Es geht nur ums Geld. Warum scheinbar großartige technologische Lösungen manchmal scheitern können

Als ich jünger war, glaubte ich, dass die Wissenschaft allein jede technologische Herausforderung lösen könnte – und dass sich die technisch beste Lösung durchsetzen würde. Erst nachdem ich einige Jahre in der Industrie verbracht hatte, wurde mir klar, dass Wirtschaft, Marktkräfte und Wettbewerb eine ebenso wichtige (und manchmal größere) Rolle spielen. Eine technologische Lösung, die auf dem Papier hervorragend erscheinen mag, kann, wie ich gelernt habe, durch praktische Schwierigkeiten und schlechtes Timing gebremst werden.

Für jeden, der neue Technologien entwickelt, ist es daher wichtig, Projektrückblicke zu setzen, den Markt und die Konkurrenz kontinuierlich zu bewerten und die Technologiereife regelmäßig unvoreingenommen und ausgewogen zu prüfen. Mir fallen Dutzende von Technologien ein, die nicht wie beabsichtigt funktioniert haben. Aber hier werde ich „Solarkonzentrator“-Photovoltaik (CPVs) untersuchen – Geräte, die mithilfe von Linsen oder gekrümmten Spiegeln Strom erzeugen Fokussieren Sie das Sonnenlicht auf winzige Solarzellen.

Ich wurde währenddessen an dieses Thema erinnert Schreiben über die effizienteste Solarzelle der Welt, das 2019 am US National Renewable Energy Laboratory entwickelt wurde. Es ist ein CPV-Gerät und hat einen rekordverdächtigen Wirkungsgrad von 47.1 %, wenn es von 143 Sonnen beleuchtet wird. Auf den ersten Blick klingt das Gerät erstaunlich, wenn man bedenkt, dass heutige Silizium-Photovoltaik (PV)-Flachbildschirme einen Wirkungsgrad von nur 22 % haben.

Warum blieb die einst als das nächste große Ding angepriesene Konzentrator-Photovoltaik auf der Strecke?

Sicher, die meisten CPV-Installationen sehen beeindruckend und futuristisch aus, aber die Preise für Flachbildschirm-Silizium-PVs sind so stark gesunken, dass Versuche, CPVs einzusetzen, seit 2017 fast zum Erliegen gekommen sind (auch wenn die Forschung an ihnen fortgesetzt wurde). Sind CPVs, die einst als das nächste große Ding angepriesen wurden, deshalb auf der Strecke geblieben?

Marktkräfte

Die Erforschung von CPVs begann Mitte der 1970er Jahre nach dem Schock des Ölembargos im Nahen Osten (Prog. Photovoltaik. Auflösung Appl. 8 93). Die meisten Arbeiten fanden in den Sandia National Laboratories in New Mexico statt, wobei das erste System aus einer Acryl-Fresnel-Linse bestand, die das Sonnenlicht auf Silizium-PV-Zellen fokussierte. Die Zellen wurden mit Wasser gekühlt, um zu verhindern, dass sie sich erwärmen und an Effizienz verlieren. Sie verwendeten auch ein Tracking-System, sodass sie immer der Sonne zugewandt waren.

Andere Unternehmen versuchten sich schnell mit CPV-Systemen, die von Motorola und Boeing bis hin zu GE und RCA entwickelt wurden. Aus dieser frühen Arbeit gingen mehrere erfolgreiche groß angelegte Demonstrationsprojekte hervor, insbesondere das 350-kW-Soleras-Projekt in Saudi-Arabien und das 300-kW-Entech-System in Austin, Texas. Ersterer lief seit 1981 ununterbrochen über 15 Jahre lang und lieferte wertvolle Einblicke in die Praktikabilität und die Betriebskosten von CPVs.

In den frühen 1980er Jahren kam die Arbeit jedoch ins Stocken, als die Dringlichkeit der Energiekrise vorüber war. Da Öl und Erdgas viel häufiger vorkamen als erwartet, sanken die Kosten für diese Brennstoffe. Als die US-Bundesmittel für CPVs knapp wurden, brachen die meisten Teilnehmer ab. Die Forschung wurde zurückgefahren, obwohl einige wenige engagierte den Traum weiter verfolgten.

Das nachlassende Interesse an CPVs konnte leicht auf niedrige Erdgaspreise oder fehlenden politischen Willen zurückgeführt werden. Das größte Problem war jedoch, dass sich CPV-Systeme nicht verkauften. Im Gegensatz dazu haben normale, flache Silizium-Solar-PV-Module Hunderte von Anwendungen, die von der Navigation bis zur Telekommunikation reichen. Sie sind unglaublich zuverlässig, haben keine beweglichen Teile und benötigen nur sehr wenig Wartung.

Solar-PVs sind besonders nützlich für Menschen in Entwicklungsländern, die sie jetzt für Beleuchtung, Kühlung und Wasserpumpen nutzen – insbesondere in abgelegenen Gebieten, in denen andere Stromquellen nicht verfügbar sind. Einfach ausgedrückt, keine dieser Anwendungen ist besonders für CPVs geeignet, die nur für Installationen mit mehr als 100 kW kosteneffizient waren.

Eine neue Morgendämmerung?

Der Markt für CPVs verbesserte sich nach der Entwicklung von hocheffizienten „Tandem“-CPVs mit mehreren Verbindungen in den frühen 2000er Jahren, die Silizium mit einem III-V-Halbleiter wie Galliumarsenid kombinieren. Tatsächlich wurden seit 2010 weltweit verschiedene Multi-Megawatt-CPV-Projekte mit solchen Geräten in Betrieb genommen. Moderne kommerzielle Systeme haben einen Wirkungsgrad von bis zu 42 % und die Internationale Energieagentur geht davon aus, dass dieser bis Mitte der 50er Jahre auf 2020 % steigen könnte.

Und doch sind selbst diese überlegenen CPVs nicht perfekt und benötigen aktive Nachführsysteme, damit sie immer der Sonne zugewandt sind, sowie eine spezielle Kühlung. Das ist eine Menge zusätzlicher Komplexität für die zusätzliche Effizienz. Darüber hinaus funktionieren die Zellen nicht so gut in dunstigen oder verschmutzten Bedingungen, weil das Spektrum nicht zu den spektral „abgestimmten“ Zellen passt. Bewölkte Tage sind ein weiteres Problem, weil das Sonnenlicht nicht konzentriert genug ist.

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Diese Einschränkungen von Mehrfachanschluss-PV-Systemen reduzieren ihre Leistungsabgabe und wirken sich durch höhere Kapitalkosten und Wartungsrechnungen auf die Wirtschaftlichkeit aus. Es ist schwer vorstellbar, wie sie Solarmodule verbessern können, deren Preis zwischen 82 und 2010 um 2019 % gesunken ist, so die Internationale Agentur für Erneuerbare Energien.

Der Rückgang der Kosten für Solar-Flachbildschirme ist hauptsächlich auf Skaleneffekte zurückzuführen, aber auch die chinesische Regierung hat eine Rolle gespielt. Durch die starke Subventionierung seiner Solar-PV-Industrie Einige haben argumentiert dass China in der Lage war, Solarmodule in den USA und Europa für weniger zu verkaufen, als es kostet, sie herzustellen und zu versenden. Diese als „Dumping“ bekannte Praxis hat Konkurrenten verdrängt und es chinesischen Anbietern ermöglicht, den Markt zu erobern.

Da die Wirtschaft derzeit Flachpanel-Solar-PV so stark favorisiert, sind die kurzfristigen Aussichten für die CPV-Branche eingetrübt. Mehrere der größten CPV-Produktionsstätten haben ihren Betrieb geschlossen, darunter die von Suncore, Soitec, Amonix und SolFocus. Obwohl sie weniger effizient sind, haben sich Flachpaneel-Solar-PVs aufgrund einfacher Wirtschaftlichkeit durchgesetzt.

Es ist jedoch nicht alles verloren. Vielleicht steht ein zweites goldenes Zeitalter für die Solarkonzentrator-Technologie bevor, die konzentrierte Energie zum Erwärmen von Flüssigkeiten nutzt und die gespeicherte Wärme in Strom umwandelt, wenn die Sonne nicht scheint. Es ist eine faszinierende Möglichkeit, die ich nächsten Monat erörtern werde.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/its-all-about-the-money-why-seemingly-great-technological-solutions-can-sometimes-fail/