Kan Japan genvinde sin solenergi?

Den måde, hvorpå Land of the Rising Sun byggede og mistede sin dominans inden for solcelleanlæg, viser, hvor sårbare vedvarende energikilder forbliver i forhold til skiftende politik og nationale politikker. Ved

• Peter Fairley arkiv side

18. december 2014

Det er 38 °C på Atsumi-halvøen sydvest for Tokyo: En dødelig hedebølge har grebet store dele af Japan sidst på sommeren. Inde på kontorerne på et nybygget kraftværk, der drives af plastvirksomheden Mitsui Chemicals, sprænger AC. Udenfor omdanner 215.000 solpaneler det blærende sollys til 50 megawatt elektricitet til det lokale net. Tre 118 meter høje vindmøller opstillet på stedet tilføjer seks megawatts produktionskapacitet til at bakke op om solpanelerne i løbet af vinteren.

Mitsuis anlæg er blot et af tusindvis af vedvarende energi-installationer, der er på vej, da Japan konfronterer sin tredje sommer i træk uden brug af de atomreaktorer, der havde leveret næsten 30 procent af dets elektricitet. I Japan omtaler folk jordskælvet og atomkatastrofen ved Tokyo Electric Power Companys Fukushima Daiichi atomkraftværk den 11. marts 2011 som Three-Eleven. Radioaktiv forurening tvang mere end 100.000 mennesker til at evakuere og skræmte flere millioner. Det sendte også en chokbølge gennem Japans allerede skrøbelige fremstillingssektor, som er landets næststørste arbejdsgiver og tegner sig for 18 procent af dets økonomi.

Denne historie var en del af vores januar 2015-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Elleve af Japans 54 atomreaktorer lukkede ned på dagen for jordskælvet. Et år senere var hver reaktor i Japan ude af drift; hver skulle opgraderes til at leve op til øgede sikkerhedsstandarder og derefter stå i kø til inspektioner. Under mit besøg i sommer var Japan stadig uden atomkraft, og kun aggressiv energibesparelse holdt lysene tændt. I mellemtiden brugte landet så meget mere importeret fossilt brændstof, at elpriserne steg med omkring 20 procent for boliger og 30 procent for virksomheder, ifølge Japans ministerium for økonomi, handel og industri (METI).

Sanyo Electrics såkaldte Solar Ark, bygget i 2001 under storhedstiden for landets indledende solboom, blev designet til at generere 630 kilowatt strøm, hvilket gør den til et af verdens største solcelleanlæg. Det kan prale af 5.046 solpaneler.

Energikrisen efter Fukushima har imidlertid skabt håb for landets vedvarende energiindustri, især dets solenergivirksomheder. Som et af hans sidste træk, inden han forlod embedet i sommeren 2011, etablerede premierminister Naoto Kan potentielt lukrative feed-in-tariffer for at stimulere installationen af ​​sol, vind og andre former for vedvarende energi. Tilførselstakster fastsætter en præmiesats, som forsyningsselskaber skal købe strøm til fra sådanne kilder.

Regeringens incitament er det, der motiverede Mitsui til endelig at gøre brug af jord, der oprindeligt blev købt til en plastfabrik til biler, der aldrig blev bygget, fordi bilproducenter flyttede fremstillingsvirksomhed til udlandet. Stedet havde stået stille i 21 år, før Mitsui samlede et konsortium for at hjælpe med at finansiere en investering på 180 millioner dollars i solpaneler og vindmøller. Ved at bevæge sig hurtigt kvalificerede Mitsui og dets seks partnere sig til 2012 feed-in tariffer, der lovede solcelleanlæg i industriel skala 40 yen (35 cent) pr. genereret kilowatt-time i 20 år. Til den pris, siger Shin Fukuda, den tidligere nukleare ingeniør, der driver Mitsuis energi- og miljøforretning, burde konsortiet tjene sin investering tilbage om 10 år og indsamle betydelige overskud fra det vedvarende energianlæg i mindst et årti mere.

Japan er fra den ene dag til den anden blevet verdens hotteste solenergimarked: på mindre end to år efter at Fukushima smeltede om, mere end fordoblede landet sin solgenereringskapacitet. Ifølge METI installerede udviklere næsten 10 gigawatt vedvarende produktionskapacitet frem til slutningen af ​​april 2014, inklusive 9,6 gigawatt solcelle. (Atomreaktorerne i Fukushima Daiichi havde en kapacitet på 4,7 gigawatt; samlet set har landet omkring 290 gigawatt installeret elproduktionskapacitet.) Tre fjerdedele af den nye solenergikapacitet var i storskalainstallationer som Mitsuis.

Alligevel markerer denne eksplosion af solkapacitet en bittersød triumf for Japans producenter af solpaneler, som havde ledet designet af solcelleanlæg i 1980'erne og lanceret den globale solcelleindustri i 1990'erne. Bittert, fordi de fleste af de millioner af paneler, der installeres, er importeret uden for landet. Selv nogle japanske producenter, herunder den tidlige markedsleder Sharp, har taget til at købe paneler produceret i udlandet og sælge dem i Japan.

Hvordan Japan – engang verdens mest avancerede halvlederproducent og en pioner inden for at bruge denne teknologi til at fremstille solceller – gav sin solcelleindustri væk, er en historie om national usikkerhed, monopolmagt og pengedrevet politik. Det er også en fortælling med vigtige erfaringer for dem, der mener, at styrken af ​​vedvarende teknologier vil give tilstrækkelige incitamenter for lande til at ændre deres energivaner.

I Japan blev imponerende fremskridt inden for fotovoltaik i det meste af 2000'erne ignoreret, fordi landets magtfulde forsyningsselskaber brugte deres politiske muskler for at favorisere atomkraft. Og på trods af stigende forbrugerefterspørgsel efter solenergi og stærk offentlig foragt for atomkraft, kan det samme ske igen. Vil et land med få ressourcer til fossile brændstoffer og dystre minder om Fukushima-katastrofen udnytte sin tekniske ekspertise til at genvinde sin position som en førende producent af solceller, eller vil det vende sig væk fra vedvarende energi igen?

Rig

Længere end tre fodboldbaner og over 37 meter høj er Solarken tydeligt synlig fra Tokkaido Shinkansen, når kugletoget krydser det centrale Japan. Strukturen, dækket af solcellepaneler, ligner et tempel af energi fra en anden æra - en tid, hvor Japan ejede solenergiindustrien. Sanyo rejste Arken i 2001 og opstillede 5.046 solpaneler på den, der var i stand til at generere 630 kilowatt forureningsfri elektricitet.

Den æra, der gav anledning til denne bedrift, begyndte med energikriserne i 1970'erne, hvor de stigende globale oliepriser ramte Japans eksportdrevne produktionsøkonomi. Landet udnyttede sin dominans i produktionen af ​​elektroniske halvlederchips til at forfølge alternativer til renere, sikrere strøm i solcelleanlæg. Og i modsætning til andre lande, såsom USA, holdt det fast i de resulterende soludviklingsprogrammer, selv da oliepriserne faldt i 1980'erne. Mellem 1985 og 2007 ansøgte japanske forskere om mere end dobbelt så mange patenter inden for solteknologier som konkurrerende amerikanske og europæiske opfindere tilsammen. Virksomheder som Sharp, Sanyo Electric, Panasonic og Kyocera blev de klare ledere inden for solteknologi. Japanske producenter begyndte at øge salget og solcelleinstallationer i 1990'erne. I 2001 var den samlede solenergiproduktion i Japan 500 gange højere, end den havde været et årti tidligere - et årti, hvor den amerikanske solenergiproduktion steg med sølle 15 procent.

Et billede fra japansk tv fanger røg, der stiger op efter en brinteksplosion ved Fukushima Daiichis enhed 3 den 14. marts 2011, dage efter det første jordskælv. Efter Fukushima-katastrofen blev alle landets atomreaktorer lukket ned.

Så gik det hele i stå for et årti siden, da landet satsede sin fremtid på atomkraft.

Regeringens atomplaner var ambitiøse: På det tidspunkt, hvor Fukushima Daiichi smeltede om, ville de kræve 14 yderligere reaktorer inden 2030, hvilket næsten ville have fordoblet atomproduktion til at tegne sig for 50 procent af Japans strømforsyning. I mellemtiden faldt salget af solceller i Japan i midten af ​​2000'erne, og i 2007 havde japanske producenter afgivet global markedslederskab til amerikanske, kinesiske og europæiske producenter. På få år var landet gået fra brancheleder til at have været.

Det, der vendte Japan væk fra solen, var en ødelæggende blanding af opfattelse, kultur og politik. Atomkraft havde en aura af styrke, mens energi baseret på intermitterende vedvarende energikilder så svag og upålidelig ud - et indtryk opmuntret af landets politisk magtfulde forsyninger. Selvom Japan har adskillige steder, der er ideelle til vind- og solenergi, overbeviste elselskaber offentligheden om, at energivalg var begrænsede. Vi er virkelig af den tankegang, at vi mangler ressourcer, og at Japan skal være afhængig af importeret brændstof, siger Mika Ohbayashi, direktør for den Tokyo-baserede Japan Renewable Energy Foundation.

Det, der vendte Japan væk fra solen, var en ødelæggende blanding af opfattelse, kultur og politik.

Forsyningsselskabernes syn var farvet af egeninteresse. Japans 10 forsyningsselskaber var (og forbliver) vertikale monopoler. Hver kontrollerer elproduktion, transmission og distribution i sin respektive region, og dens net er designet til at levere elektricitet fra centraliserede kraftværker – inklusive store atomreaktorer. De mangler, designmæssigt, de sammenkoblinger, der letter sikker brug af variabel elproduktion. I de fleste industrialiserede lande har regeringer brudt monopolerne på elmarkederne op og frigivet operatører af transmissionsnet til at bygge disse sammenkoblinger, men Japans forsyningsselskaber har modvirket dereguleringstendensen. Sammenkoblingsproblemet forværres yderligere af en artefakt: to AC-frekvenser, der deler landets elektriske system i to. Det østlige Japan opererer ved 50 hertz, mens det vestlige Japan bruger 60-hertz strøm - en barriere, der viste sig at være lammende i 2011, umiddelbart efter Fukushima-katastrofen, da et pludseligt magtfuldt Tokyo kunne få adgang til lidt af Osakas overskudskraft.

Adspurgt hvorfor Japan valgte ikke at presse solenergi aggressivt, da det dominerede den globale industri, fortalte tidligere premierminister Kan mig, at han lægger skylden direkte på landets forsyningsselskaber: Årsagen er meget klar. Elkraftselskaberne, de mennesker, der ønskede at fremme atomkraft, var imod.

Genoplivning

I en underafdeling, der spreder sig over indvundet jord i bugten i Ashiya, en by mellem Osaka og Kobe, er et boligbyggeri på 400 enheder kaldet Smart City Shio-Ashiya (Salty-Ashiya) ved at tage form, som er udtænkt af Panasonic-datterselskabet PanaHome. En søndag i juli pumper solpaneler på toppen af ​​hvert af de 50 huse, der er bygget til dato, overskudsstrøm ind i det lokale elnet, og PanaHome-sælgere sælger et par med småbørn på boligernes energifordele og jordskælvsmodstand.

Shio-Ashiyas to-etagers hjem inkluderer geotermisk opvarmning og køling og andre grønne designfunktioner for at minimere strømforbruget, mens de højeffektive tagsolpaneler maksimerer strømproduktionen. Den overskydende strøm skulle ifølge PanaHome-sælger Saho Watanabe tjene beboerne omkring 100.000 yen ($825) hvert år. Watanabe fremhæver en anden funktion, som burde være uvurderlig, når nettet går ned - for eksempel i et jordskælv eller tyfon. Hun åbner et skab i spisestuen i et modelhus for at afsløre et lithiumbatteri, der arbejder med et energistyringssystem i nærheden af ​​køkkenet, kan køre familiens AC/varmepumper, belysning på første sal og køleskab i omkring to dage.

Panasonics solhåb hviler på en teknologi opfundet af forskere ved Sanyo i 1990'erne og erhvervet af Panasonic for fire år siden, da virksomhederne fusionerede. Solcellerne kombinerer konventionel krystallinsk-silicium og tynd-film amorf-silicium teknologier for at opnå relativt høj effektivitet i at omdanne sollys til elektricitet. Kaldet HIT, for heterojunction med iboende tyndt lag, er hybridteknologien blevet en grundpille i virksomhedens solenergistrategi.

Shingo Okamoto, en materialeforsker, der tilbragte sin karriere hos Sanyo Electric, før han blev direktør for solenergi-R&D for Panasonics EcoSolutions-forretningsgruppe, siger, at panelerne tjener høje priser på hjemmemarkedet, fordi de producerer langt mere elektricitet fra en given tagterrasse end de billigere polykrystallinske paneler. der dominerer markedet. Hvis vi antager, at hver husstand forbruger elektricitet med det japanske gennemsnit på 1.400 kilowatt-timer om året i dagtimerne, siger han, at en husstand med Panasonic-systemet vil have 52 procent mere overskudsstrøm til at vende tilbage til nettet end et hjem med et almindeligt solsystem .

Boligstrøm i Japan er dyr - med 24,33 yen (20 cents) pr. kilowatt-time i 2013 var det næsten det dobbelte af det amerikanske gennemsnit. Og i betragtning af at elpriserne helt sikkert vil fortsætte med at stige, siger Okamoto, vil de mest effektive solcelleanlæg på taget have en stærk fordel. Da vi mødtes i juli på Panasonics Shiga-fabrik øst for Kyoto, var anlægget lige begyndt at sende sit nyeste og mest kraftfulde paneldesign. Fremskridtene bag panelet, som bruger celler med en effektivitet på 22,5 procent, inkluderer en lysspredende film på bagsiden for at forbedre lysabsorptionen. Samlebånd kørte 24 timer i døgnet for at holde trit med den indenlandske efterspørgsel.

Yderligere fremskridt er i pipelinen. I april producerede Okamotos gruppe en siliciumsolcelle, der nåede en effektivitet på 25,6 procent, hvilket slog en 15 år gammel verdensrekord på 25,0 procent. Selvom rekorden blev sat i laboratoriet ved hjælp af en prototype-enhed, forudsiger Okamoto, at gruppen i sidste ende vil være i stand til at producere kommercielle celler, hvis effektivitet er inden for et par procentpoint af krystallinsk siliciums teoretiske grænse, 29 procent.

Repowering

På tværs af kystbjergene fra de smadrede reaktorer ved Fukushima Daiichi og det forurenede landskab, de skabte, er et af verdens mest avancerede faciliteter dedikeret til vedvarende energi-F&U ved at blive klaret. Komplekset på 100 millioner dollars åbnede i april i Koriyama, Fukushima-præfekturets kommercielle center, og samler tidligere uensartet forskning fra Japans videnskabs- og teknologibureauer. Instituttet er her ikke ved et tilfælde. Det er en eksplicit forpligtelse til den følelsesmæssigt og økonomisk ødelagte region.

Det grønne præfektur nord for Tokyo er fortsat affolket efter jordskælvet, tsunamien og nedsmeltningen i marts 2011. Mange af de mere end 100.000 indbyggere, der blev gjort hjemløse af katastroferne, vil aldrig vende tilbage. Det er ikke let at erstatte tabte beboere og virksomheder i et område kendt for radioaktiv forurening. Solcelledrevne radioaktivitetsmonitorer i Koriyama viser, at luften er sikker, men 100 kilometer mod øst kæmper Tokyo Electric Power Company (TEPCO) stadig for at forhindre forurening i at forurene både grundvandet og havet.

Koriyama R&D-faciliteten kan prale af state-of-the-art laboratorier til krystallisering, udskæring og mønstre af siliciumwafers, og dens produktionslinje kan udskille op til 360 wafers i timen. Udenfor testes en række solcelleanlæg, sammen med en beskeden størrelse vindmølle og et stort nettilsluttet batteri. Dets mest ambitiøse program er instrueret af Makoto Konagai, en af ​​Japans mest berømte solforskere, som er flyttet til Koriyama fra Tokyo Institute of Technology. Hans mål er at smadre gennem den teoretiske effektivitetsgrænse for siliciumceller og demonstrere rater på 30 procent i 2016 og op til 40 procent i 2021. Det er en ambitiøs plan, men tre store producenter, inklusive Panasonic, har skrevet under.

Mens nogle andre forskere søger mere effektive alternativer til silicium, som står for 90 procent af den nuværende solproduktion, søger Konagai at redesigne siliciumcellen fra top til bund. Et af hans teams er for eksempel ved at udvikle en støbemetode til at producere siliciumbarrer af højere kvalitet. Et andet team genovervejer den måde, halvlederstrukturer er mønstret for at omdanne siliciumwafere til celler: Konagais plan er at ætse eller bygge vertikale strukturer blot et par nanometer på tværs, næsten 100.000 gange smallere end selve siliciumwaferen. Hvis hans simuleringer er gode, vil de resulterende nanotråde eller nanovægge ændre siliciumets elektriske adfærd indeni, hvilket øger dets potentiale til at absorbere lys og samle elektrisk ladning.

I juni 2011 erklærede Fukushimas tidligere pro-nukleare guvernør, Yuhei Sato, at Fukushima skulle sætte sin fremtid på vedvarende energi. Fællesskabsaktivister igangsatte snesevis af projekter på tværs af præfekturet, og i 2012 satte det sig et mål om at øge vedvarende energi fra 22 procent til 100 procent af sin strømforsyning inden 2040.

Arbejdere så i oktober, mens en kran løftede en del af et strålingsskjold, der var blevet placeret over en reaktor i Fukushima efter jordskælvet. Løft af låget afslørede resterne inde i den ødelagte bygning for første gang siden 2011.

Den kolde virkelighed i Japans energiproblemer er imidlertid, at sådanne dristige ambitioner sandsynligvis kommer til kort. Den type soludvidelse, der kan forventes fra feed-in-tariffer alene, vil sandsynligvis ikke opfylde præfekturets mål - eller endda erstatte den strøm, som Japans atomflåde engang leverede. Og politiske og økonomiske kræfter synes ikke at favorisere politikker, der ville udvide vedvarende energi mere dramatisk.

Fremskrivninger fra Japan Photovoltaic Energy Association, en Tokyo-baseret handelsgruppe, tyder på, at årlige solcelleinstallationer vil toppe i år kun med syv gigawatt. Gruppen forudser, at den samlede installerede solenergikapacitet i Japan vil nå 102 gigawatt i 2030, hvilket ville være nok til kun at dække en lille brøkdel af landets elektricitetsbehov. Moderat udbredelse af vindkraft ville give noget ekstra elektricitet. Men Japan har brug for langt mere. Mens japanske forbrugere og industri har reduceret strømefterspørgslen siden 2011, dækkede forsyningsselskaber det meste af det nukleare underskud ved at øge forbrændingen af ​​importeret naturgas, petroleum og kul. Fossile brændstoffer tegnede sig for omkring 89 procent af Japans elproduktion i 2012. Som et resultat var dets samlede drivhusgasemissioner 7 procent højere det år end i 2010.

Udsigterne for vedvarende energi kan blive værre. For at sikre sig mod muligheden for, at de måske ikke er i stand til at genstarte atomreaktorer, bygger forsyningsselskaber en ny generation af kulfyrede kraftværker. Efter Ohbayashis optælling er omkring 13 gigawatt ny kulfyret elproduktion nu under udvikling.

I mellemtiden truer de relativt høje omkostninger ved Japans solenergi med at tilskynde til et tilbageslag mod vedvarende energi, opmuntret af pro-nuklear forsyningsselskaber. Der er ingen tvivl om, at med den nuværende solcelle er elproduktion dyrt, siger Okamoto og udtrykker sit personlige synspunkt snarere end Panasonics. Han frygter negative reaktioner fra skatteyderne, hvis stigende elregninger betaler de takster, der finansierer solcelleanlæg på hustage og på kraftværker som Mitsui Chemicals: Hvis vi fortsætter med at udvide vores forretning med det nuværende omkostningsniveau, kan vi have indvendinger.

Hvad mere er, den gamle politik, der favoriserer atomkraft, ser ud til at vende tilbage. Selvom meningsmålinger konsekvent viser, at et flertal af japanere er imod at genstarte forsyningsselskabernes tomgangsreaktorer, lover premierminister Shinzo Abe at genstarte dem, der anses for sikre af Japans nuklearreguleringsmyndighed. I juli udstedte agenturet den første sådanne certificering til et par reaktorer på den sydlige ø Kyushu - selvom offsite nødkontrolcentre, der er påbudt efter Fukushima, endnu ikke er færdiggjort, og reaktorerne er farligt tæt på en aktiv vulkan. Jodpiller blev hurtigt distribueret til reaktorernes naboer, og den præcedensskabende genstart forventes snart, efter at have fået grønt lys fra den lokale guvernør og anlæggets værtsby, Satsumasendai, hvis økonomi er forkrøblet uden job, skattekroner og forretning, som anlægget leverer.

Samtidig forsinker forsyningsselskaber netforbindelser til vedvarende udviklinger eller pålægger netopgraderingsgebyrer, der gør vedvarende projekter umulige. Tilbageslaget rammer vindkraften hårdest. Japans magre marked for vindmøller har faktisk bremset siden Fukushima.

Denne sommer lancerede METI et udvalg til at styre implementeringen af ​​nye energipolitikker. Et emne: nylige bestræbelser fra forsyningsselskaber og regeringen for at begrænse yderligere solcelleanlæg. Ohbayashi siger, at METI går tilbage, fordi den fejlbedømte det kommercielle potentiale af vedvarende energi og deres potentielle indvirkning på forsyningsselskaberne. Siger Ohbayashi, De forudså ikke den eksplosive vækst af solceller.

Den japanske regering har planer om radikalt at revidere landets balkaniserede engrosmarked og elnet og forberede sig på en fremtid, hvor producenterne konkurrerer om retten til at levere strøm. I det scenarie kunne vedvarende energi trives.

Det mest kritiske skridt er dog stadig år væk: at tvinge de vertikalt integrerede forsyningsselskaber til at adskille deres elproduktions- og transmissionsvirksomheder. Adskillelse er afgørende for at skabe lige vilkår for producenterne og et system, der er optimeret til at levere den billigste og reneste strøm tilgængelig i realtid.

At ombygge nettet for at imødekomme massive strømme af vedvarende energi som vind og sol er en potentielt dyr rute for Japan. Det er dog ikke nødvendigvis dyrere end vejen tilbage til atomkraft, som den nuværende regering og forsyningsselskaberne kortlægger. Indregning af omkostningerne til forsikring mod ulykker og opgraderinger for at forhindre dem kan fordoble omkostningerne ved atomenergi.

Som tidligere premierminister Naoto Kan fortalte mig, har katastrofen ved Fukushima Daiichi for altid ændret økonomien i atomkraft. Tidligere blev atomkraft sagt at kunne levere strøm til en meget billig pris, men vi ved nu, at det ikke er korrekt, sagde han. Den beregning forudsatte, at der ikke kunne ske uheld. Nu ved vi, at de kan.

Peter Fairley er medvirkende redaktør for MIT Technology Review.

skjule