211service.com
Ber om ett energimirakel
Företagets genombrott är strikt förbjudet för utomstående. Arbetet med tekniken pågår i en osynlig del av den vidsträckta envåningsbyggnaden, bortom maskinverkstaden, de olika test- och tillverkningsinstrumenten, den stora öppna kontorsytan fylld med skåp. Vad en besökare får se istället är en tunn skiva av kisel som skulle vara bekant för alla inom solenergiindustrin. Och det är precis poängen. Företagets framsteg handlar om att minska kostnaderna för att tillverka konventionella solceller.
Silikonräddare: Emanuel Sachs, grundare av solar startup 1366, har uppfunnit ett billigare sätt att förvandla kiselbitar till de tunna wafers som används i solceller.
I dess konferensrum finns ett stort diagram som visar den sjunkande kostnaden för el producerad av solpaneler under de senaste tre decennierna. Den något ojämna nedåtlutande linjen närmar sig en bred horisontell sträng märkt nätparitet - det stadium då el som tillverkas med solenergi kommer att vara lika billig som kraft genererad från fossila bränslen. Det är det utlovade landet för förnybar energi, och företaget, 1366 Technologies, tror att dess förbättringar av tillverkningstekniker kan hjälpa till att göra det möjligt för solenergi att äntligen nå dit.
Den här historien var en del av vårt marsnummer 2011
- Se resten av frågan
- Prenumerera
Det är ett ambitiöst mål: även om kiselbaserade fotovoltaiska celler, som omvandlar solljus direkt till elektricitet, har sjunkit i pris i flera år, är de fortfarande för dyra för att konkurrera med fossila bränslen. Som ett resultat står solenergi för mycket mindre än 1 procent av USA:s elproduktion. Och 1366-grundaren Emanuel Sachs, som är företagets tekniska chef och en MIT-professor i maskinteknik, säger att även om solenergi kan vara inom räckhåll från naturgas, kommer befintlig solenergiteknik inte att kunna konkurrera med kol. Att tränga undan kol kommer att kräva ytterligare en kostnadsminskning, säger Sachs. Det är där 1366:s genombrott kommer in. Företaget utvecklar ett sätt att göra tunna ark av kisel utan att skära dem från solida bitar av elementet, en kostsam syssla. Det enda sättet för solceller att konkurrera med kol är med teknologier som vår, säger han.
När solceller kan konkurrera med kol på priset förändras världen väldigt mycket, säger Frank van Mierlo, företagets VD. Solenergi kommer att bli en verklig del av vår energiförsörjning. Vi kan då generera en betydande del av vår energi från solen.
På ett antal sätt reflekterar 1366 (namnet hänvisar till det genomsnittliga antalet watt solenergi som träffar varje kvadratmeter av jorden under ett år) ambitionen med en hel generation av energistartuper. Dessa företag hänvisar ofta till spelförändrande teknologier som kommer att omdefiniera ekonomin för energikällor som inte är fossila bränslen. Många grundades under det senaste decenniet, under en boom i riskkapitalfinansiering för ren teknik – inte bara inom solenergi utan också inom vindkraft, biobränslen och batterier. Många har gynnats av ökat federalt stöd till energiforskning sedan president Obama tillträdde. Även om företagen arbetar med olika tekniker delar de en affärsstrategi: att göra rena energikällor tillräckligt billiga, utan några statliga subventioner, för att konkurrera med fossila bränslen. Vid den tidpunkten kommer kapitalismen att slå in på högvarv, och investerare kommer att skynda sig att bygga en ny energiinfrastruktur och tränga undan fossila bränslen – eller så lyder argumentet.
Problemet är dock att vi förmodligen inte bara är några genombrott från att använda billigare, renare energikällor i massiv skala. Även om få ifrågasätter värdet av att utveckla ny energiteknik, kommer det att bli så svårt och dyrt att skala upp dem att många politiska experter säger att sådana framsteg ensamma, utan hjälp av fortsatta statliga subventioner och andra incitament, kommer att ha liten inverkan på vår energimix. Oavsett tekniska framsteg är dessa experter skeptiska till att förnybara energikällor är nära att uppnå nätparitet, eller att batterier är nära att tillåta ett elfordon att konkurrera med gasdrivna bilar på pris och räckvidd.
När det gäller förnybara energikällor beror det på hur du definierar nätparitet och om du tar hänsyn till kostnaderna för de lagrings- och reservkraftsystem som blir nödvändiga med intermittenta kraftkällor som sol och vind. Om du definierar nätparitet som att leverera el när du vill, i vilka volymer du vill, säger David Victor, chef för Laboratory on International Law and Regulation vid University of California, San Diego, så är dagens nya förnybara energikällor inte ens nära. . Och om ny energiteknik kommer att skala upp tillräckligt för att göra ett snäpp i koldioxidutsläppen, tillägger han, är det definitionen som spelar roll.
Field of Mirrors
Få människor tror mer på teknikens kraft för att förändra världen än Bill Gross. Och få entreprenörer är lika bekanta med svårigheten att omvandla smarta idéer till kommersiell teknik. I dot-com-eran startade han och hans företag Idealab, en inkubator som skapar och driver nya företag, flera av tidens hetaste företag, bara för att kämpa när bubblan sprack.
Gross höll fast vid den renteknologiska vurmen och grundade ett företag som heter eSolar 2007 för att arbeta med solvärmeteknologi (se Frågor och Svar, mars/april 2010) . Nuförtiden blandas webb-, social-dator- och energiprojekt i Idealabs tätt packade kontor i centrala Pasadena, Kalifornien. I linje med sitt dot-com-era-arv upptar kontoren ett stort loftliknande utrymme fullt av olika företag eller blivande företag, några av dem består av inte mer än ett fåtal skrivbord som domineras av stora datorskärmar. Någonstans i all borstad metall, exponerade ventilationssystem, spårbelysning och designade skrivbordsstolar finns Bill Gross kontor, ett litet inglasat skåp.
Som nästan alla andra grundare av en startup med förnybar energi, kommer Gross direkt till siffrorna. Han drar upp en skärm som jämför kostnaderna för energi från olika källor och påpekar hur en teknik som utvecklas av eSolar kan göra solvärmekraft billigare och hjälpa den att bli konkurrenskraftig med fossila bränslen. Solvärmeanläggningar producerar elektricitet genom att använda ett enormt fält av speglar för att fokusera solljus på ett högt centralt torn, där vatten värms upp för att producera ånga som genererar elektricitet. Stora kraftverk som använder tekniken kan producera el billigare än de som använder kiselsolpaneler, även om den termiska metoden fortfarande är dyrare än kraft som kommer från kol eller till och med vind. Flera sådana anläggningar är verksamma runt om i världen och fler byggs (se Chasing the Sun , juli/augusti 2009) . 2006, när det gigantiska kaliforniska bolaget PG&E lade ett bud på en 300 megawatt solvärmeanläggning (som nu byggs av ett företag som heter BrightSource), blev Gross upphetsad och började arbeta med sina anställda för att förbättra ekonomin.
Inte överraskande är Gross lösning baserad på mjukvara. Stora solvärmeanläggningar kostar mer än en miljard dollar att bygga, och en anledning till den höga kostnaden är att tiotusentals specialtillverkade speglar måste vara exakt anordnade så att de fokuserar solljuset rätt. Men vad händer om du använde vanliga speglar på ett enkelt metallställ och sedan använde programvara för att kalibrera dem, och justera var och en för att optimera sin position i förhållande till solen och det centrala tornet? Det skulle krävas enorma mängder datorkraft för att manipulera alla speglarna i ett kraftverk i kraftverk, men datorkraften är billig – mycket billigare än att betala ingenjörer och tekniker för att mödosamt placera speglarna för hand. De potentiella besparingarna är imponerande, enligt Gross; han säger att eSolar kan installera ett fält med speglar för hälften av vad det kostar i andra solvärmeanläggningar. Som ett resultat räknar han med att producera el för cirka 11 cent per kilowattimme, lockande nära priset på kraft från en fossilbränsleanläggning.
Ändå är det inte tillräckligt bra - åtminstone i USA, där naturgasanläggningar kan producera kraft för cirka 6 cent per kilowattimme. I Lancaster, Kalifornien, i utkanten av Mojaveöknen, har eSolar byggt en anläggning med 24 000 speglar; den kan producera fem megawatt effekt. Men eSolar har inte fått några nya affärer för att bygga nyttoprojekt baserade på företagets teknologi i USA. Istället gör man affärer i delar av världen där elpriserna är högre eller subventionerna för förnybar energi är större; man bygger en 2,5 megawatts anläggning i Indien och har tecknat ett avtal om en stor anläggning i Kina. Problemet i USA är detsamma som alla drömmar om alternativ energi står inför: kostnad. Priserna på naturgas har sjunkit till historiskt låga nivåer, vilket gör att solvärme måste bli ännu billigare för att konkurrera. För att ha en chans i USA, erkänner Gross, behöver eSolar sin el för att inte kosta mer än 7,5 cent per kilowattimme.
Att ta sig dit kommer att kräva ytterligare ett framsteg inom tekniken. En nackdel med solenergi är att den producerar el endast under en del av dygnet. Solcellspaneler producerar effektivt ström i cirka fem och en halv timme om dagen, när solen står som mest direkt ovanför. Solvärmesystem kan fungera lite längre, eftersom det uppvärmda vattnet kan driva turbiner senare på eftermiddagen; eSolars teknologi ger ström i cirka sju timmar dagligen utan lagring. Och Gross säger att att använda smälta salter istället för vatten för att transportera värmen från det centrala tornet till ånggeneratorn kommer att göra det möjligt för en solvärmeanläggning att lagra värmen mycket längre och producera el i upp till 16 timmar om dagen. Det kommer att sänka kostnaden för sin el till de avsedda 7,5 cent per kilowattimme. Han förutspår att eSolar kommer att ha en kommersiell anläggning med smältsaltdesignen igång nästa år.
Om målstolparna fortsätter att röra sig precis utanför räckhåll för ny energiteknik verkar Gross inte förvirrad. Så småningom, säger han, kommer eSolars teknologi inte att behöva subventioner för att konkurrera med naturgas, och himlen kommer att vara gränsen. Solar är perfekt för en enorm sträcka av planeten, säger han och visar glatt en världskarta med ett stort bälte runt mitten i rött och mörkorange, vilket indikerar höga nivåer av solstrålning. Även i det här landet, säger Gross med tillförsikt, kommer solenergi att stå för hälften av all elproduktion år 2050 – med minst 50 procent av den som produceras av solvärmeanläggningar.
Inga buggar
Medan Bill Gross försöker pressa ut några kritiska slantar ur kostnaden för solenergi, arbetar forskare vid Caltech, några mil längre fram, på en annan lösning. De försöker uppfinna ett fundamentalt nytt sätt att producera flytande bränslen direkt från solljus, inspirerat av hur gröna växter omvandlar solljus till sockerarter. Om denna strävan efter artificiell fotosyntes lyckas, kommer den att ta itu med en av solenergins grundläggande utmaningar: hur man lagrar kraften tills den behövs. Potentialen i denna vision tycks liva upp chefen för insatsen, Nate Lewis. Han talar stundtals i kulpunkter som avbryts av en blandning av spänning och otålighet. Inga buggar, inga sladdar, säger han. Inga buggar, inga sladdar. Jag menar vad jag säger: inga sladdar. Bladen har inga trådar. In kommer solljus, vatten och CO2, och ut kommer bränslen.
Solar Mirage? En demonstrationsanläggning för eSolar i Lancaster, Kalifornien, använder 24 000 speglar och kan producera fem megawatt el. Men eSolar har inga erbjudanden i USA för liknande anläggningar.
Denna forskning – ett gemensamt projekt av Caltech och Lawrence Berkeley National Lab – kommer att stödjas med 122 miljoner dollar under fem år från det amerikanska energidepartementet, i avvaktan på att kongressen anslår medlen. Vi har bitar. Att göra bränsle av solljus med fotoelektrisk kemi fungerar, säger Lewis, professor i kemi vid Caltech. Men en praktisk enhet måste vara billig, effektiv och robust. Just nu kan jag ge dig två valfri av de tre samtidigt, säger han. Vårt mål är alla tre. Grundläggande vetenskapliga problem står i vägen. Bland dem: forskarna behöver hitta kostnadseffektiva katalysatorer för de kemiska reaktioner som bryter vatten till syre och väte.
Efter 100 år av forskning kan du räkna på ena sidan de klasser av föreningar som är bra katalysatorer för vattenoxidation, säger Lewis; vi har inte fler hundra år på oss att hitta bättre. Genom att använda den typ av experimentella metoder med hög genomströmning och automatiserade tekniker som alltmer används i läkemedelsupptäckt, kommer centret att undersöka en miljon substanser om dagen för katalytisk aktivitet. Vi kommer att utvärdera, upptäcka och kvantifiera aktiviteten hos fler katalysatorer på en dag än vad som har dokumenterats kollektivt genom historien, säger han.
Under tiden kommer ett team av systemdesigners och hårdvaruexperter att börja designa och bygga prototypenheter. Deras jobb är att bygga prototyper från dag ett, säger Lewis. Vi räknar med att ha [prototyperna] inom de första två eller tre åren. De första prototyperna kommer nästan att misslyckas, säger han, men de är det enda sättet att komma fram till ett praktiskt system: vi vet inte hur det ska se ut. Var kommer vattnet ut? Var kommer solljuset in? Om du inte bygger saken kan du inte bygga saken.
Utmaningen att hitta billigare och renare energi har ofta jämförts med kapplöpningen om att sätta en man på månen. Men det finns åtminstone en viktig skillnad: framgången med att få människor ut i rymden bedömdes inte utifrån dess kostnad. Oavsett hur smart Lewis teknologi kan vara, kommer den inte att lösa problemet om den inte kan fungera som grunden för en hållbar verksamhet. Vi ska inte NASA till månen, säger Lewis. Om du inte kan konkurrera på kostnaden är det i slutändan inte värt att göra. Och, tillägger han, med tanke på det fluktuerande oljepriset måste du ha något som ser ut att vara riktigt störande när det gäller kostnad: Om du bara är nära, är det inte bra för någon.
En värld av åtstramning
Under det senaste decenniet har många amerikanska energiexperter och ekonomer hävdat att regeringen måste fastställa ett pris för att släppa ut koldioxid. De säger att ett koldioxidpris – i form av antingen en skatt eller ett tak-och-handelssystem – skulle vara ett ekonomiskt effektivt och tekniskt rättvist sätt att minska vår användning av fossila bränslen. Det skulle driva upp kostnaden för energi som härrör från dessa bränslen, vilket gör det möjligt för renare teknik att utmana dem på marknaden utan att kräva att regeringen stöder särskilda val. Europeiska unionen implementerade ett cap-and-trade-system 2005, men USA – tills nyligen världens största användare av energi och, utan tvekan, fortfarande det ledande centret för energiinnovation – har misslyckats med att göra det.
Det har fått energipolitiska experter att diskutera hur de ska gå vidare - särskilt nu när subventioner och andra förmåner för ren energi i 2009 års federala stimulansförslag håller på att avvecklas. Vissa ser en möjlighet att fokusera på att uppfinna nya sätt att göra ren energi billigare än fossila bränslen. Sådan innovation, menar de, är det enda sättet att uppnå massiva minskningar av användningen av fossila bränslen. Microsofts grundare Bill Gates är en av investerarna som hoppas kunna stimulera sådana energimirakel (se Frågor och Svar, september/oktober 2010) .
Kritiker av den uppfattningen anser dock att det är viktigare att fokusera på att öka användningen av ren energiteknik så snart som möjligt genom statliga subventioner och andra incitament. Det är farligt att tro att alla dessa fantastiska teknologier kommer att komma och lösa problemet, säger Joseph Romm, senior fellow vid Center for American Progress, en Washington-baserad tankesmedja. Sanningen är, säger han, genombrott händer inte särskilt ofta.
Faktum är att de flesta tekniker blir bättre och billigare eftersom de kommersialiseras och används, inte i labbet. Det betyder att vi behöver både forskning om ny energiteknik och statliga policyer som stödjer implementering, användning och förbättring. Det finns ett intimt samband mellan dessa ansträngningar. Förrän du börjar utplacera känner du inte till utmaningarna, säger Romm. Så många bra idéer händer i labbet men lyckas inte på marknaden. Det är fram och tillbaka mellan implementering och FoU som ger dig snabb innovation.
En av de mest framgångsrika av de senaste energistartuperna är A123, ett batteriföretag baserat i Watertown, Massachusetts. A123, som hade ett offentligt erbjudande av sitt lager 2009, gör litiumjonbatterier som är designade för att vara säkrare och mer hållbara än de mer konventionella versionerna; dess hemlighet är elektroder gjorda av kompositmaterial i nanoskala. Anmärkningsvärt nog gick företaget från labbtester av sin teknologi till kommersiell produktion på mindre än tre år. Det har gynnats av stark efterfrågan från biltillverkare som desperat vill introducera elfordon och från ett statligt bidrag på 250 miljoner dollar för att hjälpa till att finansiera byggandet av dess tillverkningsanläggningar (se Demo) .
Men för tre år sedan, trots att A123 fortfarande var på väg att kommersialisera sina produkter, letade medgrundaren Yet-Ming Chiang, en materialforskare vid MIT, redan efter sitt nästa genombrott. Till en början arbetade han på A123 och senare med kollegor vid MIT och Rutgers University, och satte sig för att uppfinna en teknik som skulle vara mycket billigare och lättare att tillverka än befintliga litiumbatterier. Han ville ha ett batteri som skulle göra det möjligt för elbilar att köra mycket längre på en laddning, och ett som skulle erbjuda ett praktiskt sätt att lagra ström på elnätet. Lösningen: en helt ny typ av batteri, återigen baserat på nanomaterial.
Förra året kopplade A123 ut 24M, en startup som kommer att testa och eventuellt kommersialisera tekniken. Företaget vill uppfylla Department of Energys mål att utveckla batterier för elfordon som kan leverera energi för cirka 250 USD per kilowattimme, i motsats till dagens standard på cirka 500 till 600 USD. Resultatet skulle halvera kostnaden för ett batteri för ett helelektriskt fordon. Det skulle, säger Chiang, möjliggöra en utbredd användning av elfordon.
Även om Chiangs senaste batteriskapande visar sig vara opraktisk, illustrerar dess uppfinning och grundandet av 24M fördelarna som kommer från kommersialiseringen av energiteknik och innovationens iterativa natur. A123s batterier hjälpte till att etablera en marknad där nyare framsteg kan konkurrera, och de klargjorde gränserna för den första generationens teknologi. Inget av det skulle ha hänt utan federalt stöd. Regeringens politik är helt avgörande, säger Chiang, både för att forska om nya batteriteknologier och för att skala upp befintliga.
Även om vissa alternativa energitekniker så småningom kan uppnå nätparitet, kan få, om några, överleva utan subventioner nu, eftersom de förbättrar sina kostnader och effektivitet. Även med subventioner, inklusive skattelättnader och kontanta bidrag, kämpar de flesta för att minska kostnadsgapet med fossila bränslen. Som Caltechs Lewis säger, att komma nära är inte tillräckligt bra. Faran är att om vi fokuserar på energimirakel och överdriver potentialen för banbrytande teknologier, kommer behovet av en sammanhållen regeringspolitik till förmån för energiförändringar att glömmas bort. Alla älskade energitekniker – i princip alla förnybara energikällor och alla nätdrivna elfordon – är beroende av enorma subventioner, säger David Victor från UC San Diego. Och ingen vet riktigt hur en värld av finanspolitisk åtstramning kommer att se ut för dessa teknologier.
Alternativen för ren energi har fortfarande en lång väg att gå, särskilt när det gäller att lagra el, sänka kostnaderna för förnybara energikällor och förbättra prestanda och kostnad för batterier. Företag som 1366 och eSolar tar sig an dessa utmaningar. Men att bara beroende på genombrott för att lösa våra energiproblem är orealistiskt. Sådana framsteg måste ske i ett större sammanhang av en samordnad ansträngning för att utnyttja dessa energikällor. Det kräver internationella regeringsstrategier som stöder inte bara forskning utan testning, byggande och kommersialisering.
Att använda energialternativ kommer att bli mycket dyrare och på vissa sätt mycket svårare än att uppfinna nya. Med tanke på dagens politiska klimat och avsaknaden av en sammanhängande energipolitik runt om i världen kan det verkligen ta ett mirakel.