, met aandacht voor het specifiek maken van de apparatuur voor de gevraagde applicatie. Alleen dan is een aanzienlijke reductie in kostprijs mogelijk. Een zekere standaardisering van typen zonnecellen is daarvoor nodig. De producenten van apparatuur bepalen architectuur en functionele ontwerpen van de machines en lijnen, in nauw overleg met kennisinstellingen, technologiebedrijven en hun klanten. De toeleveranciers spelen samen met de apparatenbouwers een belangrijke rol bij het bouwen van betrouwbare en goedkope machines. De productiebedrijven van zonnecellen en zonnepanelen ondersteunen dit proces bij het opstellen van specificaties en het testen van prototypes. De nieuwe software kan door de apparatenbouwers zelf ontwikkeld worden of door gespecialiseerde softwarebedrijven. Deze laatste kunnen meer universele functionaliteiten ontwikkelen voor ondersteuning van processcontrol, productie en service. Marktintroductie Om te komen tot vervolgprojecten moeten geïnteresseerde partijen een verdere uitwerking geven van de verschillende productconcepten. Voor bestaande (en geaccepteerde) zonnecelconcepten moeten binnen twee jaar nieuwe of verbeterde machines voor de markt beschikbaar zijn. Voor geheel nieuwe materialen of zonnecelconcepten zal dit binnen vier jaar moeten gebeuren.
125
8. Werkwijze Het project “Zon op het Zuiden” is een door “Pieken in de Delta” gesubsidieerd project waarbij 15 partners onder begeleiding van Berenschot de roadmap voor de PV sector hebben opgesteld voor de eerstkomende periode van 5 jaar. De partners hebben 45 medewerkers laten participeren in dit project en daarnaast zijn 40 additionele medewerkers ingezet door uit de markt afkomstige bedrijven en instellingen. In totaliteit hebben er 15 grote bijeenkomsten plaatsgevonden , waar ondermeer workshops met het elektronisch boardroomsysteem zijn uitgevoerd, aangevuld met bilaterale bijeenkomsten van de projectteam medewerkers. Het projectplan van “Zon op het Zuiden” staat in onderstaande figuur en vormt de rode draad van de projectafloop, waarbij diverse projectteams zijn geformeerd zoals: zz
Het kernteam: Berenschot, ECN, TNO, Holland Solar, OTB Solar, BOM
zz
De werkgroepen: Markt, Technologie, Concurrentieanalyse, Synthese
zz
De redactie van de eindrapporten: Kernteam en experts
Technologiescan
Concurrentieanalyse
Tijd
Marktanalyse
Synthese: Roadmap
Aanpak, projectdefinities en strategievorming Figuur 46: Overzicht van de werkpakketten
Belangrijk aspect bij deze roadmap is de kruisbestuiving die heeft plaatsgevonden tussen de deelnemers zelf, waarvan de helft van de deelnemers
126
afkomstig is uit de PV-sector en de andere helft aspiraties heeft om in deze sector nieuwe business te gaan ontwikkelen. Tevens komen de partners zowel uit de productontwikkeling en de machinebouw, als ook van de kennisinstellingen en brancheverenigingen. De rol van de partners in de keten is ook divers, waarbij zowel OEM-bedrijven, als toeleveranciers van diensten en producten participeerden. Met dit gemêleerde gezelschap zijn 6 grotere workshops (20 deelnemers per workshop) uitgevoerd met ondersteuning van het elektronisch boardroom systeem van Berenschot. Hiermee is veel informatie uit het veld opgehaald, zowel kwalitatief als kwantitatief, en deze informatie is verder verwerkt in analyses en bruikbare overzichtsresultaten. De werkgroepen hebben zich daarna met name verdiept in het verder in detail onderzoeken van de marktontwikkelingen, technologieontwikkelingen en concurrentieanalyses van de belangrijkste ecosystemen in de wereld. Deze resultaten zijn vastgelegd in 3 werkdocumenten die als “unterlagen” van de roadmap hebben dienstgedaan. Tijdens de daaropvolgende synthesesessies zijn keuzes gemaakt voor de belangrijkste ontwikkelingen die voor Nederland gaan gelden. Deze belangrijkste ontwikkelingen zijn verder uitgewerkt in de focusgebieden en worden na voltooiing van de roadmap verder uitgewerkt in aparte projecten. Inmiddels zijn enkele projecten reeds gestart maar er volgen er nog meer. Wereldwijd zijn er inmiddels vele roadmaps en studies over de PVsector beschikbaar, waarbij ieder document een stukje van het totale beeld oplevert, meestal in een afwijkend tijdsperspectief en afwijkende omstandigheden. Het verzamelen van informatie heeft vooral bij de aanvang van het project bijgedragen aan de richtingvorming binnen de werkpakketten, waarbij het projectplan naar inzicht is bijgesteld aan de omstandigheden in de markt gedurende de looptijd van het project. De roadmap “Zon op Nederland” geeft echter het meest complete overzicht dat er momenteel te krijgen is en is hierdoor een uitstekende reisleider voor het Nederlandse ecosysteem. Tijdens de uitvoeringsperiode van de roadmap is parallel het businessplan voor Solliance geschreven door ECN. De roadmap en het roadmapproces heeft sterk bijgedragen aan de samenwerking tussen de partners en vandaaruit aan de totstandkoming van Solliance. Dit voor Nederland maar ook wereldwijd unieke resultaat wordt gezien en gevoeld als een mooi resultaat van de samenwerking tussen de kennisinstellingen, en is met name gebaseerd op de kwaliteit in de omgang van de medewerkers met elkaar. Laat dit een voorbode zijn voor een zonnige toekomst.
127
9. Betrokkenen 9.1 Partners De 15 bedrijven en kennisinstellingen met samen 40 personen ECN
Kennisinstelling
Beltech
machinebouw
CCM
Machinebouw
Chematronics
Ondersteuning
Holland Solar
Branchevereniging
Meco
Machinebouw
Minase
Ondersteuning
NTS-Group
Machinebouw
OM&T
Kennisbedrijf
OTB
Machinebouw
Sioux Technologies
Machinebouw
Solland Solar
Productleverancier
TNO
Kennisinstelling
TMC
Kennisbedrijf
TU/e
Kennisinstelling
Berenschot
Procesbegeleiding roadmap
128
9.2 Externen De 20 aanvullende bedrijven en kennisinstellingen met samen 40 personen AAE
Machinebouw
DHV
Ondersteuning
Holland Innovative BV
Ondersteuning
KEMA
Ondersteuning
Fuji Film
Productleverancier
Air Liquide
Machinebouw
Levitech
Machinebouw
Philips
Productleverancier, machinebouw
Delta
Productleverancier
Sungergy
Producttoepasser
Tindoz
Productleverancier
Technobis Mechatronics
Machinebouw
Scheuten Solar
Productleverancier
NXP
Productleverancier
Peer+
Productleverancier
Tempress
Machinebouw
Smit Ovens
Machinebouw
M2I
Kennisondersteuning
EZ
Ondersteuning
129
10. Begrippen- en afkortingenlijst GW(p)
gigawatt(piek) – eenheid van vermogen
MW(p)
megawatt(piek) – eenheid van vermogen
kW(p)
kilowatt(piek) – eenheid van vermogen
W(p)
watt(piek) – eenheid van vermogen
kWh
kilowattuur – eenheid van energie
TU/e
Technische Universiteit Eindhoven
ECN
Energieonderzoek Centrum Nederland
R&D
onderzoek en ontwikkeling
CdTe
cadmiumtelluride
CIGS
koper-indium/gallium-diselenide/sulfide
CZTS
koper-zink-tin-selenide/sulfide
OPV
organische PV
a-Si
amorf silicium
mc-Si
microkristallijn silicium
mc-Si
multikristallijn silicium
sc-Si
monokristallijn (single crystal) silicium
UMG
upgraded metallurgical silicon (gezuiverd metallurgisch silicium)
III-V
familie van halfgeleidermaterialen opgebouwd uit elementen uit de groepen III en V van het periodiek systeem
ITO
indium-tinoxide (een transparante geleider)
TCO
transparant geleidend oxide
DSC
kleurstof (dye-sensitized) zonnecel
CPV
concentrator PV
ALD
Atomic Layer Deposition
CVD
Chemical Vapor Deposition
PVD
Physical Vapor Deposition
NIR
Nabij InfraRood
LED
Light-Emitting Diode
µm
micrometer (0,001 mm)
pmc
product-marktcombinatie
BIPV
Building Integrated PV
FiT
Feed-in Tariff (terugleververgoeding)
131
11. Literatuurlijst Technology Roadmap Solar Photovoltaic Energy, International Energy Agency (IEA) (2010), Paris, France. www.iea.org/papers/2010/pv_roadmap.pdf Jaeger-Waldau, A., PV Status Report 2010, Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg, EUR 24344 EN, ISBN 97892-79-15657-1. http://re.jrc.ec.europa.eu/refsys/pdf/PV%20reports/ PV%20Report%202010.pdf Trends in photovoltaic applications 1992-2009, Report IEA-PVPS T1-19:2010. www.iea-pvps.org/products/download/Trends-in-Photovoltaic_2010.pdf. Global Market Outlook for Photovoltaics until 2014, EPIA, 2010. http:// www.epia.org/fileadmin/EPIA_docs/public/Global_Market_Outlook_ for_Photovoltaics_until_2014.pdf Solar Generation 6, Greenpeace and EPIA (2010). www.epia.org/publications/epia-publications.html. Green, M.A., K. Emery, Y. Hishikawa and W. Warta, Solar Cell Efficiency Tables (Version 37), Prog. Photovolt.: Res. Appl. 19 (2011) 84-92. Compilation of best research solar cell efficiencies (revision Sept. 2010). Data verzameld door L. Kazmerski, National Renewable Energy Laboratory (NREL). Beschikbaar via http://en.wikipedia.org/wiki/ File:PVeff(rev100921).jpg. Renewables 2010: global status report (rev. Sept. 2010), Renewable Energy Policy Network for the 21st Century. www.ren21.net/Portals/97/documents/GSR/REN21_GSR_2010_full_revised%20Sept2010.pdf A Strategic Research Agenda for Photovoltaic Solar Energy Technology, European Photovoltaic Technology Platform (2007), Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg, ISBN 978-9279-05523-2. www.eupvplatform.org.
132
Today’s actions for tomorrow’s PV technology; An Implementation Plan for the Strategic Research Agenda of the European Photovoltaic Technology Platform, European Photovoltaic Technology Platform (2009), Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg, ISBN 978-92-79-12391-7. www.eupvplatform.org. SET for 2020 (Executive summary), European Photovoltaic Industry Association (2009). www.setfor2020.eu/en/executive-summary. Accelerated and Extended Japanese PV Technology Roadmap PV2030+, NEDO, Japan (2009). www.pvgroup.org/cms/groups/public/documents/web_content/ctr_030885.pdf. Energiekonzept 2050: Eine Vision für ein nachhaltiges Energiekonzept auf Basis von Energieeffizienz und 100% erneuerbaren Energien ForschungsVerbund Erneuerbare Energien (FVEE), 2010. www.fvee.de/fileadmin/politik/10.06.vision_fuer_nachhaltiges_energiekonzept.pdf.
133
Agentschap NL Ministerie van Economische Zaken, Landbouw en Innovatie
134
135
Berenschot Groep B.V. Europalaan 40 3526 KS Utrecht T +31 (0)30 291 69 16 E
[email protected] www.berenschot.nl
Berenschot is een onafhankelijk organisatieadviesbureau met 500 medewerkers in de Benelux. Al ruim 70 jaar lang verrassen wij onze opdrachtgevers in de publieke en private sector met slimme en nieuwe inzichten. We verwerven ze en maken ze toepasbaar. Dit door innovatie te koppelen aan creativiteit. Steeds opnieuw. Klanten kiezen voor Berenschot omdat onze adviezen hen op een voorsprong zetten. Ons bureau zit vol inspirerende en eigenwijze individuen die allen dezelfde passie delen: organiseren. Ingewikkelde vraagstukken omzetten in werkbare constructies. Door ons brede werkterrein en onze brede expertise kunnen opdrachtgevers ons inschakelen voor uiteenlopende opdrachten. En zijn we in staat om met multidisciplinaire teams alle aspecten van een vraagstuk aan te pakken. Berenschot is aangesloten bij E-I Consulting Group, een Europees samenwerkingsverband van toonaangevende bureaus. Daarnaast is Berenschot lid van de Raad voor OrganisatieAdviesbureaus (ROA) en hanteert de ROA-gedragscode.
