Modlitwa o cud energetyczny

Przełom firmy jest całkowicie niedostępny dla osób z zewnątrz. Prace nad technologią trwają w niewidocznej części rozległego parterowego budynku, poza warsztatem maszynowym, różnymi przyrządami testowymi i produkcyjnymi, dużą otwartą przestrzenią biurową wypełnioną boksami. Zamiast tego odwiedzający widzi cienki wafelek krzemu, który byłby znany każdemu w branży energii słonecznej. I o to właśnie chodzi. Postęp firmy polega na zmniejszeniu kosztów produkcji konwencjonalnych ogniw słonecznych.

Zbawiciel krzemu: Emanuel Sachs, założyciel słonecznego startupu 1366, wynalazł tańszy sposób na przekształcenie kawałków krzemu w cienkie płytki używane w ogniwach fotowoltaicznych.

W sali konferencyjnej znajduje się duży wykres przedstawiający spadające koszty energii elektrycznej produkowanej przez panele słoneczne w ciągu ostatnich trzech dekad. Lekko wyboista, opadająca w dół linia zbliża się do szerokiego poziomego pokosu oznaczonego jako parytet sieci — etap, na którym energia elektryczna wytwarzana przy użyciu energii słonecznej będzie tak tania, jak energia wytwarzana z paliw kopalnych. Jest to ziemia obiecana dla energii odnawialnej, a firma 1366 Technologies wierzy, że jej udoskonalenia w technikach produkcyjnych mogą pomóc w dotarciu do tego celu energii słonecznej.

Ta historia była częścią naszego wydania z marca 2011 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

To ambitny cel: chociaż krzemowe ogniwa fotowoltaiczne, które przetwarzają światło słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną, od lat spadają w cenie, nadal są zbyt drogie, aby konkurować z paliwami kopalnymi. W rezultacie energia słoneczna stanowi znacznie mniej niż 1 procent produkcji energii elektrycznej w USA. Założyciel firmy z 1366 r., Emanuel Sachs, który jest dyrektorem ds. technologii i profesorem inżynierii mechanicznej MIT, mówi, że chociaż energia słoneczna może znajdować się w uderzającej odległości od gazu ziemnego, istniejąca technologia słoneczna nie będzie w stanie konkurować z węglem. Zastąpienie węgla wymaga innego poziomu redukcji kosztów, mówi Sachs. W tym miejscu wkracza przełom 1366. Firma opracowuje sposób na wytwarzanie cienkich arkuszy krzemu bez wycinania ich z solidnych kawałków elementu, co jest kosztownym obowiązkiem. – Jedyny sposób, aby fotowoltaika mogła konkurować z węglem, to technologie takie jak nasza – mówi.

Kiedy fotowoltaika może konkurować z węglem ceną, świat bardzo się zmienia – mówi Frank van Mierlo, dyrektor generalny firmy. Energia słoneczna stanie się realną częścią naszego zaopatrzenia w energię. Możemy wtedy generować znaczną część naszej energii ze słońca.

Pod wieloma względami 1366 (nazwa odnosi się do średniej liczby watów energii słonecznej, która trafia na każdy metr kwadratowy Ziemi w ciągu roku) odzwierciedla ambicje całej generacji startupów energetycznych. Firmy te często odwołują się do technologii zmieniających zasady gry, które na nowo zdefiniują ekonomikę źródeł energii pochodzących z paliw innych niż kopalne. Wiele z nich powstało w ciągu ostatniej dekady, podczas boomu w finansowaniu kapitału wysokiego ryzyka dla czystych technologii — nie tylko w dziedzinie energii słonecznej, ale także wiatrowej, biopaliw i baterii. Od czasu objęcia urzędu przez prezydenta Obamę wielu skorzystało ze zwiększenia federalnego wsparcia badań nad energią. Chociaż firmy pracują nad różnymi technologiami, mają wspólną strategię biznesową: aby czyste źródła energii były wystarczająco tanie, bez żadnych dotacji rządowych, aby konkurować z paliwami kopalnymi. W tym momencie kapitalizm wskoczy na wyższy bieg, a inwestorzy pospieszą z budową nowej infrastruktury energetycznej i wypierają paliwa kopalne – a przynajmniej tak się mówi.

Problem polega jednak na tym, że prawdopodobnie nie dzieli nas tylko kilka przełomów od wdrażania tańszych, czystszych źródeł energii na masową skalę. Chociaż niewielu kwestionuje wartość rozwoju nowych technologii energetycznych, ich zwiększanie będzie tak trudne i kosztowne, że wielu ekspertów politycznych twierdzi, że same takie postępy, bez pomocy ciągłych dotacji rządowych i innych zachęt, będą miały niewielki wpływ na nasz koszyk energetyczny. Niezależnie od postępu technologicznego, eksperci ci są sceptyczni, że odnawialne źródła energii są bliskie osiągnięcia parytetu sieci lub że baterie są bliskie możliwości konkurowania pojazdu elektrycznego z samochodami na gaz pod względem ceny i zasięgu.

W przypadku odnawialnych źródeł energii zależy to od tego, jak zdefiniujesz parytet sieci i czy uwzględnisz koszty systemów magazynowania i zasilania rezerwowego, które stają się konieczne w przypadku przerywanych źródeł energii, takich jak energia słoneczna i wiatrowa. David Victor, dyrektor Laboratorium Prawa Międzynarodowego i Regulacji na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego, mówi, że jeśli zdefiniujesz parytet sieci jako dostarczanie energii elektrycznej, kiedy tylko chcesz, w dowolnych ilościach, to dzisiejsze nowe źródła odnawialne nie są nawet blisko . Dodaje, że jeśli nowe technologie energetyczne mają się rozrosnąć na tyle, aby zmniejszyć emisję dwutlenku węgla, to właśnie ta definicja ma znaczenie.

Pole luster

Niewielu ludzi ma większą wiarę w moc technologii, która zmienia świat niż Bill Gross. Niewielu przedsiębiorców jest tak dobrze zaznajomionych z trudnością przekształcenia sprytnych pomysłów w technologię komercyjną. W erze dot-comów on i jego firma Idealab, inkubator, który tworzy i prowadzi nowe firmy, założyli kilka najgorętszych firm tamtych czasów, tylko po to, by zmagać się z pęknięciem bańki.

Gross uczepił się szaleństwa czystych technologii, zakładając w 2007 r. firmę o nazwie eSolar, która zajmuje się technologią solarno-termalną (patrz pytania i odpowiedzi, marzec/kwiecień 2010) . Obecnie projekty internetowe, informatyka społecznościowa i energetyka przeplatają się w ciasnych biurach Idealab w centrum Pasadeny w Kalifornii. Zgodnie ze swoim dziedzictwem z epoki dot-comów, biura zajmują dużą loftową przestrzeń, pełną różnych firm lub firm, które mają się stać, niektóre z nich składają się z zaledwie kilku biurek zdominowanych przez duże ekrany komputerowe. Gdzieś w całym szczotkowanym metalu, odsłoniętych systemach wentylacyjnych, oświetleniu szynowym i designerskich krzesłach biurkowych znajduje się biuro Billa Grossa, mała przeszklona kabina.

Jak prawie każdy inny założyciel startupu zajmującego się energią odnawialną, Gross odnosi się do liczb. Przyciągając ekran porównujący koszty energii z różnych źródeł, wskazuje, w jaki sposób technologia rozwijana przez eSolar może obniżyć koszt energii słonecznej i pomóc jej stać się konkurencyjną w stosunku do paliw kopalnych. Elektrownie słoneczne wytwarzają energię elektryczną za pomocą ogromnego pola luster, które skupiają światło słoneczne na wysokiej centralnej wieży, gdzie podgrzewana jest woda, aby wytworzyć parę wytwarzającą energię elektryczną. Duże elektrownie wykorzystujące tę technologię mogą wytwarzać energię elektryczną taniej niż te wykorzystujące krzemowe panele słoneczne, chociaż podejście termiczne jest nadal droższe niż energia pochodząca z węgla czy nawet wiatru. Na świecie działa kilka takich zakładów, a kolejne są w budowie (patrz W pogoni za słońcem, lipiec/sierpień 2009) . W 2006 roku, kiedy gigant kalifornijski PG&E złożył ofertę na 300-megawatową elektrownię słoneczną (obecnie budowaną przez firmę BrightSource), Gross był podekscytowany i zaczął pracować ze swoimi pracownikami nad poprawą ekonomii.

Nic dziwnego, że rozwiązanie Grossa opiera się na oprogramowaniu. Budowa dużych elektrowni słonecznych kosztowała ponad miliard dolarów, a jednym z powodów wysokich kosztów jest to, że dziesiątki tysięcy specjalnie wyprodukowanych luster muszą być precyzyjnie rozmieszczone, aby prawidłowo skupiały światło słoneczne. Ale co by było, gdybyś użył zwykłych luster na prostym metalowym stojaku, a następnie użył oprogramowania do ich kalibracji, dostosowując każde z nich, aby zoptymalizować jego położenie względem słońca i centralnej wieży? Manipulacja wszystkimi lustrami w elektrowni na skalę użytkową wymagałaby ogromnych ilości mocy obliczeniowej, ale moc obliczeniowa jest tania — znacznie tańsza niż płacenie inżynierom i technikom za ręczne żmudne ustawianie zwierciadeł. Według Grossa potencjalne oszczędności są imponujące; mówi, że eSolar może zainstalować pole luster za połowę tego, co kosztuje w innych słonecznych instalacjach cieplnych. W rezultacie spodziewa się produkować energię elektryczną za około 11 centów za kilowatogodzinę, co jest kusząco zbliżone do ceny energii z elektrowni na paliwa kopalne.

Jednak to nie wystarczy – przynajmniej w Stanach Zjednoczonych, gdzie elektrownie na gaz ziemny mogą wytwarzać energię za około 6 centów za kilowatogodzinę. W Lancaster w Kalifornii, na skraju pustyni Mojave, eSolar zbudował obiekt z 24 000 luster; jest w stanie wyprodukować pięć megawatów mocy. Ale eSolar nie otrzymał żadnych nowych umów na budowę projektów na skalę użytkową w oparciu o technologię firmy w Stanach Zjednoczonych. Zamiast tego prowadzi działalność w częściach świata, w których ceny energii elektrycznej są wyższe lub dotacje na energię odnawialną są większe; buduje 2,5-megawatową fabrykę w Indiach i podpisała umowę na duży obiekt w Chinach. Problem w Stanach Zjednoczonych jest ten sam, z którym borykają się wszystkie marzenia o alternatywnych źródłach energii: koszty. Ceny gazu ziemnego spadły do ​​historycznie niskich poziomów, co oznacza, że ​​energia słoneczna musi stać się jeszcze tańsza, aby konkurować. Gross przyznaje, że aby mieć szansę w Stanach Zjednoczonych, eSolar potrzebuje prądu, który kosztuje nie więcej niż 7,5 centa za kilowatogodzinę.

Dotarcie tam będzie wymagało kolejnego postępu technologicznego. Jedną z wad energii słonecznej jest to, że wytwarza ona energię elektryczną tylko przez część dnia. Panele fotowoltaiczne skutecznie wytwarzają energię przez około pięć i pół godziny dziennie, kiedy słońce znajduje się najbardziej bezpośrednio nad głową. Systemy solarne mogą działać nieco dłużej, ponieważ podgrzana woda może napędzać turbiny do późnych godzin popołudniowych; Technologia eSolar zapewnia energię przez około siedem godzin dziennie bez przechowywania. A Gross mówi, że użycie stopionych soli zamiast wody do transportu ciepła z centralnej wieży do generatora pary umożliwi elektrowniom słonecznym magazynowanie ciepła znacznie dłużej i wytwarzanie energii elektrycznej nawet przez 16 godzin dziennie. To obniży koszt energii elektrycznej do docelowych 7,5 centa za kilowatogodzinę. Przewiduje, że eSolar będzie miał w przyszłym roku komercyjną fabrykę z projektem stopionej soli.

Jeśli bramki wciąż przesuwają się poza zasięg nowych technologii energetycznych, Gross nie wydaje się być speszony. W końcu, mówi, technologia eSolar nie będzie potrzebowała dotacji, aby konkurować z gazem ziemnym, a niebo będzie limitem. Solar idealnie nadaje się na ogromny połać planety, mówi, radośnie pokazując mapę świata z dużym pasem wokół środka w kolorze czerwonym i ciemnopomarańczowym, wskazującym na wysoki poziom promieniowania słonecznego. Nawet w tym kraju, Gross twierdzi z przekonaniem, że energia słoneczna będzie stanowić połowę całej produkcji energii elektrycznej do 2050 roku – z co najmniej 50% energii wytwarzanej przez słoneczne elektrownie cieplne.

Brak błędów

Podczas gdy Bill Gross próbuje wycisnąć kilka krytycznych groszy z kosztów energii słonecznej, naukowcy z Caltech, kilka mil dalej, pracują nad innym rozwiązaniem. Próbują wymyślić całkowicie nowy sposób wytwarzania paliw płynnych bezpośrednio ze światła słonecznego, zainspirowany sposobem, w jaki zielone rośliny przekształcają światło słoneczne w cukry. Jeśli to dążenie do sztucznej fotosyntezy się powiedzie, rozwiąże jedno z podstawowych wyzwań energii słonecznej: jak przechowywać energię, dopóki nie będzie potrzebna. Potencjał tej wizji wydaje się ożywiać dyrektora przedsięwzięcia, Nate'a Lewisa. Od czasu do czasu przemawia w wypunktowaniach, przerywanych mieszanką podniecenia i niecierpliwości. Żadnych podsłuchów, żadnych przewodów, mówi. Bez błędów, bez przewodów. Mam na myśli to, co mówię: żadnych przewodów. Liście nie mają drutów. Wchodzi światło słoneczne, woda i CO2, a wychodzą paliwa.

Solarny miraż? Obiekt demonstracyjny eSolar w Lancaster w Kalifornii wykorzystuje 24 000 luster i może wyprodukować pięć megawatów energii elektrycznej. Ale eSolar nie ma żadnych amerykańskich umów na podobne elektrownie.

Te badania – wspólny projekt Caltech i Lawrence Berkeley National Lab – będą wspierane kwotą 122 milionów dolarów w ciągu pięciu lat z Departamentu Energii USA, do czasu przydzielenia funduszy przez Kongres. Mamy kawałki. Wytwarzanie paliw ze światła słonecznego za pomocą chemii fotoelektrycznej działa, mówi Lewis, profesor chemii w Caltech. Ale praktyczne urządzenie musi być tanie, wydajne i wytrzymałe. W tej chwili mogę dać ci dowolne dwa z trzech jednocześnie, mówi. Naszym celem są wszystkie trzy. Na przeszkodzie stoją podstawowe problemy naukowe. Wśród nich: naukowcy muszą znaleźć opłacalne katalizatory reakcji chemicznych, które rozkładają wodę na tlen i wodór.

Po 100 latach badań można policzyć z jednej strony klasy związków, które są dobrymi katalizatorami utleniania wody, mówi Lewis; nie mamy kolejnych stu lat na znalezienie lepszych. Wykorzystując wysokowydajne metody eksperymentalne i zautomatyzowane techniki coraz częściej stosowane w odkrywaniu leków, centrum będzie przeszukiwać milion związków dziennie pod kątem aktywności katalitycznej. W ciągu jednego dnia ocenimy, odkryjemy i określimy ilościowo aktywność większej liczby katalizatorów, niż zostało to zbiorczo udokumentowane w historii, mówi.

Tymczasem zespół projektantów systemów i ekspertów sprzętowych rozpocznie projektowanie i budowę prototypowych urządzeń. Ich zadaniem jest budowanie prototypów od pierwszego dnia, mówi Lewis. Spodziewamy się, że będziemy mieć [prototypy] w ciągu pierwszych dwóch lub trzech lat. Mówi, że te pierwsze prototypy prawie całkowicie zawiodą, ale to jedyny sposób na dotarcie do praktycznego systemu: nie wiemy, jak powinien wyglądać. Skąd wypływa woda? Gdzie wpada światło słoneczne? Jeśli nie zbudujesz rzeczy, nie możesz jej zbudować.

Wyzwanie polegające na znalezieniu tańszej i czystszej energii jest często porównywane do wyścigu o umieszczenie człowieka na Księżycu. Ale jest co najmniej jedna kluczowa różnica: sukces w wydobyciu ludzi w kosmos nie był oceniany na podstawie jego kosztów. Niezależnie od tego, jak sprytna może być technologia Lewisa, nie rozwiąże problemu, jeśli nie może służyć jako podstawa zrównoważonego biznesu. Nie lecimy NASA na Księżyc, mówi Lewis. Jeśli nie możesz konkurować kosztami, ostatecznie nie warto tego robić. I dodaje, biorąc pod uwagę zmienne ceny ropy, musisz mieć coś, co wygląda na naprawdę destrukcyjne pod względem kosztów: jeśli jesteś blisko, to nie jest dobre dla nikogo.

Świat oszczędności

W ostatniej dekadzie wielu amerykańskich ekspertów ds. energii i ekonomistów twierdziło, że rząd musi ustalić cenę za emisję dwutlenku węgla. Mówią, że cena emisji dwutlenku węgla – w formie podatku lub systemu limitów i handlu – byłaby ekonomicznie efektywnym i technologicznie sprawiedliwym sposobem ograniczenia naszego zużycia paliw kopalnych. Podniosłoby to koszt energii pochodzącej z tych paliw, pozwalając czystszym technologiom rzucić im wyzwanie na rynku bez konieczności wspierania przez rząd konkretnych wyborów. Unia Europejska wdrożyła system limitów i handlu w 2005 r., ale Stany Zjednoczone – do niedawna największy na świecie użytkownik energii i prawdopodobnie nadal wiodący ośrodek innowacji energetycznych – nie zrobiły tego.

To skłoniło ekspertów ds. polityki energetycznej do debaty, jak iść dalej – zwłaszcza teraz, gdy dotacje i inne korzyści dla czystej energii zawarte w federalnej ustawie stymulacyjnej z 2009 r. wygasają. Niektórzy widzą możliwość skupienia się na wymyślaniu nowych sposobów, aby czysta energia była tańsza niż paliwa kopalne. Twierdzą, że taka innowacja jest jedynym sposobem na osiągnięcie ogromnego ograniczenia zużycia paliw kopalnych. Założyciel Microsoft, Bill Gates, jest jednym z inwestorów, którzy mają nadzieję na stymulowanie takich cudów energetycznych (patrz pytania i odpowiedzi, wrzesień/październik 2010) .

Krytycy tego poglądu uważają jednak, że ważniejsze jest jak najszybsze skupienie się na zwiększeniu wykorzystania czystych technologii energetycznych poprzez dotacje rządowe i inne zachęty. Niebezpiecznie jest wierzyć, że wszystkie te niesamowite technologie pojawią się i rozwiążą problem, mówi Joseph Romm, starszy pracownik Center for American Progress, think tanku z siedzibą w Waszyngtonie. Prawda jest taka, mówi, że przełomy nie zdarzają się zbyt często.

W rzeczywistości większość technologii staje się lepsza i tańsza, ponieważ są komercjalizowane i używane, a nie w laboratorium. Oznacza to, że potrzebujemy zarówno badań nad nowymi technologiami energetycznymi oraz polityki rządowe wspierające wdrażanie, użytkowanie i doskonalenie. Istnieje bliski związek między tymi wysiłkami. Dopóki nie rozpoczniesz wdrażania, nie znasz wyzwań, mówi Romm. Tak wiele wspaniałych pomysłów powstaje w laboratorium, ale nie odnosi sukcesu na rynku. To właśnie przechodzenie między wdrażaniem a badaniami i rozwojem zapewnia szybką innowację.

Jednym z najbardziej udanych z ostatnich startupów energetycznych jest A123, firma zajmująca się bateriami z siedzibą w Watertown w stanie Massachusetts. A123, który miał ofertę publiczną swoich akcji w 2009 roku, produkuje akumulatory litowo-jonowe, które są zaprojektowane tak, aby były bezpieczniejsze i trwalsze niż bardziej konwencjonalne wersje; jej sekretem są elektrody wykonane z materiałów kompozytowych w nanoskali. Co ciekawe, firma przeszła od testów laboratoryjnych swojej technologii do produkcji komercyjnej w niecałe trzy lata. Skorzystał z dużego popytu ze strony producentów samochodów, którzy desperacko chcą wprowadzić pojazdy elektryczne, oraz z dotacji rządowej w wysokości 250 mln USD na finansowanie budowy zakładów produkcyjnych (patrz Demo ) .

Ale trzy lata temu, nawet gdy A123 wciąż komercjalizował swoje produkty, współzałożyciel Yet-Ming Chiang, naukowiec zajmujący się materiałami z MIT, już szukał swojego kolejnego przełomu. Pracując początkowo w A123, a później z kolegami z MIT i Rutgers University, postanowił wymyślić technologię, która byłaby znacznie tańsza i łatwiejsza w produkcji niż istniejące baterie litowe. Chciał baterii, która pozwoliłaby samochodom elektrycznym jeździć znacznie dalej na jednym ładowaniu, i która oferowałaby praktyczny sposób przechowywania energii w sieci elektrycznej. Rozwiązanie: zupełnie nowy typ baterii, ponownie oparty na nanomateriałach.

W zeszłym roku A123 wydzielił 24M, startup, który będzie testował i być może skomercjalizował tę technologię. Firma chce spełnić cel Departamentu Energii, jakim jest opracowanie akumulatorów do pojazdów elektrycznych, które mogą dostarczać energię za około 250 USD za kilowatogodzinę, w przeciwieństwie do dzisiejszych standardów około 500 do 600 USD. W rezultacie koszt akumulatora w całkowicie elektrycznym pojeździe byłby o połowę niższy. To, jak mówi Chiang, umożliwiłoby powszechne przyjęcie pojazdów elektrycznych.

Nawet jeśli najnowszy akumulator firmy Chiang okaże się niepraktyczny, jego wynalazek i założenie 24M ilustrują korzyści płynące z komercjalizacji technologii energetycznych i iteracyjnego charakteru innowacji. Baterie A123 pomogły stworzyć rynek, na którym mogą konkurować nowsze rozwiązania, i wyjaśniły granice technologii pierwszej generacji. Nic z tego nie miałoby miejsca bez wsparcia federalnego. Polityka rządu jest absolutnie krytyczna, mówi Chiang, zarówno w przypadku badania nowych technologii baterii, jak i zwiększania skali istniejących.

Chociaż niektóre alternatywne technologie energetyczne mogą ostatecznie osiągnąć parytet sieci, niewiele, jeśli w ogóle, może przetrwać bez dotacji, ponieważ poprawiają one ich koszt i wydajność. Nawet z dotacjami, w tym zachętami podatkowymi i dotacjami gotówkowymi, większość stara się zmniejszyć różnicę kosztów w stosunku do paliw kopalnych. Jak mówi Lewis z Caltech, zbliżanie się nie wystarczy. Niebezpieczeństwo polega na tym, że jeśli skupimy się na cudach energetycznych i przesadzimy z potencjałem przełomowych technologii, zapomnimy o potrzebie spójnej polityki rządu na rzecz zmian w energetyce. Wszystkie kochane technologie energetyczne – zasadniczo wszystkie odnawialne źródła energii i wszystkie pojazdy elektryczne zasilane z sieci – zależą od ogromnych dotacji, mówi David Victor z UC San Diego. I nikt tak naprawdę nie wie, jak będzie wyglądał świat oszczędności fiskalnych dla tych technologii.

Opcje czystej energii wciąż mają przed sobą długą drogę, zwłaszcza jeśli chodzi o przechowywanie energii elektrycznej, obniżenie kosztów odnawialnych źródeł energii oraz poprawę wydajności i kosztów baterii. Firmy takie jak 1366 i eSolar stawiają czoła tym wyzwaniom. Ale poleganie na samych przełomach w celu rozwiązania naszych problemów energetycznych jest nierealne. Takie postępy muszą mieć miejsce w szerszym kontekście skoordynowanych wysiłków na rzecz wykorzystania tych źródeł energii. Wymaga to międzynarodowych strategii rządowych, które wspierają nie tylko badania, ale także testowanie, budowę i komercjalizację.

Wdrażanie alternatywnych źródeł energii będzie znacznie droższe i pod pewnymi względami znacznie trudniejsze niż wymyślanie nowych. Biorąc pod uwagę dzisiejszy klimat polityczny i brak spójnej polityki energetycznej na całym świecie, może to naprawdę zrobić cud.

David Rotman jest Przegląd technologii redaktor.

ukryć