OM GEMINI

Tema: Kappløp med høy solfaktor

Fra rekordvekst til råstoffmangel: Solcellebransjen er på materialjakt.
Norge og klimaet kan bli kappløpets vinnere.

Les kommentaren av Steve Westwell «Industrien må tenke mye større»

SOL I SINNET Aud Wærnes er forskningssjef ved SINTEF Materialer og kjemi – og en av deltakerne i mesterskapet som skal stille solcellebransjens råstoffhunger. Foto:Studio Lasse Berre

Solceller dekker i dag en forsvinnende liten del av kraftbehovet i verden. Men strøm fra sola kan bli en gigant på energimarkedet om en generasjon eller to. Like stor som olje og gass er nå, ifølge framtidsforskere.

Som klipt fra barnesinnets bilder av berget det blå, henger de bak forhandlerens disk. Solcellepanelene har størrelse som dyre malerier. For øyet er de krystaller innpakket i godværshimmelens egen farge.

– Etterspurt? Vi sæll' dæm itj hver dag, i hvert fall, sier ekspeditøren i hyttebutikken. Nei, noen solcellefeber er ikke å spore hos Ola og Kari, selv om 80 000 norske familier til nå har kjøpt solcelleanlegg til hytta. Vi har for lite sol og for høyt strømforbruk i mørketida til at elektrisk utnyttelse av solenergi vil ta av i Norge. Dessuten har strøm fra sola så langt vært en kostbar vare. Men ute i verden syder og koker det på denne fronten. Med subsidier som gjødning har miljøbevisste politikere i Tyskland og USA fått solcellepaneler til å skyte opp som paddehatter. Samtidig er japanerne i ferd med å få strøm fra solceller til å lønne seg, takket være lavt rentenivå og blodpriser på vanlig nettstrøm. Resultat: En solcelleindustri med vekstkurver som lenge har pekt omtrent mot sola. Ei næring der Norge har blitt en stormakt på flere av trinnene i verdikjeden. Verdensmarkedet for solceller har vokst med over 30 prosent i året det siste tiåret. Ikke mange andre industrigreiner kan oppvise maken. Men den raske veksten har sin pris. Fra neste år blir det kamp om råstoffet.

KAPPLØPET: JAKT ETTER RÅSTOFF
I minst to år blir det knapphet på solcellematerialer, og dermed også langsommere vekst i bransjen, spår sentrale folk i solcelleindustrien. De fleste solceller har ei tynn skive av silisium som sin aktive kjerne. Den forestående knipa kommer fordi solcellenæringa til nå har dekt sitt silisiumbehov ved å spise rester fra elektronikkprodusentenes matfat. Produksjonen av elektronikk vokser langt seinere enn solcellemarkedet. Dermed er skåla med rester fra IT-industriens råstoffprodusenter blitt for liten til å dekke solcellebransjens materialhunger. Nå har startskuddet gått for et materialmesterskap, der målet er å stille solcellenæringas sult etter silisium på andre måter.

NYE VEIER FRA KVARTS TIL SOLCELLER
Silisium er et av de grunnstoffene jordskorpa har mest av. Stoffet er hovedingrediensen i bergarten kvarts, der det har giftet seg med oksygen. I ferrolegeringsindustriens ovner blir ekteskapet oppløst. Ut kommer silisium i metallisk form: et sølvgrått materiale der rundt 99 prosent er silisium. Resten er andre grunnstoffer som for eksempel jern, aluminium, fosfor og bor. Hvert femte tonn med silisium som produseres i verden, kommer fra Elkem som er verdens største produsent av silisium. Halvparten av silisiumet brukes som legeringstilsats i aluminium. 45 prosent blir til silikon – ingrediens i alt fra fugemasse og leppestift til tannkrem og brystproteser. De siste fem prosentene foredles i hovedsak til elektronikk. Mer enn annenhver PC i verden har innmat av norsk silisium. Før silisium blir sentralnervesystem i PCer, har materialet vært gjennom en energikrevende og dermed dyr rensing. Silisium brukt i elektronikk må være ultrareint (99,999999999 prosent reint). Rensingen skjer i anlegg som finnes i Japan, USA, Italia og Tyskland. Litt av elektronikkmaterialet blir kapp og skrap under foredlingen – og gjenoppstår som solceller. Solcelleindustrien har inntil for to-tre år siden dekt hele sitt råstoffbehov på denne måten. Nå er haugene med kapp og skrap fra IT-industriens råstoffprodusenter blitt for små til å matche veksttakten i solenergimarkedet. Nytt silisiumråstoff til solceller kan ikke kjøpes rett fra smelteverket, for det materialet er ikke reint nok. Elektronikkreint materiale er heller ikke noe godt alternativ, for det er for dyrt (koster 30-40 ganger så mye som smelteverkenes produkt, og dobbelt så mye som vrakmaterialene i dagens solceller). Derfor jakter industrifolk og forskere i flere land nå på nye prosessruter fra kvarts til solceller.

GOD PLASS PÅ PALLEN?
Norge har minst fem grupper som jobber med ulike ruter, fordelt på tre hovedklasser av løsninger. De fem springer ut av kunnskapsmiljøet som er bygd opp rundt den norske ferrolegeringsindustrien. I kappløpet deltar blant annet en norsk solkonge og hans hoff. Intet mindre. I materialmesterskapet stiller også solkongens forrige arbeidsgiver – ett av Norges eldste og største industriselskaper. Her kniver i tillegg både små og større grupper ved norske forskningsinstitutter, universitet og høgskoler. Samtlige har en ambisjon om prosessruter som vil gjøre strøm fra solceller billigere, til glede for alle som er opptatt av konkurranseevnen til fornybar energi. I tillegg ser de produksjon av solcellesilisium som en spennende forretningsmulighet for Norge. Flere av deltakerne lar det skinne gjennom at de tror de kommer lenger ned i pris på solenergien enn andre i feltet, eller gunstigere ut i et energiregnskap. Men de tror også det går an å leve side om side etter målpassering. For i framtida blir det sannsynligvis flere markeder for solceller. Den største biten av kaka går trolig til den som kan friste kundene med lavest kilowattimepris. Men det kan bli kakestykker også til de som vil tilby solceller i ulike farger eller med ekstra lav innkjøpspris. Som i Athen kan det derfor bli mer enn én norsk vinner i sol-OL.

SOLKONGENS RIKE Med Alf Bjørseth som general har industri-Norge erobret en plass i sola. Konsernet REC, som Bjørseth leder, er aktivt langs hele verdikjeden i solcellebransjen. REC har 600 ansatte fordelt på fem selskap: Et som lager solcellesilisium (USA), et som lager cellenes hoveddel – silisiumskiver (Glomfjord og Herøya), et som lager solceller (Narvik), et som lager solcellepaneler (Sverige) og et som leaser ut solstrømanlegg (Sør-Afrika). Foto: Tom Hansen

I BANE 1: SOLGRÜNDER BJØRSETH
På en plen ved Oslofjorden står en liten mann i mørk dress. Han titter fram bak et svært solcellepanel som hviler mot kroppen hans. På bakken har en fotograf krøpet ned på ryggen for å fange inn sola og mannens smil på ett og samme bilde. For andre gang på ei uke har Norges ukronte solkonge, Alf Bjørseth, båret det digre panelet ut og inn av heisen utenfor kontoret på Høvik. Mediene krever sitt. – Det blir nesten litt for mye oppmerksomhet. Det var greiere før da vi kunne jobbe i det stille, sier Bjørseth smilende. Han har vært forskningssjef hos SINTEF i Oslo og hos Hydro. Deretter var han teknologidirektør i Elkem. På tiåret som er gått siden da, har Bjørseth og makkeren hans, Reidar Langmo, skapt sitt eget solens rike.

STØRST I VERDEN
Eventyret startet med ScanWafer AS som duoen etablerte i 1994. Firmaet smelter og krystalliserer renset silisium. Ut av fabrikkportene kjøres tynne, bearbeidete silisiumskiver («wafers»). De er sagd ut av en krystallisert silisiumblokk og går til solcelleprodusentene. Skiver av ScanWafers type er hovedkomponent i den vanligste typen solceller. På ti år har ScanWafer bygd to waferfabrikker i Glomfjord pluss én på Herøya – og trolig blitt verdens største waferprodusent. Selskapet er flaggskipet i konsernet REC (Renewable Energy Corporation) som Bjørseth og Langmo har grunnlagt, og der Bjørseth er sjef. REC har virksomhet langs hele verdikjeden i solcelleindustrien. Konsernet har skapt 360 nye arbeidsplasser i Norge, har 600 ansatte i fire land og vil i år omsette for halvannen milliard. ScanWafer alene får en omsetning på rundt en milliard og et overskudd på nær 100 millioner kroner. Ikke så rart kanskje, at journalistene står i kø. Ordførere løper etter Bjørseth, de også. Med åpen lommebok.
ScanWafer kom til Herøya med 80 arbeidsplasser da Hydro la ned magnesiumfabrikken. Neste år vil Bjørseth & Co doble sin kapasitet her. Nå venter innbyggerne i Årdal på solkongen med åpne armer. De håper framstilling av wafers kan erstatte aluminiumproduksjonen som Hydro skal trappe ned i bygda. Bjørseth bygger mer enn gjerne der, såfremt regjeringen bidrar med omstillingsmidler. Hvis ikke, bygger han ny fabrikk utenlands. Men hva med råstoffmangelen? Biter man ikke negler når man utvider og det åpenbart ikke blir silisium nok til alle wafer-produsentene på en stund?

ROSES FOR «GENISTREK»
Nei. Bjørseths negler er uforskammet intakte. Ubekymret drikker han pose-te i møterommet på Høvik og viser til oppkjøpet mediene har kalt en genistrek. I Moses Lake i USA kjøpte han for noen år siden en fabrikk som renset silisium for elektronikkindustrien. Den fikk REC for «en billig penge», etter hans eget utsagn. I et slikt anlegg reagerer silisium med hydrogen og saltsyre. Etter diverse prosesstrinn får man gassen silan som renses ved destillasjon. Gassen spaltes deretter til superrein silisium og hydrogen. Rensetrinnet bærer navnet Siemens-prosessen. Normalt går all silisium fra slike fabrikker til elektronikk, bortsett fra skrapmaterialet. Bjørseth har forenklet og rendyrket sitt anlegg til produksjon av solcellesilisium. ScanWafer er alene om en slik kilde. Ifølge Bjørseth er han sikret mer enn nok silisium herfra til utvidelsen på Herøya. Konkurrentene er ikke like heldige. – Noen wafer-produsenter får ikke råstoff nok til å utnytte kapasiteten sin neste år. Noen vil kanskje ikke få noe i det hele tatt, sier Bjørseth.

Illustrasjon:Mads Nordtvedt, Fakta: Nils Kristian Rossing, Håvard Karoliussen. NTNU Se nærmere på illustrasjon .pdf Til dette trenger du hjelpe-programmet Acrobat Reader Se nærmere på illustrasjonen .swf (Flash)

AMBISJON OM HALVERT STRØMPRIS
Uten ytterligere noe i bakhånd kunne nok Bjørseths negler vært i fare med tanke på ScanWafers videre vekst. For han innrømmer at det blir for dyrt å basere driften på denne silisiumkvaliteten på lang sikt, selv med de forenklingene han har gjort i Moses Lake-anlegget. Bjørseth stoler i stedet på et utviklingsprosjekt som REC nå kjører i USA. Målet er en «avart» av Siemens-prosessen, med en såkalt «fluidized bed» – en energibesparende teknikk for å bringe væske eller gass i kontakt med partikler. Ifølge Bjørseth vil den nye prosessen ha 1/20 av energiforbruket til Siemens-prosessen og samtidig gi silisium med høy nok reinhet.

– Lykkes vi, er vi på lufta med prosessen der borte neste år, sier Bjørseth. Han understreker at reine materialer gir effektive solceller, og at han sikter mot både råstoff og prosessforbedringer som vil gjøre solceller mer effektive enn i dag. Med høy effektivitet trengs mindre materialer og installasjon per levert kilowattime. Bjørseth & Co tror derfor reine materialer vil gi den billigste strømmen fra sola. – Jeg er hellig overbevist om at vi kan halvere prisen per kilowattime fra solceller i løpet av fem til åtte år, sier Bjørseth som spår at det blir rom for flere materialkvaliteter. – Det er som med biler. Noen vil ha sterke motorer. Andre klarer seg med små.

I BANE 2: ELKEM
1. mai 2001 er også storebror på smelteverksida, 96-årige Elkem, synlig på sol-OLs arena. Metallurgikonsernet har fra da sitt eget selskap for utvikling av solcellesilisium. Men Elkem har tjuvstartet lenge før. Alt 20 år tidligere har Elkem prosjekter viet nye ruter fra kvarts til solceller. Oljeselskapet Exxon og elektronikkgiganten Texas Instruments er blant samarbeidspartnerne den gangen. I det nye årtusenet løfter Elkem resultatene fram i sola igjen.
– Vi står i dag på skuldrene av det arbeidet som ble gjort på 80- og 90-tallet. Elkem har opparbeidet en betydelig kunnskapsbase som nå forvaltes av oss, sier sjefen for Elkem Solar, Christian Dethloff. Dethloffs medarbeidere som er «unge forskere og erfarne krefter med silisium i blodet», ifølge sjefen, sitter midt i Elkems teknologimiljø. Direktøren snakker varmt om samboerskapet med Elkem Research på Fiskaa i Kristiansand – og den tilgang bofellesskapet gir på kunnskap, forsøks- og analyseutstyr.
Sjøl har Dethloff base på Elkems hovedkontor ved Smestad i Oslo. Resepsjonen bugner av blomster den dagen vi er på besøk. Selskapet har hundreårsdag. I Paris, noen uker før, har jubilanten vist fram solceller like effektive som dagens standardmodeller. Under det blå, antireflekterende laget ligger skiver av et silisiummateriale som er produsert i stor laboratorieskala via Elkems egen renserute. Elkems prosess har to trinn. Først rensing med slagg som spiser enkelte grunnstoff. Deretter luting som fjerner andre. I deler av arbeidet med prosessen har Elkem hatt med SINTEF, NTNU og Institutt for Energiforskning (IFE). Blant annet i regi av Forskningsrådets program «Fra sand til solceller». I tillegg trekker selskapet på kunnskap fra forskningsinstitutter verden over, opplyser Dethloff. Neste år bygger Elkem et pilotanlegg for renseprosessen ved silisiumverket i Kristiansand. Går alt bra, er et fullskala industrianlegg på lufta i 2007. Dethloff framhever at lave kostnader, store volum og lavt energiforbruk er fortrinnet, og at det er reinheten som er utfordringen for de som går denne prosessruta.
– Desto hyggeligere er ferske resultater som forteller oss at vi er i rute på reinhet, sier Dethloff. Ifølge Elkems solsjef har det lenge vært antatt at kun helt reine materialer kan gi solceller med høy effektivitet. – Nå er dette bildet i ferd med å snu, ettersom solcelleindustrien tar i bruk stadig mer avansert teknologi i celleproduksjonen, sier han.

Illustrasjon: Jan H. Johansen, SINTEF Media Se nærmere på illustrasjon .pdf Til dette trenger du hjelpe-programmet Acrobat Reader Se nærmere på illustrasjonen .swf (Flash)

I BANE 3: SINTEFS EU-TEAM
For forskningssjef Aud Wærnes ved SINTEF Materialer og kjemi starter kappløpet om solcellematerialene med en telefon fra Sør-Afrika i 1999. Dit har sirkuset rundt Whitbreads «jorda-rundt-seilas» akkurat ankommet. Norges båt, Innovation, sponses av Kværner. Selskapet har et utviklingsprosjekt hos Wærnes og hennes kolleger. Samarbeidet har resultert i en ny prosess for framstilling av ultrareint karbon, såkalt Carbon Black som brukes i bildekkgummi. Idet seilbåtene når Sør-Afrika, møtes to menn som lurer på om materialet kan få nok et bruksområde. Den ene er Kværners «Carbon Black-sjef». Den andre en hollandsk forretningsmann, breddfull av entusiasme både når det gjelder både seiling og fornybar energi. De vet at ferrolegeringsverkene bruker kull og koks som lokkende ekteskapspartner for oksygenet i kvartsen når silisium framstilles i smelteovnene. Sammen blir de to enige om å spørre Wærnes: Kan den ultrareine karbonkilden bli nøkkelen til en ny type smelteverk som vil gi rein nok silisium til solcelleindustrien?
– Vi tok imot ballen umiddelbart, minnes Wærnes, og legger til:
– Mange års forskning hadde gitt oss bred kompetanse innenfor framstilling av metallurgisk silisium. For oss var det kjempespennende å se nærmere på dette. Oppringningen fører til et forprosjekt og påfølgende EU-prosjekter, der SINTEF får med seg et av hollenderens firma, pluss det svenske industriselskapet ScanArc og energiforskere fra Nederland. EU-prosjekt nummer tre pågår nå. Der har også to norske firma blitt med. Prosessen partnerne har utviklet, utnytter den reine karbonkilden (forurenser silisiumet langt mindre enn koks/kull) pluss svært rein kvarts, hentet fra Drag i Nordland. Metallutvinningen skjer ikke i et vanlig smelteverk, men i en spesialtilpasset plasmaprosess (plasma innebærer bruk av elektrisk energi i konsentrert form og gir høy temperatur). Før materialet er klart, går det inn i en ny ovn for fjerning av karbonrester som fortsatt er løst i silisiumet. I dag framstiller EU-teamet silisium i liten pilotskala, mens karbonfjerning fortsatt foregår i stor laboratorieskala. Wærnes medgir at hun er spent foran oppskaleringen av karbonfjerningstrinnet. Som Elkem håper også hun å nå mål med et silisiumprodukt som er vesentlig billigere enn dagens solcelleråstoff og som kan produseres i store kvanta. Ambisjonen er at materialet skal gjøre kommende solceller minst like effektive som dagens. – Det er en utfordrende vei vi har lagt ut på, men vi skal få det til, sier Wærnes.

I BANE 4: GLAD PRISVINNER
En augustdag i år står Børge Brende i et bankbygg i Oslo, sammen med en smilende vitenskapsmann. Fra næringsministerens hånd mottar Jan Reidar Stubergh DnBs Innovasjonspris og blir 250 000 kroner rikere. Førsteamanuensen ved Høgskolen i Oslo får prisen for ei helt ny prosessrute for solcellesilisium. Han vil lage silisium til solceller ved hjelp av prinsippet som gir verden aluminium: elektrolyse. Den største forskjellen er at han kan lage et produkt som er mer lønnsomt enn aluminium, forklarer han de frammøtte journalistene. Ideen er en spinoff av doktorgradsstudiene hans, der Stubergh ser på muligheten for å lage aluminium av norske bergarter. I 1994 patenterer han en tredelt prosess for framstilling av solcellesilisium.

Trinn en: elektrolyse. I et fluoridholdig bad løses kvarts ved 10000C og spaltes i silisium og oksygen. Strøm kjøres gjennom badet, og silisium utfelles på den ene elektroden.

Trinn to: Elektroden løftes ut. Silisiumet knuses til pulver som renses med syre.

Rensetrinn tre skjer ved smeltingen av pulveret/krystalliseringen som gir blokker til utsaging av wafers. Slagg som følger med silisiumet fra elektrolysebadet, spiser fremmedstoffer og separeres ut.

Stubergh har i dag oppskalert sine forsøk til stor laboratorieskala. Underveis har han hentet hjelp hos SINTEF og IFE. Han har også stiftet selskapet Norwegian Silicon Refinery, som nå ønsker seg 50 millioner kroner til et fullskala testanlegg. Fra pulten innerst på sitt lange og smale høgskolekontor i Vika, omgitt av skuffer fulle av norsk stein, formidler Stubergh sine tanker. Han ser den høye prisen på solelektrisitet som en følge av liten råstofftilgang. Og han mener elektrolyse er egnet til å produsere den silisiumtonnasjen som må til for å få prisen ned. – Aluminiumindustrien har prøvd mye rart. Men der har ingen funnet på noe glupere enn elektrolyse på 120 år. Det sier litt, sier Stubergh underfundig.

STRØM OG VARME Energi fra sola kan utnyttes som varme eller omformes til elektrisk energi. I Norge er solenergi-potensialet hovedsakelig knyttet til solvarme som dannes ved hjelp av vann i spesielle solfangere på taket – som på dette bildet fra Oslo. I det globale markedet er solceller mest aktuelt. Siden 1994 har veksten vært på 30 prosent årlig. Et forsiktig anslag fra solcellebransjen er at den årlige økningen vil være rundt 25 prosent de neste ti årene. Foto: Signe Dons, Aftenposten

I BANE 5: SINTEFS ELEKTROLYSEVEI
Noen år etter patentinnvilgelsen får Stubergh kontakt med – og hjelp av – SINTEF-forsker Espen Olsen. Også Olsen har ideer om en elektrolyseprosess for framstilling av solcellesilisium. Olsen får patent på sin metode i 2003.Mens Stubergh bruker et fluoridbasert bad, akkurat som aluminiumindustrien, velger Olsen et kloridbasert bad. – Jeg har foreløpig lagt arbeidet med min prosess på is. Men det betyr ikke at jeg har lagt ballen død for godt, erklærer Olsen.

I MÅLOMRÅDET: FORSKNING PÅGÅR
Foran en rykende kopp te sitter jeg på Espen Olsens kjøkken i Trondheims-bydelen Singsaker og hører ham snakke med glød om solcellematerialers indre. Fysikeren har pappa-permisjon, men snakker like varmt om solceller over kjøkkenbordet som ved kontorpulten på Gløshaugen. Olsen samarbeider nært med Georg Hagen, professor i elektrokjemi og NTNUs største solcelleentusiast. På slutten av 90-tallet tar Hagen initiativ som utløser to forskningsrådsprosjekt med råstoff-fokus og tittelen «Fra sand til solceller». For midler fra forskningsråd og solcelleindustri er de to parhestene nå i sving med en ny type solcelleforskning i grenselandet mellom metallurgi, fysikk og elektro. Et prosjekt til mange millioner der både NTNU, SINTEF og IFE deltar. I fokus står spørsmålet om hvordan forurensninger i silisiummaterialet påvirker solcellenes effektivitet – det vil si hvor mye av solinnstrålingen cellene klarer å omgjøre til strøm. Et spørsmål som ifølge Olsen ikke var særlig påtrengende så lenge solcellebransjen hadde en overflod på vrakmateriale fra elektronikkindustrien å ta av. For alle som skal lage nye solcellematerialer, med ambisjoner om å få ned prisen på solstrøm, blir det ifølge Olsen og Hagen avgjørende å finne svaret på en rekke nye spørsmål. Hvilke forurensninger havner hvor i waferne, alt etter hvordan prosessene utformes? Hvilke forurensninger kan tolereres, og hvilke ikke? – Slike utfordringer innen forskning får du ikke mange ganger i livet, sier Olsen.

PRISEN PÅ SOLSTRØM Prisen avhenger av hvor solrikt det er der solcellepanelet er plassert, kvaliteten på solcellene og økonomiske støtteordninger i landet. I et solrikt land kan prisen på solcellestrøm komme ned i én krone per kwh. Et middels stort solcellepanel i Norge kan produsere strøm til rundt 2,50 kroner hvis solforholdene er optimale. Prisen på solcellestrøm er i dag bare to prosent av prisen i 1970, og det forventes at den fortsetter å synke. Foto: Nina E. Tveter

HVEM STILLER I NESTE OL?
Mens du leser dette, sager solcelleindustriens waferfabrikker ufortrødent sine 0,3 millimeter tynne skiver ut av krystalliserte silisiumblokker. Sagingen er dyr, og «sagmuggen» har til nå representert et materialsvinn. Med dette som bakteppe, har noen allerede snust på «tynnfilmteknologi» som et mulig alternativ til sagingen. – Men tynnfilmteknologien kom ikke til finaleheatet i dette OL, sier Otto Lohne, professor i materialteknologi ved NTNU. Hva med helt andre materialtyper? – Holder vi solceller i verdensrommet utenfor, er det i dag ingen materialer som gjør silisium rangen stridig som det rådende solcellematerialet. Men ingen kan vite hvem som ligger i startblokkene i neste OL, sier Lohne.

EPILOG
I hyttebutikken i Trondheim er det stille og rolig. Den blide ekspeditøren flytter blikket ned fra solcellepanelet igjen. – Tror du kundene dine vet hva solcellene er laget av? – Nei, nei, nei. Ingen spør heller. Æ veit det knapt nok sjøl, æ!

Tekst: Svein Tønseth og Elin Fugelsnes