Paprasčiausia matematika: kodėl Saulės energetikoje reikia rimto technologinio proveržio

Kad iš­ties į­si­tvir­tin­tų, iki 2050 me­tų 1 Sau­lės energijos va­tas tu­rės kai­nuo­ti 25 dolerio centus. Ar tai įgy­ven­di­na­mas tiks­las, o jei­gu ne, ar tai blo­gai? Kaip pramonė tai įgyvendins?

Kiek turėtų kainuoti Saulės energija (SE), kad taptų išties įprasta, paplitusi, meinstryminė? Ir ar pramonė rengiasi šį tikslą pasiekti?

Šie klausimai nagrinėjami žurnalo „Nature Energy“ straipsnyje.

Kad SE 2050 metais tiektų beveik trečdalį pasaulio elektros energijos, jos instaliavimas galiausiai turėtų kainuoti ~25 centus už vatą (skaičiuojant dabartiniais doleriais). O be rimto technologinio proveržio šis tikslas gali būti nepasiekiamas.

Kodėl SE ateityje reikia pasiekti tokią agresyviai žemą kainą, jeigu jau dabar kai kuriose rinkose ji sėkmingai konkuruoja su iškastiniu kuru? Pateikiame priežastis:

SE kainos konkurencingumas – judantis taikinys. SE daliai elektros gamyboje augant, kiekvienas naujas SE projektas turi būti pigesnis už, kad galėtų konkuruoti. Tai yra „vertės defliacijos“ efektas, gerai žinoma teorinė koncepcija, bet apie ją retai diskutuojama SE pramonėje. […] Tad, instaliuotoji SE kaina turi labai smarkiai sumažėti, kad iki 2050 metų SE dalis energetikoje sudarytų 30 %. Dabartinėje literatūroje spėjamas vertės defliacijos efektas iki to laiko pasieks maždaug 70 %.

Taigi, jei SE sudarant nedidelę dalį, nesubsidijuojama $ 1,00/W kaina yra konkurencinga, ilgainiui vertės defliaciją SE galėtų aplenkti, jeigu 1 W įrengimas kainuotų US $ 0,25.

O koks energijos kaupimo ir apkrovos perskirstymo vaidmuo, kovojant su vertės defliacija? Nors šie aspektai svarbūs, tačiau jų panaudojimas – tik dalinis sprendimas:

Tam, kad reikšmingai paveiktų vertės defliaciją, reikia daug ir įvairių saugyklų – jos turėtų kompensuoti energijos poreikių kitimus dėl SE gaminamos energijos trumpųjų (dienos – nakties) ir ilgųjų – metų laikų – ciklų. Vienas Kalifornijos elektros tinklų tyrimas parodė, kad, jeigu iki 2030 metais saugyklų kaina bus 80 % žemesnė, nei dabar, tada 30 % pajėgumų užimančios atsinaujinančios energijos vertės defliacija būtų mažesnė ~trečdaliu… Tas pats Kalifornijos elektros tinklų tyrimas, kai atsinaujinanti energija sudaro mažiau nei 30 % pajėgumų, parodė, kad esant labai elastiškai paklausai – reaguojančiai į kainos kitimą realiu laiku – vertės defliacijos efektas sumenktų vos 15 %.

Egzistuojančios, paremtos siliciu, SE technologijos, nuolatos (ir kartais dramatiškai) pigo. Tai kodėl SE industrija negali ir toliau nuosekliai tobulinti savo produktų, kad šie atitiktų ateities rinkų poreikius? Atsakome: Labai ambicingo šio [galimų ateities kainų] spektro gale, silicio fotovoltiniai elementai beveik siektų US $ 0,25/W tikslą, viršijantį vertės defliacijos efektą. Bet užsidėti akidangčius SE kainos sumažinimo sprinte būtų netoliaregiška – ilgainiui gali paaiškėti, kad ši pramonė statė ne ant to arklio.

Tai kokia technologija pramonė turėtų remtis? Užuot rinkusios naują favoritą, SE pramonės įmonės turėtų investuoti į egzistuojančių technologijų alternatyvų vystymą. Ir šios alternatyvos turėtų apimti tiek naujas SE elementų gamybos medžiagas ir procesus, tiek ir naujus pritaikymus – kartu šie faktoriai gali atnešti pergalę SE ekonomikai. Pavyzdžiui, miestų peizaže integruota itin efektyvi fotovoltinė danga galėtų padėti patenkinti miesto energijos poreikius, smarkia nepabrangindama naujų statybų.

Šiame straipsnyje paaiškinsime, kodėl ilgalaikiai tikslai yra išbandytas ir patikimas mechanizmas, į kurį pramonė turėtų investuoti šiandien, kad rytoj gautų revoliucinius produktus.

Revoliuciniai planai

Garsiausias ilgalaikio technologinio vystymosi planas yra Moore’o dėsnis. 1965 metais Gordonas Moore'as prognozavo, kas tranzistorių skaičius integrinėse schemose – ar mikrolustuose – kas porą metų padvigubėja. Po to pusšimtį metų pramonė kas vadovavosi Moore’o nubrėžtomis gairėmis.

Nors augimo tempas lėtėja, Moore’o palikimas nepaneigiamas: jis įrodė, kad pramonė, teikianti prioritetus inovacijoms, gali pasiekti, kaip atrodė, nerealistiškus, tikslus.

Bet netgi ne aukštųjų technologijų pramonės šakos sukūrė ilgalaikius technologijų vystymo planus, paskatinusius investuoti tyrimus ir dizainą. Pavyzdžiui, JAV plieno pramonė, drauge su Energijos departamentu, vykdė tyrimų planus nuo 1997 iki 2008. Tai leido sumažinti plieno gamybos JAV energijos sąnaudas 30 procentų ir pramonė toliau finansuoja ilgalaikį naujų technologijų vystymą.

Kitos pramonės šakos šią žinutę irgi suprato. Kai kurios buvo glaudžiais susijusios su puslaidininkių pramone ir iš jų planingo vystymosi gavo tiesioginę naudą. Pavyzdžiui, firmos, gaminančios mikroelektromechanines sistemas (MEMS) – tarp kurių tokie jutikliai, kaip, tarkime, jūsų išmaniojo telefono akselerometras – pritaikė integrinių schemų vystymo planus savo pačių veiklos planavimui ir nusistovėjusią tvarką keičiančią MEMS technologiją.

Žvelgiant ateitin, įvairios pramonės šakos, nuo automobilių sektoriaus iki aviacijos ir pažangios gamybos, turi nustatytus technologijų planus, per kitus dešimtmečius spartinsiančius inovacijas.

Ambicingesnė Saulės energetikos pramonė

Fotovoltinių (PV) elementų pramonė irgi turi technologijų vystymo planą, kurį sukūrė silicio PV gamintojų konsorciumas. Bet šis planas yra ne tiek ambicingų tikslų rinkinys, kiek labiausiai tikėtino šios pramonės vystymosi prognozių kompiliacija. Tai yra, SE planas reaguoja į pramonės tendencijas, užuot jas formavęs.

Tai ryškiai kontrastuoja su aukščiau pateiktais technologijų vystymo planais, kuriuose iškeliami ambicingi tikslai, kuriuos pasiekti įmanoma tik inovacijomis. Energijos departamento „SunShot“ iniciatyva ambicingesnė ir svariai prisidėjo prie JAV SE kaštų mažinimo per pastaruosius 5 metus. Tačiau jos tikslai kol kas siekia tik šio dešimtmečio pabaigą.

Dabar idealus metas nusistatyti ilgalaikius tikslus. Saulės elementų ir skydelių gamintojai 2015 metais džiaugėsi didesne marža, nei per ankstesnius penkerius metus. O dar penkiems metams pratęsus JAV federalinę mokesčių kredito investavimo programą, bei palaikančią Kinijos, Indijos ir kitų didžiųjų ekonomikų politiką, rinka ir toliau augs. Per santykinio stabilumo periodą pramonė turėtų atsitraukti ir iš naujo įvertinti ilgalaikių technologijų planų brėžiamą trajektoriją.

Kompanijos turėtų skirti išteklius kolektyvinių tyrimų ir standartų nustatymų finansavimui, – tokio modelio sėkmę demonstruoja puslaidininkių pramonė. Ir jos neturėtų daryti prielaidos, kad investuoti verta tik į jau egzistuojančius produktus.

Galiausiai, netgi technologijoms sparčiai vystantis, 25 centai už vatą iki amžiaus vidurio, gali būti neįgyvendinamas tikslas. Bet tokio ambicingo tikslo siekimas pasitarnaus pramonei. Investuodama į ilgalaikes inovacijas, saulės energetikos pramonė gali pakloti savo ilgos globalios sėkmės pamatus.