Beder om et energimirakel

Virksomhedens gennembrud er strengt forbudt for udenforstående. Arbejdet med teknologien foregår i en uset del af den vidtstrakte en-etagers bygning, ud over maskinværkstedet, de forskellige test- og fabrikationsinstrumenter, det store åbne kontorrum proppet med aflukker. Hvad en besøgende får at se i stedet for, er en tynd skive af silicium, som ville være bekendt for alle i solenergiindustrien. Og det er netop pointen. Virksomhedens fremskridt handler om at reducere udgifterne til fremstilling af konventionelle solceller.

Silicium frelser: Emanuel Sachs, grundlæggeren af ​​solar startup 1366, har opfundet en billigere måde at forvandle bidder af silicium til de tynde wafere, der bruges i solceller.

I dets mødelokale er et stort diagram, der viser de faldende omkostninger ved elektricitet produceret af solpaneler i løbet af de sidste tre årtier. Den let ujævne nedadskrånende linje nærmer sig et bredt vandret skår mærket netparitet - det stadie, hvor elektricitet fremstillet ved hjælp af solenergi vil være lige så billig som strøm genereret fra fossile brændstoffer. Det er det forjættede land for vedvarende energi, og virksomheden, 1366 Technologies, mener, at dets forbedringer i fremstillingsteknikker kan hjælpe med at gøre det muligt for solenergi endelig at nå dertil.

Denne historie var en del af vores marts 2011-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Det er et ambitiøst mål: Selvom siliciumbaserede fotovoltaiske celler, som omdanner sollys direkte til elektricitet, er faldet i pris i årevis, er de stadig for dyre til at konkurrere med fossile brændstoffer. Som følge heraf tegner solenergi sig for langt mindre end 1 procent af den amerikanske elproduktion. Og 1366-grundlægger Emanuel Sachs, som er virksomhedens teknologichef og MIT-professor i maskinteknik, siger, at selvom solenergi kan være inden for slående afstand fra naturgas, vil eksisterende solteknologi ikke være i stand til at konkurrere med kul. At fortrænge kul vil kræve endnu et niveau af omkostningsreduktion, siger Sachs. Det er her, 1366's gennembrud kommer ind. Virksomheden er ved at udvikle en måde at lave tynde siliciumplader på uden at skære dem ud af solide bidder af elementet, en kostbar opgave. Den eneste måde, hvorpå solceller kan konkurrere med kul, er med teknologier som vores, siger han.

Når solceller først kan konkurrere med kul på pris, ændrer verden sig meget, siger Frank van Mierlo, virksomhedens administrerende direktør. Solenergi bliver en reel del af vores energiforsyning. Vi kan så generere en betydelig del af vores energi fra solen.

På en række måder afspejler 1366 (navnet henviser til det gennemsnitlige antal watt solenergi, der rammer hver kvadratmeter af Jorden over et år) ambitionen om en hel generation af energistartups. Disse virksomheder henviser ofte til spilskiftende teknologier, der vil omdefinere økonomien ved ikke-fossile energikilder. Mange blev grundlagt i løbet af det sidste årti under et boom i venturekapitalfinansiering til ren teknologi - ikke kun inden for solenergi, men også inden for vind, biobrændstoffer og batterier. Mange har nydt godt af stigninger i føderal støtte til energiforskning, siden præsident Obama tiltrådte. Selvom virksomhederne arbejder på forskellige teknologier, deler de en forretningsstrategi: at gøre rene energikilder billige nok, uden statsstøtte, til at konkurrere med fossile brændstoffer. På det tidspunkt vil kapitalismen komme i højt gear, og investorer vil skynde sig at bygge en ny energiinfrastruktur og fortrænge fossile brændstoffer – eller det lyder argumentet.

Problemet er imidlertid, at vi nok ikke kun er et par gennembrud væk fra at implementere billigere, renere energikilder i massiv skala. Selvom få stiller spørgsmålstegn ved værdien af ​​at udvikle nye energiteknologier, vil det være så vanskeligt og dyrt at opskalere dem, at mange politiske eksperter siger, at sådanne fremskridt alene, uden hjælp fra fortsatte statsstøtte og andre incitamenter, vil have ringe indflydelse på vores energimix. Uanset teknologiske fremskridt er disse eksperter skeptiske over, at vedvarende energi er tæt på at opnå netparitet, eller at batterier er tæt på at tillade et elektrisk køretøj at konkurrere med gasdrevne biler på pris og rækkevidde.

I tilfælde af vedvarende energi afhænger det af, hvordan du definerer netparitet, og om du tager højde for omkostningerne ved de lagrings- og backupstrømsystemer, der bliver nødvendige med intermitterende strømkilder som sol og vind. Hvis du definerer netparitet som at levere elektricitet, når du vil, i hvilke mængder du vil, siger David Victor, direktør for Laboratory on International Law and Regulation ved University of California, San Diego, så er dagens nye vedvarende energi ikke engang tæt på . Og hvis nye energiteknologier skal opskaleres nok til at gøre et indhug i udledningen af ​​kuldioxid, tilføjer han, er det definitionen, der betyder noget.

Field of Mirrors

Få mennesker har mere tro på teknologiens magt til at ændre verden end Bill Gross. Og få iværksættere er lige så fortrolige med vanskeligheden ved at omsætte smarte ideer til kommerciel teknologi. I dot-com-æraen startede han og hans firma Idealab, en inkubator, der skaber og driver nye virksomheder, flere af æraens hotteste firmaer, kun for at kæmpe, da boblen bristede.

Gross fik fat i renteknologisk dille og grundlagde et firma kaldet eSolar i 2007 for at arbejde med solvarmeteknologi (se Q&A, marts/april 2010) . I disse dage er web-, social-computing- og energiprojekter blandet i Idealabs tætpakkede kontorer i centrum af Pasadena, Californien. I overensstemmelse med sin dot-com-æra-arv indtager kontorerne et stort loftlignende rum fyldt med forskellige virksomheder eller fremtidige virksomheder, nogle af dem består af ikke mere end et par skriveborde domineret af store computerskærme. Et eller andet sted i alt det børstede metal, synlige ventilationssystemer, skinnebelysning og designer-skrivebordsstole er Bill Gross' kontor, et lille indglasset aflukke.

Som næsten alle andre grundlæggere af en startup med vedvarende energi, kommer Gross lige til tallene. Ved at trække en skærm op, der sammenligner omkostningerne ved energi fra forskellige kilder, påpeger han, hvordan en teknologi, der udvikles af eSolar, kunne gøre solvarmeenergi billigere og hjælpe den med at blive konkurrencedygtig med fossile brændstoffer. Solvarmeanlæg producerer elektricitet ved at bruge et enormt felt af spejle til at fokusere sollys på et højt centralt tårn, hvor vandet opvarmes for at producere damp, der genererer elektricitet. Store kraftværker, der bruger teknologien, kan producere elektricitet billigere end dem, der bruger siliciumsolpaneler, selvom den termiske tilgang stadig er dyrere end strøm fra kul eller endda vind. Flere sådanne anlæg er i drift rundt om i verden, og flere bliver bygget (se Chasing the Sun, juli/august 2009) . I 2006, da det gigantiske californiske forsyningsselskab PG&E afgav et bud på et 300 megawatt solvarmeanlæg (nu bygget af et firma kaldet BrightSource), blev Gross begejstret og begyndte at arbejde sammen med sine ansatte for at forbedre økonomien.

Ikke overraskende er Gross’ løsning baseret på software. Store solvarmeanlæg koster mere end en milliard dollars at bygge, og en årsag til de høje omkostninger er, at titusindvis af specialfremstillede spejle skal arrangeres præcist, så de fokuserer sollyset korrekt. Men hvad nu hvis du brugte almindelige spejle på et simpelt metalstativ og derefter brugte software til at kalibrere dem, og justere hver enkelt for at optimere dets position i forhold til solen og det centrale tårn? Det ville kræve enorme mængder computerkraft at manipulere alle spejlene i et kraftværk i brugsskala, men computerkraft er billigt - langt billigere end at betale ingeniører og teknikere for møjsommeligt at placere spejlene i hånden. De potentielle besparelser er imponerende, ifølge Gross; han fortæller, at eSolar kan installere et felt med spejle til det halve af, hvad det koster i andre solvarmeanlæg. Som et resultat forventer han at producere elektricitet for cirka 11 cents per kilowatt-time, lokkende tæt på prisen på strøm fra et fossilt brændselsanlæg.

Alligevel er det ikke godt nok - i hvert fald i USA, hvor naturgasanlæg kan producere strøm for omkring 6 cents per kilowatt-time. I Lancaster, Californien, i udkanten af ​​Mojave-ørkenen, har eSolar bygget et anlæg med 24.000 spejle; den er i stand til at producere fem megawatt strøm. Men eSolar har ikke fået nogen nye aftaler om at bygge projekter i brugsskala baseret på virksomhedens teknologi i USA. I stedet driver den forretning i dele af verden, hvor elpriserne er højere, eller subsidierne til vedvarende energi er større; det bygger et 2,5 megawatt anlæg i Indien og har underskrevet en aftale om et stort anlæg i Kina. Problemet i USA er det samme, som alle drømme om alternativ energi står over for: omkostninger. Priserne på naturgas er faldet til historisk lave niveauer, hvilket betyder, at solvarme skal blive endnu billigere for at konkurrere. For at have en chance i USA, erkender Gross, har eSolar brug for sin elektricitet til ikke at koste mere end 7,5 cent per kilowatt-time.

At komme dertil vil kræve endnu et fremskridt inden for teknologien. En ulempe ved solenergi er, at den kun producerer elektricitet en del af dagen. Fotovoltaiske paneler producerer effektivt strøm i omkring fem og en halv time om dagen, når solen er mest direkte over hovedet. Solvarmeanlæg kan fungere lidt længere, fordi det opvarmede vand kan drive turbiner senere hen på eftermiddagen; eSolars teknologi laver strøm i omkring syv timer dagligt uden opbevaring. Og Gross siger, at brug af smeltede salte i stedet for vand til at transportere varmen fra det centrale tårn til dampgeneratoren vil gøre det muligt for et solvarmeanlæg at lagre varmen i meget længere tid og producere elektricitet i op til 16 timer om dagen. Det vil bringe prisen på sin elektricitet ned til de målrettede 7,5 cents per kilowatt-time. Han forudser, at eSolar vil have et kommercielt anlæg med smeltet salt-design kørende næste år.

Hvis målstolperne bliver ved med at bevæge sig lige uden for rækkevidde af nye energiteknologier, virker Gross ikke betænkelig. Til sidst, siger han, vil eSolars teknologi ikke have behov for subsidier for at konkurrere med naturgas, og himlen vil være grænsen. Solar er perfekt til et stort stykke af planeten, siger han og viser glad et verdenskort med et stort bælte rundt om midten i rød og mørk orange, hvilket indikerer høje niveauer af solstråling. Selv i dette land, siger Gross med tillid, vil solenergi stå for halvdelen af ​​al elproduktion i 2050 - med mindst 50 procent af den, der produceres af solvarmeanlæg.

Ingen bugs

Mens Bill Gross forsøger at presse et par kritiske øre ud af omkostningerne til solenergi, arbejder forskere ved Caltech, et par kilometer oppe ad vejen, på en anden løsning. De forsøger at opfinde en fundamentalt ny måde at producere flydende brændstoffer direkte fra sollys, inspireret af den måde, grønne planter omdanner sollys til sukker. Hvis denne søgen efter kunstig fotosyntese lykkes, vil den løse en af ​​solenergiens grundlæggende udfordringer: hvordan man lagrer strømmen, indtil den er nødvendig. Potentialet i denne vision ser ud til at besjæle direktøren for indsatsen, Nate Lewis. Han taler til tider i punkttegn præget af en blanding af spænding og utålmodighed. Ingen fejl, ingen ledninger, siger han. Ingen fejl, ingen ledninger. Jeg mener, hvad jeg siger: ingen ledninger. Blade har ingen ledninger. Ind kommer sollys, vand og CO2, og ud kommer brændstoffer.

Solar Mirage? Et eSolar demonstrationsanlæg i Lancaster, Californien, bruger 24.000 spejle og kan producere fem megawatt elektricitet. Men eSolar har ingen amerikanske aftaler for lignende anlæg.

Denne forskning - et fælles projekt af Caltech og Lawrence Berkeley National Lab - vil blive støttet med $122 millioner over fem år fra det amerikanske energiministerium, i afventning af kongressens bevilling af midlerne. Vi har stykker. At lave brændstoffer fra sollys med fotoelektrisk kemi virker, siger Lewis, professor i kemi ved Caltech. Men en praktisk enhed skal være billig, effektiv og robust. Lige nu kan jeg give dig to af de tre på samme tid, siger han. Vores mål er alle tre. Grundlæggende videnskabelige problemer står i vejen. Blandt dem: forskerne skal finde omkostningseffektive katalysatorer til de kemiske reaktioner, der bryder vand til ilt og brint.

Efter 100 års forskning kan du tælle på én hånd de klasser af forbindelser, der er gode katalysatorer for vandoxidation, siger Lewis; vi har ikke flere hundrede år til at finde bedre. Ved at anvende den slags high-throughput eksperimentelle metoder og automatiserede teknikker, der i stigende grad anvendes til lægemiddelopdagelse, vil centret screene en million forbindelser om dagen for katalytisk aktivitet. Vi vil evaluere, opdage og kvantificere aktiviteten af ​​flere katalysatorer på én dag, end der er blevet samlet dokumenteret gennem historien, siger han.

I mellemtiden vil et team af systemdesignere og hardwareeksperter begynde at designe og bygge prototypeenheder. Deres job er at bygge prototyper fra dag ét, siger Lewis. Vi forventer at have [prototyperne] inden for de første to eller tre år. De første prototyper vil næsten slå fejl, siger han, men de er den eneste måde at nå frem til et praktisk system: Vi ved ikke, hvordan det skal se ud. Hvor kommer vandet ud? Hvor kommer sollyset ind? Hvis du ikke bygger tingen, kan du ikke bygge tingen.

Udfordringen med at finde billigere og renere energi er ofte blevet sammenlignet med kapløbet om at sætte en mand på månen. Men der er mindst én nøgleforskel: succes med at få mennesker ud i rummet blev ikke bedømt efter omkostningerne. Uanset hvor smart Lewis’ teknologi måtte være, vil den ikke løse problemet, medmindre den kan tjene som grundlaget for en bæredygtig forretning. Vi skal ikke NASA til månen, siger Lewis. Hvis du ikke kan konkurrere på omkostningerne, er det i sidste ende ikke værd at gøre. Og, tilføjer han, givet den svingende oliepris, er du nødt til at have noget, der ser ud til, at det er virkelig forstyrrende med hensyn til omkostninger: Hvis du bare er tæt på, er det ikke godt for nogen.

Nøjsomhedens verden

I det sidste årti har mange amerikanske energieksperter og økonomer argumenteret for, at regeringen skal fastsætte en pris for at udlede kuldioxid. De siger, at en kulstofpris - i form af enten en skat eller et cap-and-trade-system - ville være en økonomisk effektiv og teknologisk retfærdig måde at reducere vores brug af fossile brændstoffer på. Det ville øge omkostningerne ved energi, der stammer fra disse brændstoffer, og give renere teknologier mulighed for at udfordre dem på markedet uden at kræve, at regeringen bakker op om særlige valg. Den Europæiske Union implementerede et cap-and-trade-system i 2005, men USA – indtil for nylig verdens største bruger af energi og uden tvivl stadig det førende center for energiinnovation – har undladt at gøre det.

Det har efterladt energipolitiske eksperter til at diskutere, hvordan de skal gå videre - især nu, hvor subsidier og andre fordele for ren energi i 2009-loven om føderale stimulanser er ved at afvikles. Nogle ser en mulighed for at fokusere på at opfinde nye måder at gøre ren energi billigere end fossile brændstoffer. Sådan innovation, hævder de, er den eneste måde at opnå massive reduktioner i brugen af ​​fossile brændstoffer på. Microsofts grundlægger Bill Gates er en af ​​de investorer, der håber at kunne stimulere sådanne energimirakler (se Q&A, september/oktober 2010) .

Kritikere af det synspunkt mener dog, at det er vigtigere at fokusere på at øge brugen af ​​rene energiteknologier så hurtigt som muligt gennem statstilskud og andre incitamenter. Det er farligt at tro, at alle disse fantastiske teknologier vil komme med og løse problemet, siger Joseph Romm, en senior fellow ved Center for American Progress, en Washington-baseret tænketank. Sandheden er, siger han, at gennembrud ikke sker særlig tit.

Faktisk bliver de fleste teknologier bedre og billigere, da de kommercialiseres og bruges, ikke i laboratoriet. Det betyder, at vi både har brug for forskning i nye energiteknologier og regeringspolitikker, der understøtter implementering, brug og forbedring. Der er en intim sammenhæng mellem disse bestræbelser. Indtil du starter udsendelsen, kender du ikke udfordringerne, siger Romm. Så mange gode ideer opstår i laboratoriet, men de lykkes ikke på markedet. Det er frem og tilbage mellem implementering og R&D, der giver dig hurtig innovation.

En af de mest succesrige af de seneste energistartups er A123, et batterifirma baseret i Watertown, Massachusetts. A123, som havde et offentligt udbud af sit lager i 2009, laver lithium-ion-batterier, der er designet til at være sikrere og længere holdbare end de mere konventionelle versioner; dens hemmelighed er elektroder lavet af kompositmaterialer i nanoskala. Bemærkelsesværdigt gik virksomheden fra laboratorietest af sin teknologi til kommerciel produktion på mindre end tre år. Det har nydt godt af stor efterspørgsel fra bilproducenter, der er desperate efter at introducere elektriske køretøjer, og fra et statstilskud på $250 millioner til at hjælpe med at finansiere opførelsen af ​​dets produktionsfaciliteter (se demo) .

Men for tre år siden, selv da A123 stadig var i bevægelse for at kommercialisere sine produkter, ledte medstifter Yet-Ming Chiang, en MIT-materialeforsker, allerede efter sit næste gennembrud. Han arbejdede først på A123 og senere sammen med kolleger ved MIT og Rutgers University, og satte sig for at opfinde en teknologi, der ville være langt billigere og nemmere at fremstille end eksisterende lithiumbatterier. Han ønskede et batteri, der ville gøre det muligt for elbiler at køre meget længere på en opladning, og et, der ville tilbyde en praktisk måde at lagre strøm på elnettet. Løsningen: en helt ny type batteri, igen baseret på nanomaterialer.

Sidste år udsprang A123 24M, en startup, der vil teste og muligvis kommercialisere teknologien. Virksomheden ønsker at opfylde Department of Energy's mål om at udvikle batterier til elektriske køretøjer, der kan levere energi for omkring $250 per kilowatt-time, i modsætning til dagens standard på omkring $500 til $600. Resultatet ville halvere prisen på et batteri til et helt elektrisk køretøj. Det ville, siger Chiang, muliggøre en udbredt anvendelse af elektriske køretøjer.

Selvom Chiangs nyeste batteriskabelse viser sig upraktisk, illustrerer dens opfindelse og grundlæggelsen af ​​24M de fordele, der kommer fra kommercialiseringen af ​​energiteknologier og innovationens iterative karakter. A123s batterier hjalp med at etablere et marked, hvor nyere fremskridt kan konkurrere, og de tydeliggjorde grænserne for førstegenerationsteknologien. Intet af det ville være sket uden føderal støtte. Regeringens politik er absolut kritisk, siger Chiang, både for at forske i nye batteriteknologier og for at opskalere eksisterende.

Selvom nogle alternative energiteknologier i sidste ende kan opnå netparitet, kan få, om nogen, overleve uden subsidier nu, da de forbedrer deres omkostninger og effektivitet. Selv med subsidier, herunder skattemæssige incitamenter og kontante tilskud, kæmper de fleste for at indsnævre omkostningsgabet med fossile brændstoffer. Som Caltechs Lewis siger, er det ikke godt nok at komme tæt på. Faren er, at hvis vi fokuserer på energimirakler og overdriver potentialet i banebrydende teknologier, vil behovet for en sammenhængende regeringspolitik til fordel for energiændringer blive glemt. Alle de elskede energiteknologier - i det væsentlige alle de vedvarende energikilder og alle netdrevne elektriske køretøjer - afhænger af enorme subsidier, siger David Victor fra UC San Diego. Og ingen ved rigtigt, hvordan en verden af ​​finanspolitiske stramninger vil se ud for disse teknologier.

Rene energimuligheder har stadig lang vej at gå, især når det kommer til at lagre elektricitet, sænke omkostningerne ved vedvarende energi og forbedre ydeevnen og omkostningerne ved batterier. Virksomheder som 1366 og eSolar adresserer disse udfordringer. Men afhængig af gennembrud alene for at løse vores energiproblemer er urealistisk. Sådanne fremskridt skal finde sted i den større sammenhæng med en koordineret indsats for at anvende disse energikilder. Det kræver internationale regeringsstrategier, der understøtter ikke kun forskning, men også test, bygning og kommercialisering.

At implementere energialternativer vil være langt dyrere og på nogle måder langt vanskeligere end at opfinde nye. I betragtning af nutidens politiske klima og manglen på en sammenhængende energipolitik rundt om i verden, kan det virkelig kræve et mirakel.

David Rotman er Teknologigennemgang 's redaktør.

skjule