Vse se vrti okoli denarja. Zakaj lahko na videz odlične tehnološke rešitve včasih ne uspejo

Ko sem bil mlajši, sem verjel, da znanost sama lahko reši kateri koli tehnološki izziv – in da bo zmagala katera koli rešitev, ki je tehnično najboljša. Šele potem, ko sem nekaj let preživel v industriji, sem spoznal, kako imajo ekonomija, tržne sile in konkurenca enako pomembne (in včasih večje) vloge. Naučil sem se, da lahko tehnološko rešitev, ki se morda na papirju zdi odlična, praktične težave in neustrezen čas potegnejo navzdol.

Za vsakogar, ki razvija novo tehnologijo, je zato pomembno, da določi točke pregleda projektov, nenehno ocenjuje trg in konkurenco ter redno pregleduje pripravljenost svoje tehnologije na nepristranski in uravnotežen način. Lahko se spomnim na desetine tehnologij, ki se niso obnesle po načrtih. Tukaj pa bom raziskal fotovoltaiko »sončnega koncentratorja« (CPV) – naprave, ki proizvajajo elektriko z uporabo leč ali ukrivljenih ogledal za usmeri sončno svetlobo na majhne sončne celice.

Med tem sem se spomnil na to temo pisanje o najučinkovitejši sončni celici na svetu, ki je bil razvit leta 2019 v ameriškem Nacionalnem laboratoriju za obnovljivo energijo. Je naprava CPV in ima rekordno učinkovitost 47.1 % pri osvetlitvi s 143 sonci. Na prvi pogled se naprava sliši neverjetno, glede na to, da imajo današnji silicijevi fotovoltaični (PV) ploski paneli učinkovitost le 22 %.

Zakaj je koncentratorska fotovoltaika, ki je bila včasih označena kot naslednja velika stvar, padla na stran?

Seveda je večina inštalacij CPV videti impresivno in futuristično, vendar so se cene silicijevih PV z ravnim zaslonom tako pocenile, da so se poskusi uvedbe CPV skoraj ustavili od leta 2017 (čeprav se raziskave o njih nadaljujejo). Ali so zato CPV, ki so bili nekoč oglaševani kot naslednja velika stvar, padli na stran?

Tržne sile

Raziskave CPV so se začele sredi sedemdesetih let prejšnjega stoletja po šoku naftnega embarga na Bližnjem vzhodu. (Prog. Fotovolt. Res. Appl. 8 93). Večina dela je potekala v Sandia National Laboratories v Novi Mehiki, pri čemer je prvi sistem sestavljala akrilna Fresnelova leča, ki je sončno svetlobo usmerila na silicijeve PV celice. Celice so bile ohlajene z vodo, da se preprečijo segrevanje in izguba učinkovitosti; uporabljali so tudi sledilni sistem, tako da so bili vedno obrnjeni proti Soncu.

Druga podjetja so se hitro preizkusila s sistemi CPV, ki so jih razvili vsi, od Motorole in Boeinga do GE in RCA. Iz tega zgodnjega dela je nastalo več uspešnih obsežnih demonstracijskih projektov, zlasti projekt Soleras s 350 kW v Savdski Arabiji in sistem Entech s 300 kW v Austinu v Teksasu. Prvi je neprekinjeno deloval od leta 1981 več kot 15 let in je zagotovil dragocen vpogled v praktičnost in operativne stroške CPV.

V zgodnjih osemdesetih pa je delo zastalo, ko je minila nujnost energetske krize. Ker sta se nafte in zemeljskega plina izkazala za veliko večja od pričakovanega, so stroški teh goriv strmo padli. Ko so zvezna sredstva ZDA za CPV postala redka, je večina udeležencev izpadla. Raziskave so bile zmanjšane, čeprav je nekaj predanih še naprej sledilo sanjam.

Za izgubo zanimanja za CPV je bilo enostavno kriviti nizke cene zemeljskega plina ali pomanjkanje politične volje. Toda največja težava je bila, da se sistemi CPV niso prodajali. Običajni ploščati silicijevi fotonapetostni paneli imajo v nasprotju s tem na stotine aplikacij, od navigacije do telekomunikacij. So neverjetno zanesljivi, nimajo gibljivih delov in potrebujejo zelo malo vzdrževanja.

Sončne fotonapetostne naprave so še posebej uporabne za ljudi v državah v razvoju, ki jih zdaj uporabljajo za razsvetljavo, hlajenje in črpanje vode – zlasti na oddaljenih območjih, kjer drugi viri energije niso na voljo. Preprosto povedano, nobena od teh aplikacij ni posebej primerna za CPV, ki so bili stroškovno učinkoviti le za naprave, večje od 100 kW.

Nova zora?

Trg za CPV se je izboljšal po razvoju visoko učinkovitih "tandemskih" večspojnih CPV v začetku leta 2000, ki združujejo silicij s polprevodnikom III-V, kot je galijev arzenid. Pravzaprav so bili od leta 2010 po svetu naročeni različni večmegavatni CPV projekti z uporabo takšnih naprav. Sodobni komercialni sistemi imajo učinkovitost do 42 %, Mednarodna agencija za energijo pa meni, da bi se to lahko do sredine 50-ih povečalo na 2020 %.

Pa vendar tudi ti vrhunski CPV-ji niso popolni, potrebujejo aktivne sledilne sisteme, tako da so vedno obrnjeni proti soncu, in posebno hlajenje. To je veliko dodatne zapletenosti za dodatno učinkovitost. Še več, celice ne delujejo tako dobro v meglenih ali onesnaženih pogojih, ker se spekter ne ujema s spektralno »nastavljenimi« celicami. Oblačni dnevi so še ena težava, ker sončna svetloba ni dovolj koncentrirana.

Želite znižati svoj račun za energijo? Preizkusite te rekordne sončne celice

Te omejitve fotonapetostnih sistemov z več stičišči zmanjšujejo njihovo izhodno moč in vplivajo na ekonomičnost z višjimi kapitalskimi stroški in računi za vzdrževanje. Težko si je predstavljati, kako bi lahko izboljšali sončne fotovoltaične panele, katerih cena se je med letoma 82 in 2010 znižala za 2019 %, glede na Mednarodna agencija za obnovljivo energijo.

Padec stroškov sončne fotonapetostne plošče z ravnimi ploščami je večinoma povzročila ekonomija obsega, vendar je pri tem pomembno vlogo odigrala tudi kitajska vlada. Z velikim subvencioniranjem svoje solarne PV industrije, nekateri so trdili da je Kitajska lahko prodajala sončne celice v ZDA in Evropi za manj, kot stane njihova izdelava in pošiljanje. Praksa, znana kot "damping", je izgnala konkurente in kitajskim dobaviteljem omogočila, da zavzamejo trg.

Ker ekonomija zdaj tako močno daje prednost solarnim fotonapetostnim ploščam, so kratkoročni obeti za industrijo CPV zbledeli. Več največjih proizvodnih obratov CPV je zaprlo dejavnosti, vključno s tistimi Suncore, Soitec, Amonix in SolFocus. Ploščati solarni fotovoltaiki so kljub temu, da so manj učinkoviti, zmagali zaradi preproste ekonomije.

Vendar pa še ni vse izgubljeno. Morda se obeta druga zlata doba za tehnologijo sončnih koncentratorjev, ki uporabljajo koncentrirano energijo za segrevanje tekočin, pri čemer se shranjena toplota pretvori v elektriko, ko sonce ne sije. To je fascinantna možnost, o kateri bom razpravljal naslednji mesec.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/its-all-about-the-money-why-seemingly-great-technological-solutions-can-sometimes-fail/