Kan Japan återta sin solenergi?

Hur Land of the Rising Sun byggde och förlorade sin dominans inom solceller visar hur sårbara förnybara energikällor förblir för förändrad politik och nationell politik. Förbi

• Peter Fairley arkivsida

18 december 2014

Det är 38 °C på Atsumi-halvön sydväst om Tokyo: en dödlig värmebölja har gripit mycket av Japan sent i sommar. Inne på kontoret till ett nybyggt kraftverk som drivs av plastföretaget Mitsui Chemicals spränger AC. Utanför omvandlar 215 000 solpaneler det blåsande solljuset till 50 megawatt el för det lokala nätet. Tre 118 meter höga vindkraftverk som byggts upp på platsen lägger till sex megawatts produktionskapacitet för att backa upp solpanelerna under vintern.

Mitsuis anläggning är bara en av tusentals förnybar kraftinstallationer på gång när Japan konfronterar sin tredje sommar i rad utan användning av kärnreaktorerna som hade levererat nästan 30 procent av dess el. I Japan hänvisar folk till jordbävningen och kärnkraftskatastrofen vid Tokyo Electric Power Companys kärnkraftverk i Fukushima Daiichi den 11 mars 2011 som Three-Eleven. Radioaktiv kontaminering tvingade mer än 100 000 människor att evakuera och skrämde miljoner fler. Det skickade också en chockvåg genom Japans redan bräckliga tillverkningssektor, som är landets näst största arbetsgivare och står för 18 procent av dess ekonomi.

Den här historien var en del av vårt januarinummer 2015

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Elva av Japans 54 kärnreaktorer stängdes av samma dag som jordbävningen. Ett år senare var varje reaktor i Japan ur drift; var och en måste uppgraderas för att möta höjda säkerhetsstandarder och sedan hamna i kö för inspektioner. Under mitt besök i somras var Japan fortfarande utan kärnkraft, och endast aggressiv energibesparing höll lamporna tända. Samtidigt använde landet så mycket mer importerat fossilt bränsle att elpriserna steg med cirka 20 procent för hem och 30 procent för företag, enligt Japans ministerium för ekonomi, handel och industri (METI).

Sanyo Electrics så kallade Solar Ark, byggd 2001 under storhetstiden för landets första solboom, designades för att generera 630 kilowatt kraft, vilket gör den till en av världens största solenergianläggningar. Den har 5 046 solpaneler.

Energikrisen efter Fukushima har dock väckt förhoppningar för landets industri för förnybar energi, särskilt dess solenergiföretag. Som ett av hans sista drag innan han lämnade kontoret sommaren 2011, etablerade premiärminister Naoto Kan potentiellt lukrativa inmatningstariffer för att stimulera installationen av sol, vind och andra former av förnybar energi. Inmatningstariffer fastställer en premienivå för vilken kraftverk måste köpa kraft som genereras från sådana källor.

Regeringens incitament är det som motiverade Mitsui att äntligen använda mark som ursprungligen köptes till en plastfabrik för bilar som aldrig byggdes eftersom biltillverkare flyttade tillverkningsverksamhet utomlands. Webbplatsen hade stått stilla i 21 år innan Mitsui samlade ett konsortium för att hjälpa till att finansiera en investering på 180 miljoner dollar i solpaneler och vindkraftverk. Genom att gå snabbt kvalificerade Mitsui och dess sex partners för 2012 års inmatningstariffer som lovade solenergianläggningar i industriell skala 40 yen (35 cent) per genererad kilowattimme i 20 år. Till det priset, säger Shin Fukuda, den före detta kärnkraftsingenjören som driver Mitsuis energi- och miljöverksamhet, borde konsortiet tjäna tillbaka sin investering på 10 år och samla in betydande vinster från den förnybara anläggningen under minst ett decennium till.

Över en natt har Japan blivit världens hetaste solenergimarknad: på mindre än två år efter att Fukushima smälte ner mer än fördubblade landet sin solgenererande kapacitet. Enligt METI installerade utvecklare nästan 10 gigawatt förnybar produktionskapacitet fram till slutet av april 2014, inklusive 9,6 gigawatt solceller. (Kärnreaktorerna vid Fukushima Daiichi hade en kapacitet på 4,7 gigawatt; totalt sett har landet cirka 290 gigawatt installerad elproduktionskapacitet.) Tre fjärdedelar av den nya solenergikapaciteten fanns i storskaliga installationer som Mitsui.

Ändå markerar denna explosion av solkapacitet en bitterljuv triumf för Japans tillverkare av solpaneler, som ledde designen av solceller på 1980-talet och lanserade den globala solcellsindustrin på 1990-talet. Bitter eftersom de flesta av de miljontals paneler som installeras är import som görs utanför landet. Till och med vissa japanska tillverkare, inklusive den tidiga marknadsledaren Sharp, har börjat köpa paneler tillverkade utomlands och sälja dem i Japan.

Hur Japan – en gång världens mest avancerade halvledarproducent och en pionjär i att använda den tekniken för att tillverka solceller – gav bort sin solcellsindustri är en historia om nationell osäkerhet, monopolmakt och pengadriven politik. Det är också en berättelse med viktiga lärdomar för dem som tror att styrkan i förnybar teknik kommer att ge tillräckliga incitament för länder att förändra sina energivanor.

I Japan ignorerades under större delen av 2000-talet imponerande framsteg inom fotovoltaik eftersom landets kraftfulla kraftverk använt sina politiska muskler för att gynna kärnkraft. Och trots ökande konsumentefterfrågan på solenergi och starkt allmänt förakt för kärnkraft, kan samma sak hända igen. Kommer ett land med få fossilbränsleresurser och dystra minnen från Fukushima-katastrofen att dra nytta av sin tekniska expertis för att återta sin position som en ledande tillverkare av solceller, eller kommer det att vända sig från förnybar energi igen?

Rik

Längre än tre fotbollsplaner och över 37 meter hög, är Solarken tydligt synlig från Tokkaido Shinkansen när kultåget korsar centrala Japan. Strukturen, täckt med solcellspaneler, ser ut som ett tempel av energi från en annan tid – en tid då Japan ägde solenergiindustrin. Sanyo reste arken 2001 och placerade på den 5 046 solpaneler som kan generera 630 kilowatt föroreningsfri el.

Eran som gav upphov till denna bedrift började med energikriserna på 1970-talet, när de höga globala petroleumpriserna slog ned Japans exportdrivna tillverkningsekonomi. Landet utnyttjade sin dominans i produktionen av elektroniska halvledarchips för att söka alternativ för renare, säkrare kraft inom solceller. Och till skillnad från andra länder, som USA, höll det fast vid de resulterande solenergiutvecklingsprogrammen även när oljepriserna sjönk på 1980-talet. Mellan 1985 och 2007 ansökte japanska forskare om mer än dubbelt så många patent inom solenergi som konkurrerande amerikanska och europeiska uppfinnare tillsammans. Företag som Sharp, Sanyo Electric, Panasonic och Kyocera blev de tydliga ledarna inom solteknik. Japanska producenter började öka försäljningen och solenergiinstallationer på 1990-talet. År 2001 var den totala solenergiproduktionen i Japan 500 gånger högre än den hade varit ett decennium tidigare – ett decennium då amerikansk solelproduktion ökade med ynka 15 procent.

En bild från japansk TV fångar rök som stiger efter en väteexplosion vid Fukushima Daiichis enhet 3 den 14 mars 2011, dagar efter den första jordbävningen. Efter Fukushima-katastrofen stängdes alla landets kärnreaktorer.

Sedan stannade det hela för ett decennium sedan när landet satsade sin framtid på kärnkraft.

Regeringens kärnkraftsplaner var ambitiösa: när Fukushima Daiichi smälte ner skulle de kräva ytterligare 14 reaktorer till 2030, vilket nästan skulle ha fördubblat kärnkraftsproduktionen till att stå för 50 procent av Japans energiförsörjning. Samtidigt minskade solcellsförsäljningen i Japan under mitten av 2000-talet, och 2007 hade japanska tillverkare överlåtit globalt marknadsledarskap till amerikanska, kinesiska och europeiska tillverkare. På bara några år hade landet gått från branschledare till att ha varit.

Det som vände Japan bort från solen var en skadlig blandning av uppfattning, kultur och politik. Kärnkraften hade en aura av styrka, medan energi baserad på intermittenta förnybara kraftkällor såg svag och opålitlig ut – ett intryck som uppmuntrades av landets politiskt mäktiga kraftverk. Även om Japan har många platser som är idealiska för vind- och solenergi, övertygade kraftbolagen allmänheten om att energivalen var begränsade. Vi är verkligen av den inställningen att vi saknar resurser och att Japan måste vara beroende av importerat bränsle, säger Mika Ohbayashi, chef för Tokyo-baserade Japan Renewable Energy Foundation.

Det som vände Japan bort från solen var en skadlig blandning av uppfattning, kultur och politik.

Verksamhetens syn var färgad av egenintresse. Japans 10 verktyg var (och förblir) vertikala monopol. Var och en kontrollerar kraftproduktion, överföring och distribution i sin respektive region, och dess nät är designade för att leverera el från centraliserade kraftverk – inklusive stora kärnreaktorer. De saknar, genom design, de sammankopplingar som underlättar säker användning av variabel kraftproduktion. I de flesta industriländer har regeringar brutit upp monopolen på kraftmarknaderna och befriat operatörer av transmissionsnät att bygga dessa sammankopplingar, men Japans elbolag har motverkat avregleringstrenden. Sammankopplingsproblemet förvärras ytterligare av en artefakt: två AC-frekvenser som delar landets elsystem på mitten. Östra Japan arbetar med 50 hertz, medan västra Japan använder 60-hertz kraft – en barriär som visade sig förlamande 2011, i omedelbara efterdyningarna av Fukushima-katastrofen, när ett plötsligt undermakt Tokyo kunde få tillgång till lite av Osakas överskottskraft.

På frågan varför Japan valde att inte driva solkraft aggressivt när det dominerade den globala industrin, berättade förre premiärministern Kan att han helt och hållet lägger skulden på landets kraftverk: Anledningen är mycket tydlig. Elkraftbolagen, människorna som ville främja kärnkraften, var emot.

Väckelse

I en underavdelning som sprider sig över återvunnen mark i bukten i Ashiya, en stad mellan Osaka och Kobe, håller en bostadsutveckling på 400 enheter som heter Smart City Shio-Ashiya (Salty-Ashiya) att ta form, idén från Panasonics dotterbolag PanaHome. En söndag i juli pumpar solpaneler ovanpå vart och ett av de 50 hus som byggts hittills överskottskraft till det lokala nätet, och PanaHome-säljare säljer ett par med småbarn på husens energifördelar och jordbävningsmotstånd.

Shio-Ashiyas tvåvåningshus inkluderar geotermisk uppvärmning och kylning och andra gröna designfunktioner för att minimera strömförbrukningen, medan de högeffektiva solpanelerna på taket maximerar energiproduktionen. Överskottskraften borde, enligt PanaHome-försäljaren Saho Watanabe, tjäna invånarna ungefär 100 000 yen ($825) varje år. Watanabe framhåller en annan funktion, som borde vara ovärderlig när rutnätet går ner - till exempel i en jordbävning eller tyfon. Hon öppnar ett skåp i matsalen i ett modellhus för att avslöja ett litiumbatteri som, med ett energiledningssystem nära köket, kan driva familjens AC/värmepumpar, belysning på första våningen och kylskåp i cirka två dagar.

Panasonics solenergiförhoppningar vilar på en teknologi som uppfanns av forskare vid Sanyo på 1990-talet och förvärvades av Panasonic för fyra år sedan när företagen slogs samman. Solcellerna kombinerar konventionell kristallint kisel och tunnfilmsteknik för amorft kisel för att uppnå relativt hög effektivitet när det gäller att omvandla solljus till elektricitet. Kallad HIT, för heterojunction med inneboende tunt lager, har hybridteknologin blivit en stöttepelare i företagets solenergistrategi.

Shingo Okamoto, en materialvetare som tillbringade sin karriär på Sanyo Electric innan han blev chef för solenergi FoU för Panasonics affärsgrupp EcoSolutions, säger att panelerna tjänar premiumpriser i inhemsk försäljning eftersom de producerar mycket mer el från ett givet tak än de billigare polykristallina panelerna som dominerar marknaden. Om man antar att varje hushåll förbrukar el med det japanska genomsnittet på 1 400 kilowattimmar per år under dagsljus, säger han, kommer ett hushåll med Panasonic-systemet att ha 52 procent mer överskottskraft för att återgå till elnätet än ett hem med ett vanligt solsystem .

Bostadskraft i Japan är dyr – med 24,33 yen (20 cent) per kilowattimme 2013 var det nästan dubbelt så mycket som genomsnittet i USA. Och med tanke på att elpriserna säkerligen kommer att fortsätta stiga, säger Okamoto, kommer de mest effektiva solcellssystemen på taket att ha en stark fördel. När vi träffades i juli på Panasonics Shiga-anläggning, öster om Kyoto, hade anläggningen precis börjat leverera sin senaste och mest kraftfulla paneldesign. Framstegen bakom panelen, som använder celler med en effektivitet på 22,5 procent, inkluderar en ljusspridande film på baksidan för att förbättra ljusabsorptionen. Monteringslinjerna var igång 24 timmar om dygnet för att hålla jämna steg med den inhemska efterfrågan.

Ytterligare framsteg är på gång. I april producerade Okamotos grupp en kiselsolcell som nådde 25,6 procents effektivitet, vilket slog ett 15 år gammalt världsrekord på 25,0 procent. Även om rekordet sattes i labbet med en prototypenhet, förutspår Okamoto att gruppen i slutändan kommer att kunna producera kommersiella celler vars effektivitet ligger inom några procentenheter av kristallint kisels teoretiska gräns, 29 procent.

Repowering

Tvärs över kustbergen från de krossade reaktorerna vid Fukushima Daiichi och det förorenade landskapet de skapade, rustas en av världens mest avancerade anläggningar för FoU på förnybar energi. Komplexet på 100 miljoner dollar öppnade i april i Koriyama, Fukushima Prefectures kommersiella centrum, och samlar tidigare olika forskning från Japans vetenskaps- och teknikbyråer. Institutet är inte här av en slump. Det är ett uttryckligt engagemang för den känslomässigt och ekonomiskt ödelade regionen.

Den grönskande prefekturen norr om Tokyo är fortfarande avfolkad efter jordbävningen, tsunamin och härdsmältan i mars 2011. Många av de över 100 000 invånarna som blivit hemlösa av katastroferna kommer aldrig att återvända. Det är inte lätt att ersätta förlorade invånare och företag i ett område känt för radioaktiv kontaminering. Soldrivna radioaktivitetsmonitorer i Koriyama visar att luften är säker, men 100 kilometer österut kämpar Tokyo Electric Power Company (TEPCO) fortfarande för att förhindra att föroreningar förorenar både grundvattnet och havet.

FoU-anläggningen i Koriyama har toppmoderna laboratorier för att kristallisera, skiva och mönstra kiselwafers, och dess produktionslinje kan köra ut upp till 360 wafers i timmen. Utanför testas en mängd olika solceller, tillsammans med ett blygsamt stort vindkraftverk och ett stort nätanslutet batteri. Dess mest ambitiösa program regisseras av Makoto Konagai, en av Japans mest hyllade solforskare, som har flyttat till Koriyama från Tokyo Institute of Technology. Hans mål är att slå igenom den teoretiska effektivitetsgränsen för kiselceller, och visa en andel på 30 procent till 2016 och upp till 40 procent till 2021. Det är en ambitiös plan, men tre stora tillverkare, inklusive Panasonic, har skrivit på.

Medan vissa andra forskare söker effektivare alternativ till kisel, som står för 90 procent av den nuvarande solproduktionen, försöker Konagai att designa om kiselcellen från topp till botten. Ett av hans team utvecklar till exempel en gjutmetod för att producera kiselgöt av högre kvalitet. Ett annat team omprövar hur halvledarstrukturer mönstras för att förvandla kiselskivor till celler: Konagais plan är att etsa eller bygga vertikala strukturer bara några nanometer tvärs över, nästan 100 000 gånger smalare än själva kiselskivan. Om hans simuleringar är bra, kommer de resulterande nanotrådarna eller nanoväggarna att förändra det elektriska beteendet hos kislet inuti, vilket ökar dess potential att absorbera ljus och samla elektrisk laddning.

I juni 2011 förklarade Fukushimas tidigare kärnkraftsguvernör, Yuhei Sato, att Fukushima borde fästa sin framtid på förnybar energi. Samhällsaktivister initierade dussintals projekt över hela prefekturen, och 2012 satte man upp ett mål att öka förnybar energi från 22 procent till 100 procent av sin elförsörjning till 2040.

Arbetare såg i oktober när en kran lyfte en del av ett strålningshölje som hade placerats över en reaktor i Fukushima efter jordbävningen. Genom att lyfta locket exponerades skräpet inuti den förstörda byggnaden för första gången sedan 2011.

Den kalla verkligheten i Japans energiproblem är dock att sådana djärva ambitioner sannolikt kommer att misslyckas. Den typ av solexpansion som kan förväntas från enbart inmatningstullar kommer sannolikt inte att uppfylla prefekturens mål – eller ens att ersätta den kraft som Japans kärnkraftsflotta en gång levererade. Och politiska och ekonomiska krafter verkar inte gynna politik som skulle utöka förnybar energi mer dramatiskt.

Prognoser från Japan Photovoltaic Energy Association, en Tokyo-baserad handelsgrupp, tyder på att årliga solcellsinstallationer kommer att nå sin topp i år bara med sju gigawatt. Gruppen förutspår att den totala installerade solenergikapaciteten i Japan kommer att nå 102 gigawatt år 2030, vilket skulle vara tillräckligt för att tillgodose endast en liten del av landets elbehov. Måttlig utbyggnad av vindkraft skulle ge lite extra el. Men Japan behöver mycket mer. Medan japanska konsumenter och industri har minskat efterfrågan på el sedan 2011, täckte kraftverk det mesta av kärnkraftsbristen genom att öka förbränningen av importerad naturgas, petroleum och kol. Fossila bränslen stod för cirka 89 procent av Japans elproduktion 2012. Som ett resultat var dess totala utsläpp av växthusgaser 7 procent högre det året än 2010.

Utsikterna för förnybar kraft kan bli sämre. För att skydda sig mot möjligheten att de inte kan starta om kärnkraftsreaktorer, bygger kraftverk en ny generation av koleldade kraftverk. Enligt Ohbayashis räkning är cirka 13 gigawatt ny koleldad kraftproduktion nu under utveckling.

Samtidigt hotar de relativt höga kostnaderna för Japans solenergi att framkalla en motreaktion mot förnybar energi, uppmuntrad av kärnkraftsföretagen. Det råder ingen tvekan om att med dagens solceller är elproduktion dyrt, säger Okamoto och uttrycker sin personliga synpunkt snarare än Panasonics. Han fruktar negativa reaktioner från skattebetalarna, vars stigande elräkningar betalar tarifferna som finansierar solcellssystem på hustak och vid kraftverk som Mitsui Chemicals: Om vi ​​fortsätter att expandera vår verksamhet med nuvarande kostnadsnivå kan vi ha invändningar.

Dessutom verkar den gamla politiken som gynnar kärnkraft vara på väg tillbaka. Även om opinionsundersökningar konsekvent visar att en majoritet av japanerna motsätter sig att återstarta kraftbolagens tomgångsreaktorer, lovar premiärminister Shinzo Abe att starta om de som bedöms vara säkra av Japans kärnkraftsmyndighet. I juli utfärdade byrån den första sådan certifieringen, till ett par reaktorer på den södra ön Kyushu – även om nödcentraler utanför platsen som beordrats efter Fukushima ännu inte har slutförts och reaktorerna är farligt nära en aktiv vulkan. Jodpiller distribuerades snabbt till reaktorernas grannar, och den prejudikatskapande omstarten väntas snart, efter att ha fått grönt ljus från den lokala guvernören och anläggningens värdstad, Satsumasendai, vars ekonomi är lamslagen utan jobb, skattepengar och verksamhet som anläggningen tillhandahåller.

Samtidigt försenar kraftverk nätanslutningar till förnybar utveckling eller tar ut avgifter för uppgradering av nät som gör förnybara projekt omöjliga. Anslaget slår hårdast mot vindkraften. Japans magra marknad för vindkraftverk har faktiskt saktade ned sedan Fukushima.

I somras startade METI en kommitté för att hantera implementeringen av nya energipolicyer. Ett ämne: de senaste ansträngningarna från företag och regeringen för att begränsa ytterligare solenergiinstallationer. Ohbayashi säger att METI backar för att den missbedömde den kommersiella potentialen för förnybara energikällor och deras potentiella inverkan på verktygen. Säger Ohbayashi, De förutsåg inte den explosiva tillväxten av solceller.

Den japanska regeringen har planer på att radikalt se över landets balkaniserade grossistmarknad och elnät, för att förbereda en framtid där producenter konkurrerar om rätten att leverera kraft. I det scenariot skulle förnybar energi kunna frodas.

Det mest kritiska steget är dock fortfarande år borta: att tvinga de vertikalt integrerade verktygen att dela upp sina kraftgenererings- och överföringsverksamheter. Uppdelning är avgörande för att skapa lika villkor för producenter och ett system som är optimerat för att leverera den billigaste och renaste kraften som finns tillgänglig i realtid.

Att bygga om nätet för att ta emot massiva flöden av förnybar energi som vind och sol är en potentiellt dyr väg för Japan. Det är dock inte nödvändigtvis dyrare än vägen tillbaka till kärnkraften som den nuvarande regeringen och kraftbolagen kartlägger. Att ta in kostnaden för försäkring mot olyckor och uppgraderingar för att förhindra dem skulle kunna fördubbla kostnaden för kärnenergi.

Som tidigare premiärminister Naoto Kan berättade för mig, har katastrofen vid Fukushima Daiichi för alltid förändrat kärnkraftens ekonomi. Tidigare sades kärnkraften kunna leverera kraft till en mycket billig kostnad, men vi vet nu att det inte stämmer, sa han. Den beräkningen antog att inga olyckor kunde inträffa. Nu vet vi att de kan.

Peter Fairley är en medverkande redaktör för MIT Technology Review.

Dölj