First Solar

Daniel Riley
6 de dezembro de 2010

Enviado como curso de Física 240 , Universidade de Stanford, outono de 2010

First Solar, Inc. é o maior fabricante de módulos fotovoltaicos do mundo, com uma produção de 1,1 gigawatts de painéis solares (a partir de agora vou me referir à quantidade de painéis solares simplesmente em termos de watts, como é habitual na literatura) em 2009 e 4.700 funcionários em 12 de fevereiro de 2010. Sua missão é produzir eletricidade não subsidiada de energia fotovoltaica igual ao custo de fontes não renováveis comumente usadas, como carvão ou gás natural. Eles são especializados na produção de módulos fotovoltaicos de película fina de telureto de cádmio (CdTe) e na construção de instalações comerciais em grande escala. [1] Os módulos de CdTe, embora não sejam tão eficientes quanto as células solares de silício cristalino e policristalino, são os módulos mais baratos de produzir. [2] Sua sede corporativa está localizada em Tempe, Arizona, enquanto suas fábricas de produção são construídas em Perrysburg, Ohio; Frankfurt, Alemanha; e Kulim, Malásia. [1,3] A First Solar experimentou um crescimento significativo na última década, conforme demonstrado pelo fato de que sua primeira unidade de produção, que foi construída em Perrysburg, Ohio, entrou em operação plena em apenas 2004 e produziu 100 MW / ano, e eles estão agora produzindo 1,1 gigawatts anualmente. [1,3] Vou discutir a história do First Solar e os fatores que os permitiram atingir tal crescimento monumental. Também explicarei as vantagens e desvantagens da tecnologia CdTe. Finalmente, explorarei quais obstáculos a First Solar enfrentará no futuro e para onde eles parecem estar se dirigindo. 3] A First Solar experimentou um crescimento significativo na última década, conforme demonstrado pelo fato de que sua primeira unidade de produção, que foi construída em Perrysburg, Ohio, entrou em operação plena apenas em 2004 e produziu 100 MW / ano, e agora estão produzindo 1,1 gigawatts anualmente. [1,3] Vou discutir a história do First Solar e os fatores que os permitiram atingir tal crescimento monumental. Também explicarei as vantagens e desvantagens da tecnologia CdTe. Finalmente, explorarei quais obstáculos a First Solar enfrentará no futuro e para onde eles parecem estar se dirigindo. 3] A First Solar experimentou um crescimento significativo na última década, conforme demonstrado pelo fato de que sua primeira unidade de produção, que foi construída em Perrysburg, Ohio, entrou em operação plena apenas em 2004 e produziu 100 MW / ano, e agora estão produzindo 1,1 gigawatts anualmente. [1,3] Vou discutir a história do First Solar e os fatores que os permitiram atingir tal crescimento monumental. Também explicarei as vantagens e desvantagens da tecnologia CdTe. Finalmente, explorarei quais obstáculos a First Solar enfrentará no futuro e para onde eles parecem estar se dirigindo. 3] Discutirei a história do First Solar e os fatores que os permitiram atingir tal crescimento monumental. Também explicarei as vantagens e desvantagens da tecnologia CdTe. Finalmente, explorarei quais obstáculos a First Solar enfrentará no futuro e para onde eles parecem estar se dirigindo. 3] Discutirei a história do First Solar e os fatores que os permitiram atingir tal crescimento monumental. Também explicarei as vantagens e desvantagens da tecnologia CdTe. Finalmente, explorarei quais obstáculos a First Solar enfrentará no futuro e para onde eles parecem estar se dirigindo.

A história da First Solar começa em 1992 em "The Glass City", Toledo, Ohio, que estava repleta de pessoas com experiência na indústria de vidro, o que se traduziu bem na fabricação de painéis solares. Eles atribuem a John Walton, filho do fundador do Walmart Sam Walton, que investiu US $ 150 milhões na empresa, um dos principais motivos pelos quais a empresa foi capaz de decolar. Com um investidor tão paciente, a empresa conseguiu incubar o tempo suficiente para desenvolver o processo de fabricação necessário. Os capitalistas de risco do Vale do Silício geralmente esperam um retorno sobre o investimento em 5 anos, enquanto John Walton ficou com eles por 12 anos antes que a primeira linha de manufatura se tornasse operacional. Em 1999, a True North Partners, LLC comprou o controle acionário da empresa e transformou a empresa no que é hoje, First Solar. Em 2004, eles construíram sua primeira linha de produção de 100 MW totalmente operacional. [3]

2004 foi o ano em que a First Solar iniciou seu crescimento explosivo, mas isso não foi resultado do mercado ou da legislação dos Estados Unidos. Mike Ahearn, CEO da First Solar diz: "Quando eu estava discutindo esta história com um amigo, ele comentou: 'Somente na América.' E é verdade que nossa história, à primeira vista, parece ter muitas das marcas do sonho americano clássico. Mas, na verdade, First Solar é, em grande parte, uma história de sucesso alemã. " A First Solar estava procurando um grande mercado para que pudesse produzir grandes volumes para reduzir o preço do módulo, mas Washington não estava interessado em ajudá-los. Em 2004, a Alemanha deu início ao primeiro programa de alimentação solar, em que as concessionárias eram obrigadas a comprar eletricidade de clientes que produziam energia solar a uma taxa definida pela legislação nacional por 20 anos. Isso criou um mercado grande e estável no qual a First Solar decidiu entrar. Ahearn comentou que é difícil entrar no mercado americano por causa dos programas de incentivos governamentais instáveis que começam e param a cada poucos anos. Muitos outros países europeus adotaram programas semelhantes na Europa, o que gerou um enorme crescimento e economias de escala e, como resultado, 86% das vendas líquidas da First Solar em 2009 foram geradas por clientes com sede na União Europeia. [1,3] Simultaneamente, o preço do silício, que estava sendo usado em 92% dos painéis, triplicou de 2003 a 2005. [1] Apesar do fato de que a First Solar, uma empresa que havia começado em Toledo, Ohio, estava progredindo no sentido de tornando-se o maior fabricante de PV do mundo, a Sen. George Voinovich, de Ohio, votou contra um padrão nacional de portfólio de energia renovável e contra um crédito fiscal de investimento de 30% para a construção de energia solar. [3] Ainda há sinais esperançosos de legislação pró-renovável nos Estados Unidos em estados como a Califórnia, que criou um padrão significativo de portfólio de energia renovável.

Com o suporte da First Solar, o CdTe de filme fino é uma das tecnologias fotovoltaicas mais difundidas. Em 2009, eles são capazes de produzir um módulo de CdTe a um custo de US $ 0,85 / watt, enquanto o custo do silício de película fina é de cerca de US $ 2-3 / watt. [4] Embora as células CdTe sejam geralmente menos eficientes do que as células solares CIGS ou Si, sua produção é muito mais barata. Eles usam 1/100 da espessura e 1/10 do tempo de fabricação necessário para células de Si cristalino. Eles são muito mais eficientes do que as células a-Si. As células CIGS fornecem filmes de espessura comparável e eficiências ligeiramente superiores, mas a fabricação de células com compostos quaternários é difícil e cara. Algumas desvantagens imediatas das células CdTe incluem o manuseio cuidadoso dos componentes do material devido a problemas de toxicidade (embora o CdTe como um composto seja bastante estável), e menores eficiências demonstradas do que Si ou CIGS. [5] Devido à eficiência reduzida, as células CdTe requerem mais área de terreno. A Administração de Informação de Energia dos EUA prevê que o mundo consumirá 31,6 trilhões de kWh anualmente até 2030. [6] Se assumirmos uma irradiação solar média de 2.000 kWh / m² / ano, uma eficiência do módulo CdTe de 10% e um painel para eficiência da rede de 80%, então seriam necessários 76.000 milhas ² de painéis CdTe para fornecer energia ao mundo. Este é aproximadamente o tamanho de Nebraska e exigiria grandes quantidades de cádmio e telúrio. A maior questão de longo prazo para a tecnologia CdTe é a disponibilidade do elemento telúrio extremamente raro.

Há um debate significativo ocorrendo agora sobre se o suprimento de telúrio acompanhará a demanda conforme a First Solar expande suas operações. As estimativas variam, mas a produção mundial de telúrio, que é obtido principalmente a partir do cobre eletrorrefinado, é de aproximadamente 500 MT / ano. [2] A First Solar está atualmente produzindo painéis a uma taxa de 1,1 GW / ano, que consome 105 MT / ano, uma fração significativa do suprimento global de telúrio. [1,2] Em 2000, Björn Andersson argumentou que a produção de CdTe seria limitada a 20 GW / ano a partir de 2020, no entanto, em um artigo da Science de 2010, Ken Zweibel argumentou que as estimativas anteriores não levaram em consideração o quão finas ou eficientes as células CdTe podem se tornar ou quanto a oferta de telúrio pode aumentar com o aumento dos preços. [2, 7] Zweibel delineou cenários nos quais células CdTe foram produzidas a uma taxa de ~ 65 GW / ano em 2020 assumindo 1% de crescimento nas taxas de mineração de cobre, eficiências de módulo que aumentaram para 15% e espessura de filme reduzida para 0,3 μm. [2] Ele não incluiu a possibilidade de aumento do refino do cobre já extraído para produzir mais telúrio, embora Ojebuoboh tenha descrito como o suprimento de telúrio poderia triplicar eletrorrefinando mais cobre se o preço do Te aumentasse. [8] Zweibel também mostrou que as células solares CdTe podem representar 5-20% da energia mundial em 2030 com base em diferentes cenários de espessura de filme e crescimento geral do mercado fotovoltaico. [2] Se considerarmos minha estimativa de que abastecer o mundo em 2030 levaria 76.000 milhas e a espessura do filme foi reduzida para 0,3 μm. [2] Ele não incluiu a possibilidade de aumento do refino do cobre já extraído para produzir mais telúrio, embora Ojebuoboh tenha descrito como o suprimento de telúrio poderia triplicar eletrorrefinando mais cobre se o preço do Te aumentasse. [8] Zweibel também mostrou que as células solares CdTe podem representar 5-20% da energia mundial em 2030 com base em diferentes cenários de espessura de filme e crescimento geral do mercado fotovoltaico. [2] Se considerarmos minha estimativa de que abastecer o mundo em 2030 levaria 76.000 milhas e a espessura do filme foi reduzida para 0,3 μm. [2] Ele não incluiu a possibilidade de aumento do refino do cobre já extraído para produzir mais telúrio, embora Ojebuoboh tenha descrito como o suprimento de telúrio poderia triplicar eletrorrefinando mais cobre se o preço do Te aumentasse. [8] Zweibel também mostrou que as células solares CdTe podem representar 5-20% da energia mundial em 2030 com base em diferentes cenários de espessura de filme e crescimento geral do mercado fotovoltaico. [2] Se considerarmos minha estimativa de que abastecer o mundo em 2030 levaria 76.000 milhas [8] Zweibel também mostrou que as células solares CdTe podem representar 5-20% da energia mundial em 2030 com base em diferentes cenários de espessura de filme e crescimento geral do mercado fotovoltaico. [2] Se considerarmos minha estimativa de que abastecer o mundo em 2030 levaria 76.000 milhas [8] Zweibel também mostrou que as células solares CdTe podem representar 5-20% da energia mundial em 2030 com base em diferentes cenários de espessura de filme e crescimento geral do mercado fotovoltaico. [2] Se considerarmos minha estimativa de que abastecer o mundo em 2030 levaria 76.000 milhas² de painéis CdTe, e o fato de que uma milha quadrada de painéis requer 16,8 MT de Te, então 1,29 MMT será necessário para fornecer energia total ao mundo. [7] Nas espessuras de filme e taxas de recuperação atuais, levaria mais de 2.000 anos para recuperar esse tanto telúrio, o que motiva a necessidade de taxas de recuperação mais altas e filmes mais finos. Embora o futuro do telúrio na produção de painéis solares ainda não esteja claro, é definitivamente um problema que muitas pessoas, incluindo os da First Solar, estão pensando.

O futuro da First Solar depende de um crescimento agressivo contínuo, expandindo para novos mercados e reduzindo custos. Eles assinaram recentemente um memorando de entendimento para construir uma usina de 2 GW em Orods City, China. Eles também esperam aumentar a capacidade de fabricação para 1,8 GW / ano até 2012. Embora tenham recebido a maior atenção da mídia por serem capazes de produzir módulos tão baratos, eles também estão trabalhando na redução dos custos de instalação de hardware e mão de obra, que representam mais de metade do custo de configuração de um sistema. [1] Finalmente, a possibilidade mais interessante para o futuro da First Silicon é que eles podem estar expandindo seu portfólio tecnológico para outras tecnologias de filme fino. Em abril de 2010, a Reuters relatou que o laboratório secreto do Vale do Silício da First Solar estava investigando a tecnologia CIGS.

© Daniel Riley. O autor concede permissão para copiar, distribuir e exibir este trabalho de forma inalterada, com atribuição ao autor, apenas para fins não comerciais. Todos os outros direitos, incluindo direitos comerciais, são reservados ao autor.

Referências

[1] Relatório Anual de 2009 , First Solar, Inc. (2009).

[2] K. Zweibel, "The Impact of Tellurium Supply on Cadmium Telluride Photovoltaics", Science 328 , 699 (2010).

[3] T. Friedman, Hot, Flat, and Crowded: Why We Need a Green Revolution and How it can Renew America (Farrar, Strauss, and Giroux, 2008), pp. 386-391.

[4] K. Zweibel, " Multi-Gigawatt Thin Film PV ," Proc. 34ª Conferência de Especialistas Fotovoltaicos do IEEE (PVSC), 17 de fevereiro 09.

[5] AR Jha, Solar Cell Technology and Applications (Publicações Auerbach, 2010), pp. 146-149, 174-178.

[6] "International Energy Outlook 2010," US Energy Information Administration, DOE / EIA-0484 (2010) , julho de 2010.

[7] BA Andersson, "Disponibilidade de Materiais para Fotovoltaicos de Filme Fino em Grande Escala," Progress in Photovoltaics Research and Applications 8 , 61 (2000).

[8] F. Ojebuoboh, "Selenium and Tellurium from Copper Refinery Slimes and their Changing Applications", World of Metalurgy - ERZMETALL 61 , 33 (2008).

[9] P. Gupta, " Exclusive: First Solar Exploring New Panels in Silicon Valley ," Reuters, 8 de abril de 10.

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