Fotovoltaik sistemlerin 10 yıllık geleceği (I) - Zafer ARIKAN 1 Ocak 2018 ZAFER ARIKAN Zamanı durdurmak imkansız ve zaman hızlı bir şekilde akıp gidiyor. Zamanın ilerlemesiyle birlikte etrafımızdaki hemen her şey değişiyor. PV dünyasında da pek çok yeni şeyler, yeni teknolojik gelişmeler yaşanıyor. Bunların bir kısmı malzemelerde, bir kısmı süreçlerde, bir kısmı da ürünlerde gerçekleşiyor. Bildiğiniz gibi PV değerler zinciri silisyumla başlayıp poli-silikon, kristal silikon kütük (ingot), wafer ve güneş hücresi üretimi ile devam eden; panel üretimi ve sonunda da PV sistem kurulumu (GES) ile tamamlanan tümleşik bir süreç. Her yıl sene sonu yaklaşırken genellikle, bu yıl ne oldu, gelecek yıl bizi ne bekliyor gibi bir hesaplaşma içerisine gireriz. 2017 içerisinde de PV sektör bileşenlerinde bir kısmı daha önce başlayan, haberdar olduğumuz ya da olmadığımız pek çok çalışma gerçekleştirildi; birçok ilerleme kaydedildi. Ben önümüzdeki yıl değil ama önümüzdeki on yılda muhtemelen neler yaşayacağımız sorusunun cevabını sizlere aktarmaya çalışacağım. Aktaracağım bilgiler, aralarında poli-silikon üreticisi, wafer tedarikçisi, hücre ve panel üreticileri, PV sistemler için ekipman tedarikçileri, üretim araçları tedarikçileri, PV araştırma enstitüleri ve danışmanların bulunduğu kırkı aşkın 1
kişi ve kuruluş tarafından hazırlanmış ve Eylül 2017 tarihli Fotovoltaik Sistemler için Uluslararası Teknoloji Yol Haritası isimli rapordan* derlenmiştir. Yazı dizimizin bu bölümünde PV sistem fiyatları, maliyetleri ve gelişmeler konusunda genel bir değerlendirmeden, ikincisinde malzemelerdeki maliyetler ve yeniliklerden, üçüncüsünde ise süreçlerdeki ve teknolojideki yeniliklerden ve bunların ürünlere nasıl yansıyacağından söz edeceğim. Umarım bu alanda çalışan mühendis ve işletmeci arkadaşlarımıza, tedarik uzmanlarımıza, ARGE mühendislerimize, yönetici arkadaşlarımıza ve yatırımcılarımıza yararlı olur. Global PV panel üretim kapasitesi 2016 yıl sonu itibariyle 90 GW ı aşmış ve PV pazarının yüzde 90 ı c-si PV paneller, yüzde 10 u da ince film paneller tarafından tutulmuş durumda ve bu oran önümüzdeki yıllarda da pek değişmeyecek gibi gözüküyor. Özellikle 2016 yılı ikinci yarısından itibaren, 2015 yılıyla karşılaştırdığımızda, pazarın çok büyük oranda genişlemesiyle, panel fiyatlarında çok büyük düşüşler yaşandı ve bu düşüş halen de devam ediyor. Yaşanan bu düşüş sonucu, BOS** maliyetleri tüm sistem maliyetleri açısından önemli bir hale geldi. Ayrıca seviyelendirilmiş elektrik/enerji maliyetlerinin (LCOE)*** aşağıya çekilmesi açısından ürün garanti süresi, ürün performansı, panel ömrü boyunca ortaya çıkacak performans azalması gibi parametreler de bir o kadar önemli. Ülkeden ülkeye bir miktar değişmekle birlikte, PV sistem bileşenlerinin maliyet dağılımında önümüzdeki on yıl içerisinde şöyle bir değişimin(bu maliyetlere izin bedeli, finansman maliyeti, vb dahil değil) olması bekleniyor: - Toplam maliyetler içerisinde panel maliyeti %45 ten %29 a, - İnvertörlerin payı %7 den %5 e, - Tellerin/kabloların payı %12 den %8 e, - Montaj/kurulum maliyetlerinin payı %11 den %8 e, - Topraklama maliyetleri %11 den %9 a düşecek. Görüldüğü gibi maliyetlerdeki en önemli azalma panel fiyatlarından gelecek. Geniş ölçekli PV sistemlerin (GES) 2017 yılı için hesaplanmış ortalama 912 USD/kWp olan maliyeti, 2027 de 679 USD/kWp ye düşecek ki PV sistemlerden 2
elektrik üretiminin gelecekteki durumu açısından, yenilenebilir ve yenilenebilir olmayan kaynaklardan elektrik üreten enerji santralleri için bir kriter olabilir. Bugün 0.037-0.073 arasında bulunan ve fizıbıl olan LCOE değerlerinin, güneş enerji santrallerinin bulunduğu bölgedeki güneşlenme değerlerine bağlı olarak 2027 de 0.03-0.05 USD arasında olması bekleniyor. Unutmayalım ki yalnızca güneşlenme değerleri değil, finansman maliyeti, sistemin kullanılabilir işletme ömrü vb. de LCOE değerlerini doğrudan etkilemektedir. Sistem bazında bir başka önemli değişim de sistem gerilim değerinde ortaya çıkacak, bugün 1000 volt olan bu değer 1500 Volta yükselecek. Bu oldukça önemli bir konu, zira gerilimdeki bu artış, direnç kayıplarının azaltılmasında önemli bir tedbir anlamına geliyor ve PV sistem içerisinde yer alan bağlantı kablolarının çaplarının azalmasıyla BOS maliyetlerini de daha aşağılara çekilmiş olacak. Takip sistemlerine gelince, iki eksenli takip sistemlerinin geleceği, bazı özel uygulamalar hariç pek yok gibi gözüküyor. Ancak tek eksenli takip sistemlerinin bugün yüzde 15 civarında olan pazar payı on yılda yüzde 50 ye çıkarken, sabit açılı PV sistemlerinin payı yüzde 50 lere düşecek. Teknolojik gelişmeler yukarıdaki rakamlara daha da erken ulaşabileceğimizi söylüyor. Sonuç olarak, PV sistemlerin en az riskli ve çevre açısından en az zararlı elektrik üretimini gerçekleştiriyor olması, onları temiz ve maliyet-etkin bir enerji kaynağı yapıyor; bize gelecekte küresel enerji arzında neden başrolü oynayacağını söylüyor. H.Zafer ARIKAN NOTLAR: * ITRPV International Technology Roadmap for Photovoltaic ** BOS (Balance of System): PV sistemlerde DC elektrik enerjisi üreten panellerin dışında kalan ve bu DC elektriği AC ye dönüştürmede kullanılan her türlü cihaz, donanım, malzeme ve ilgili işçiliklerin oluşturduğu maliyet. *** LCOE (Levelised Cost of Energy/Electricity): Bir sistemin başlangıç yatırımları da dahil olmak üzere o sistemin işletilmesi için ömrü boyunca yapılan tüm harcamaların, üretebileceği toplam elektrik enerjisi miktarına bölümü; genellikle USD/kWh olarak verilir. 3
Fotovoltaik sistemlerin 10 yıllık geleceği (II) - Zafer ARIKAN 09-01-2018/13:12 ZAFER ARIKAN Gelecek 10 yılda fotovoltaik (PV) sistemlerde neler yaşanacak? Bu sorulara cevap vermek amacıyla geçen ilkini geçen hafta yayınladığımız değerlendirmelere devam ediyoruz. Daha önce de belirttiğimiz gibi PV değerler zinciri silisyumla başlayıp poli-silikon, kristal silikon kütük(ingot), wafer ve güneş hücresi üretimi ile devam eden; panel üretimi ve sonunda da PV sistem kurulumu(ges) ile fiziki olarak tamamlanan tümleşik bir süreç. Dizinin bu ikinci yazısında PV malzemeleriyle ilgili olarak gelecek on yılın muhtemel gelişmelerini aktarmaya çalışacağım. 4
Bugün panel maliyetlerinin önemli bir kısmını malzeme maliyetleri oluşturuyor. Önümüzdeki yıllarda teknolojik gelişmelere ve inovatif çalışmalara bağlı olarak, malzeme maliyetlerinde ortaya çıkacak düşüş ve panel verimliliğindeki artış, panel fiyatlarını da önemli ölçüde aşağıya çekecek ve PV sistem içerisindeki maliyet payını azaltmış olacak. Malzeme maliyetlerinin düşürülmesinde; i. Kullanılan malzeme miktarlarının azaltılması, ii. Pahalı malzemeler yerine geliştirilmekte olan yeni ve daha ucuz malzemelerin kullanımı ve iii. Malzeme kayıplarının minimuma indirilmesi önemli bir rol oynayacak. Wafer Üretim Maliyetleri ile Kullanılan Malzemeler Açısından Önemli Gelişmeler Elmas telli kesme(dws)* teknolojisinin devreye girmesiyle birlikte, wafer üretim maliyetlerinde önemli düşüşler yaşanmaya başlandı, bu devam edecek. Sulu tip dilimleme/kesme işlemi ile gerçekleştirilen wafer üretimi bugün hala önemli bir pazar payına sahipse de gelecekte özellikle mono-si esaslı wafer üretiminde DWS ana akım olacak. Ayrıca, elektroliz kaplamalı elmas teller de kesme/dilimleme işlemlerinde çokça kullanılacak. Daha ince kalınlıkta waferların üretimi ise kesme/dilimleme işlemi sırasında ortaya çıkan çentik kayıplarını azaltacak; geri dönüşüm oranını artıracak ve sarf malzemelerinin tüketiminin azalmasını sağlayarak maliyetleri aşağıya çekecek. Güneş Hücreleri ve Kullanılan Malzemeler Açısından Önemli Gelişmeler Bugün hücre maliyetinin %40 ını c-si wafer lar oluşturuyor. Önümüzdeki yıllarda wafer kalınlığının azaltılmasıyla silikonun daha verimli kullanımı mümkün olabilecek. Nitekim halen 180 mikron kalınlığında olan mc-si ve mono Si waferlar on yıl içerisinde incelerek mc-si hücrelerde 150 ve mono-si hücrelerde de 140 mikron kalınlığa kadar düşecek. Ayrıca panel teknolojisindeki geliştirmelere bağlı olarak, wafer kalınlığının 120 mikronun altına düşmesi büyük bir ihtimal olarak görülüyor; teorik alt sınır ise 110 mikron civarında olacak. Mevcut c-si hücre teknolojilerinde kullanılan ve silikon esaslı olmayan en pahalı malzemeler, metalizasyon sürecinde kullanılan gümüş ve alüminyum içeren pastalar ve mürekkeplerdir. Bu nedenle, ARGE çalışmalarıyla bu malzemelerin tüketim miktarlarının azaltılmasına çalışılmaktadır. Bugün 100 mg civarında olan gümüş kullanım miktarının on yıl içerisinde 40 mg seviyelerine düşmesi beklenmektedir. 5
Diğer yandan yapılan araştırmalar gümüşün fiyatının gelecekte de pahalı olacağını, bu nedenle alternatif olarak, bakırın gümüşün yerine ikame edilebileceği söylüyor. Böylece bugün %5 civarında olan bakır kullanımının, önümüzdeki on yıl içerisinde %20 seviyelerine ulaşması bekleniyor. Bütün bunların dışında, kurşun içeren lehim pastası kullanımına devam edilmektedir. Oysa insan ve çevre sağlığı açısından, Avrupa Birliğinin 2011 yılında uygulamaya koyduğu elektrik ve elektronik malzeme üretiminde Tehlikeli Malzemelerin Kullanımının Yasaklanması Direktifi uyarınca, kurşun içeren pastaların ve diğer tehlikeli malzemelerin kullanımı 2021 den itibaren kesinlikle yasaktır. Bu yüzden pek çok firma, hücre üretiminde şimdiden kurşun içermeyen pasta/malzeme kullanımına geçmiş bulunuyor. Paneller ve Kullanılan Malzemeler Açısından Önemli Gelişmeler Panel maliyetlerinin önemli bir kısmını kullanılan malzeme maliyetleri oluşturuyor. Panel maliyetlerinde düşüşün sürmesi için, bir yandan panel verimliliği artarken diğer taraftan malzeme maliyetlerindeki azalışın devam etmesi gerekiyor. Panel verimliliğinin artması yönünden öncelikle optik kayıpların (panel ön yüzeyinde camda oluşan yansımaların) ve panel üretim sürecinde oluşan bağlantı (interconnection) kayıplarının azaltılması gerekiyor. Paneli oluşturan malzemeler açısından baktığımızda: - On yıl içerisinde, camlarda anti reflektif(ar) kaplamalar daha da yaygın biçimde kullanılacak ve %90 pazar payına ulaşacak. Ayrıca bugün AR camların hepsinin değil ama önemli bir kısmının on yıl civarında olan AR kaplama ömürleri, yakında panel çalışma ömrüne yaklaşacak (yirmi beş yıl), - Panel üretimi sırasında uzunca bir zamandır hücre ara bağlantılarında lehimleme işleminde kurşun içeren pastalar kullanılmaktadır. Yukarıda belirtildiği gibi Avrupa Birliğinin 2011 yılında uygulamaya koyduğu Direktif uyarınca (ki şu anda PV paneller bu direktifin dışında tutulmuş bulunuyor) 2021 den itibaren uygulamaya (belki de daha önce) dahil edilmesi bekleniyor. Bu ise paneli oluşturan hücre dizilerinin(string) ara bağlantılarında ve Junction Box(JB) bağlantılarında artık kurşun içeren malzemeler kullanılamayacak anlamına geliyor. - Halen yaygın olarak kullanılan bakır ribbonlar önümüzdeki yıllarda da piyasayı domine etmeye devam edecek, buna ilave olarak doğrudan bakır teller de kullanılacak. 6
- Panelleri oluşturan bir başka önemli maliyet kalemi ise EVA ve Back Sheet dediğimiz malzemelerdir. Bu malzemelerin maliyetini düşürebilmek için bilim insanları yoğun bir çaba harcıyorlar. Bu çabalar bir taraftan bu malzemelerin performansını artırmak için, diğer taraftan hizmet ömürlerini uzatmak için gerçekleştiriliyor. EVAnın daha uzun yıllar piyasayı domine edeceği ama Polyolefin, PVB gibi malzemelerin de piyasada olacağı anlaşılıyor. Bugün Backsheet olarak kullanılan ve önemli bir pazar payına sahip TPT, 2019 da yerini başka malzemelere örneğin TPA, TPT, KPE, APA, Poly-Olefin(PO) vb. bırakacak. Diğer yandan, PV panellerde cam kullanımının, özellikle de panel arka yüzünde, artacağını söylemek mümkün. Bu da camın pazar payını önemli ölçüde yükseltecek. - Bugün çerçeve olarak panellerde en çok alüminyum kullanılıyor (nerdeyse %100 ü). Ama yavaş yavaş plastik malzemeler de piyasaya girmeye başladı ve çelik gibi bazı başka malzemelerin de kullanılmasıyla alüminyumun pazar payı %70 e kadar düşebilir. - Hücreler konusunda yürütülen çalışmalar ise daha çok PID ye** dirençli hücreler ve paneller üzerine odaklanmış bulunuyor. Gelecek yazıda buluşmak üzere H.Zafer ARIKAN NOTLAR: * DWS: Diamond Wire Sawing/Elmas telli dilimleme/kesme işlemi **PID: Potential Induced Degradation(gerilim, sıcaklık ve rutubet gibi faktörlere bağlı olarak pek çok PV panelin çıkış gücünde görülen azalma) KAYNAK: ENERJİ GÜNLÜĞÜ Kaynak: http://www.enerjigunlugu.net/yazar/107/zafer-arikan.html 7