Res, fotovoltaika postaja nepremagljivo poceni. Ne le zaradi množične proizvodnje temveč predvsem zaradi nanoznanstvenih inovacij, zavoljo katerih postaja fotovoltaika vse cenejša, kot so vse cenejši tudi računalniški čipi. Fotovoltaika postaja prevladujoči vir energije, nepremagljivo poceni.
avtor RUGGERO SCHLEICHER-TAPPESER, Why photovoltaics is becoming unbeatably inexpensive, 20. NOV. 2023
Priložena je povezava na članek v nemščini original.
Evropa rabi lastno fotovoltaično industrijo
Ali bi morala Evropa vložiti milijarde in ustanoviti lastno fotovoltaično industrijo? Od svojega izuma hkrati s tranzistorjem je bila fotovoltaika podcenjena. Zdaj bo kmalu postal najcenejši in najpomembnejši vir električne energije. Z naraščajočo elektrifikacijo bo postala najpomembnejši vir energije od vseh. Zakaj fotovoltaika postaja cenejša in cenejša? Zakaj Kitajska prevladuje na svetovnem trgu fotovoltaike? Ali mora Evropa ponovno premisliti?
Fotovoltaika je v Evropi že več kot štirideset let podcenjena ali ji je Evropa celo nasprotovala:
- Leta 1982, ko je nafta spet postala poceni, so ameriški predsednik Reagan in naftne družbe ustavili vse fotovoltaične projekte. Pred tem so podjetja na fosilna goriva, zaskrbljena zaradi naftne krize, vložila znatne vsote v novo tehnologijo, ki se je do takrat uporabljala le za vesoljska potovanja. Leta 1981 je bilo ministrsko osebje predsednika Carterja še vedno navdušeno nad “elektriko z naše strehe v desetih letih”.
- Leta 2000 je rdeče-zelena zvezna vlada v Nemčiji postavila temelje za zasebne fotovoltaične naložbe z jamstvom za proizvodnjo elektrike iz sončnih elektrarn, ki se je financirala z davkom na odjemalce električne energije. Ta uredba, ki so jo elektroenergetska podjetja podcenjevala kot trik, je v nekaj letih ustvarila največji svetovni trg fotovoltaične energije.
- Leta 2008 je Mednarodna agencija za energijo (IEA), ustanovljena leta 1974, da bi stabilizirala oskrbo z nafto, prvič jasno prepoznala fotovoltaiko in ocenila, da njen prispevek k svetovni proizvodnji električne energije do leta 2030 ne bo dosegel enega odstotka . Takrat se je Kitajska odločila, da bo v velikem obsegu vstopila v proizvodnjo fotovoltaike in je vse bolj konkurirala prevladujočim evropskim proizvajalcem.
- Leta 2010 je bilo v Evropi nameščenih 74 % svetovnih zmogljivosti za proizvodnjo fotovoltaične energije. Bilo je mogoče predvideti, da se bo kmalu začela samozadostna rast fotovoltaike. Vendar pa so konservativne vlade v Evropi, na poziv konvencionalnih proizvajalcev električne energije, nato zadušile rast. Med letoma 2011 in 2014 je bilo v nemški solarni industriji izgubljenih 110.000 delovnih mest.
- Še leta 2013 so napovedi Mednarodne agencije za energijo za prispevek fotovoltaične energije k svetovni proizvodnji električne energije za leto 2035 znašale le med 1,7 % in 4,3 %.
- Danes, deset let pozneje, je Mednarodna agencija za energijo prisiljena spoznati, da so do leta 2022 sončne elektrarne dosegle že 4,4 % delež in da se pričakuje 15 % delež za leto 2030 in 32 % delež za leto 2050, samo na podlagi sprejetih politik. V svojem najbolj ambicioznem scenariju pričakuje celo 41 % delež do leta 2050, pri čemer bo poraba električne energije dvainpolkrat večja kot danes.
Ta članek je del mojega razdelka SPOTLIGHT. Podrobnejša predstavitev zgodovine energetske tehnologije je na voljo v mojem razdelku ŠIRŠA SLIKA
Vodilni proizvajalec
Kitajska trenutno predstavlja 70 % do več kot 90 % svetovne proizvodnje solarnih modulov v vseh fazah proizvodnje, od katerih je polovica nameščena v sami državi. Letos naj bi Kitajska namestila dvakrat več fotovoltaike kot lani. Lani je namestila štiriinpolkrat več kot ZDA. Do konca leta 2026 naj bi se inštalirana zmogljivost podvojila na 1.000 GW . V Kitajski, bogati s soncem, to ustreza proizvodnji električne energije 145 največjih jedrskih elektrarn, ki so bile nedavno tam zgrajene (1200 MW).
Dolgotrajno zniževanje stroškov že desetletja
V svetovnem povprečju fotovoltaika ni uspela le hitreje zmanjšati svojih stroškov kot vsi drugi viri energije; zdaj ji je dejansko uspelo postati cenejša na kilovatno uro kot vsi drugi. Tega ne pravijo le dolgoletni podporniki sončne energije, ampak tudi vodilne mednarodne finančne institucije. Najbolj razširjena primerjava LCOE investicijske banke Lazard celo navaja, da je električna energija iz razgrajenih jedrskih elektrarn za 30 % dražja od električne energije iz velikih fotovoltaičnih elektrarn.
Že petdeset let ima fotovoltaika prepričljivo krivuljo stroškov: z vsako podvojitvijo obsega proizvodnje je cena padla za približno dvajset odstotkov. To pomeni, da je premagala vse druge vire energije.
Razlogov za znižanje stroškov konvencionalne proizvodnje je lahko več. Pri konvencionalni proizvodnji gre predvsem za množično proizvodnjo in boljše stroje, spremembe zasnove in cenejše primarne proizvode. Pri popolnoma razvitih izdelkih se te možnosti čez nekaj časa izčrpajo.
V svojem zadnjem Spotlightu sem opisal, kako štiri temeljne inovacije poganjajo energetski prehod, ki temelji na čudnih zakonih sveta atomov in molekul. Šele potem, ko je fizika pred stotimi leti odprla pot razumevanju teh nanosvetov s kvantno teorijo, je eno področje tehnologije za drugim lahko prodrlo v te svetove, od druge svetovne vojne dalje. Najbolj znan, a še vedno nenavaden, je svet računalnikov, ki je postal mogoč le zaradi fizike polprevodnikov in ima padec proizvodnih stroškov, ki si ga prej ni bilo mogoče predstavljati. Fotovoltaika je prva od teh štirih inovacij, ki so ključne za energetski prehod. Njegove fizikalne in ekonomske lastnosti so tudi brez nanoznanosti nepredstavljive. To bi rad podrobneje razložil tukaj.
Glavni razlog za zmanjšanje stroškov je napredek v nanoznanosti – primer mikročipov
Splošno se trdi, da je znižanje stroškov fotovoltaike posledica množične proizvodnje sončnih panelov, ki so jo najprej z velikimi prizadevanji spodbudile ZDA, nato Japonska, nato Nemčija in nazadnje Kitajska. Tudi nenavadno strma krivulja stroškov, ki se pet desetletij vztrajno zmanjšuje, naj bi bila preprosto krivulja učenja industrijske množične proizvodnje, ki se bo sčasoma znatno izravnala. Če si podrobneje ogledate, je to manj kot polovica resnice.
Seveda je dejstvo, da bi lahko vedno večje količine gradili v vedno večjih tovarnah z vedno boljšimi stroji in vedno bolj izkušeno delovno silo, znižalo ceno. Na splošno se domneva, da je industrijska ekonomija obsega še posebej močna nad 3.000 enotami, kar daleč presega serijske velikosti termoelektrarn na premog, jedrskih elektrarn in vetrnih elektrarn. Vendar pa je dvomljivo, ali so najnovejše tovarne na Kitajskem, ki imajo letne proizvodne zmogljivosti do 20 GWp, dejansko učinkovitejše od manjših tovarn. Gunter Erfurt, izvršni direktor podjetja Meyer Burger, edinega resnega proizvajalca celic in modulov v Evropi in do pred nekaj leti vodilnega proizvajalca fotovoltaičnih sistemov na svetovnem trgu, se s tem ne strinja: “Romantično je, da je zlasti velikost tovarne povezana z znižanjem stroškov.” Po njegovem mnenju je masovni proizvajalec celic in modulov že konkurenčen z 2 GWp na leto (približno 300 milijonov celic ali 5 milijonov sončnih kolektorjev).
Inovacije
V primeru fotovoltaične energije je bilo pomembnejše nekaj drugega: predvsem so nanoznanstvene inovacije pospešile zniževanje stroškov – zelo podobno kot se je zgodilo v mikroelektroniki.
Računajte. Razvoj od leta 2010 naprej, ko so kitajska podjetja množično vstopila v proizvodnjo s čedalje večjimi količinami; od leta 2010 do leta 2021 so se stroški fotonapetostnih modulov glede na njihovo proizvodnjo zmanjšali za 90%, stroški električne energije, proizvedene iz sončne energije (v zemeljskih elektrarnah), pa za 88%. V istem obdobju se je učinkovitost – ki kaže delež sončnega sevanja, pretvorjenega v električno energijo – za dobre komercialne module povečala s približno 15 % na približno 22 %.
Poleg tega se je znižalo zmanjšanje zmogljivosti pri višjih temperaturah modulov (zaradi sončnega sevanja je delovna temperatura daleč nad standardno temperaturo za merilno učinkovitost, odvisno od podnebja). Skupaj to povzroči zmanjšanje stroškov modula za 35 % – preprosto zato, ker je zahtevana površina modula za dani rezultat manjša. Poleg tega so nanoznanosti pomembno prispevale k dejstvu, da je za določeno proizvodnjo potreben bistveno manj silicija visoke čistosti (polisilicij) (- 68 %), drastično pa se je zmanjšala tudi cena na kilogram tega materiala, ki se pridobiva v kompleksnih procesih (– 82 %). Glede na stroškovni delež silicija v modulu (2021: 28 %) to pomeni skupen prispevek nanoznanosti k zmanjšanju stroškov modulov za bistveno več kot polovico.
Če želite oceniti vpliv nanoznanosti na ceno električne energije, morate razlikovati med državami – in ne samo zaradi temperaturnega učinka. V mnogih krajih so stroški fotovoltaičnih elektrarn še vedno po nepotrebnem visoki, predvsem iz političnih razlogov. Na primer, sončna elektrarna enake zmogljivosti stane 2, 9-krat več na Japonskem kot v Indiji, medtem ko v Nemčiji stane le 1, 2-krat več od tega zneska.
Ker se površina solarnih modulov zmanjšuje, se zmanjšujejo tudi stroški montažnih regalov, zemljišč, inštalacij, kablov itd. za sončne elektrarne. V Nemčiji so skupno tri četrtine stroškov neposredno odvisne od območja modula, ki je potrebno za določeno proizvodnjo. Poleg tega so inverterji (delež stroškov 7,5 %) med letoma 2010 in 2021 zaradi napredka v močnostni elektroniki postali precej cenejši (–56 %). To pomeni, da je dobro polovico znižanja stroškov proizvodnje električne energije mogoče pripisati tudi nanoznanstvenemu napredku.
Kako velika je sončna elektrarna?
Dejanska je fotovoltaična elektrarna le neškodljiva, mikrometrsko tanka plast, ki pretvarja sončno svetlobo v uporabno energijo, in je dvajsetkrat učinkovitejša od drevesa. Vse ostalo so samo povezave in embalaža.
Nanoznanost
Kar je na začetku videti kot nepomembno navdušenje nad pomembnostjo nanoznanosti, je temeljnega pomena za ocenjevanje razvojnega potenciala energetskih tehnologij. Ta ugotovitev ima več posledic:
1. Zniževanje stroškov se nadaljuje, saj nova nanoznanstvena dognanja obljubljajo nadaljnje močno povečanje učinkovitosti.
2. Fotovoltaika naj bi postala prevladujoči vir energije in premagala vse druge vire energije, ki vsebujejo veliko večji delež konvencionalnih tehnologij, ki ne postajajo cenejše.
3. Evropa ima priložnost, da se vrne v proizvodnjo fotovoltaike, saj so evropski inštituti in podjetja še vedno med vodilnimi tehnološkimi podjetji.
4. Svetovno gospodarsko ravnovesje se spreminja – o tem bom govoril šele kasneje.
Fotovoltaika postaja prevladujoči vir
V skoraj vseh tehnologijah, ki v veliki meri temeljijo na nanoznanosti, lahko vidimo, da so krivulje učenja mnogokrat strmejše, kot so krivulje konvencionalnih makrotehnologij in da smo na splošno šele na samem začetku. Na področju fotovoltaike so naslednji koraki že predvidljivi: novi materiali (zlasti perovskiti) in nove zasnove celic (zlasti multijunkcija, tj. več občutljivih plasti ena na drugo) bodo v prihodnjih letih še povečali učinkovitost in zmanjšali stroške materiala. Poleg tega so prihranki vidni tudi pri običajnih sestavnih delih, če je mikrometrski tanek sloj za proizvodnjo električne energije vgrajen neposredno v konstrukcijske elemente stavb (strešne obloge, okna, fasade) ali vozila, namesto da bi bil pakiran v lastno stekleno ohišje.
Vsi drugi nefosilni viri energije, o katerih danes razpravljamo, so v primerjavi s tem v slabšem položaju:
- V primeru vetrne energije, ki je drugo veliko upanje za trajnostno proizvodnjo električne energije, nanotehnološki del v glavnem sestavlja močnostna elektronika: omogoča povečanje učinkovitosti s spremenljivimi hitrostmi in v veliki meri brez izgub dovajanja v omrežja. V to kategorijo se lahko šteje tudi zmanjšanje teže generatorjev zaradi močnejših trajnih magnetov. Poleg tega pa so znižanje stroškov omogočili predvsem vedno višji stolpi in večje turbine. Vendar to ne povzroča bistvenega znižanja stroškov kot pri fotovoltaični tehnologiji, temveč prinaša tudi dodatna stroškovna tveganja: vetrne elektrarne potrebujejo pol več jekla in petkrat več cementa kot zemeljske fotovoltaične elektrarne (strešni fotovoltaični sistemi zahtevajo še veliko manj). Oba materiala sta CO2 intenzivna in bosta v bližnji prihodnosti postala bistveno dražja. Elektrarne na morju so še bolj materialno intenzivne. Trenutne so velike težave v vetrni industriji na morju, poleg naraščajočih stroškov obresti, posledica naraščajočih materialnih stroškov in mehanskih težav, ki jih povzroča prisilno povečanje dolžine rezil. Nekateri opazovalci sumijo, da vetrna energija ne bo več cenejša.
- Pridobivanje energije iz biomase izkorišča sončno sevanje dvajsetkrat manj učinkovito kot fotovoltaika. Za smiselno primerjavo morate upoštevati sisteme za posebne namene: Če primerjate kotel na lesne sekance za proizvodnjo toplote s toplotno črpalko na sončno energijo, potem je poleg boljšega izkoristka sončnega sevanja s PV tudi povečanje toplote okolja iz toplotne črpalke. Zato so za lesne sekance zdaj dovoljeni le lesni ostanki in odpadni les. Če na področju prometa primerjate avtomobil z motorjem z notranjim zgorevanjem na biogorivo z električnim avtomobilom na sončno energijo, je slaba učinkovitost motorja dodana slabšemu učinku biogoriv. Številke so zastrašujoče: površina zemljišč, ki se trenutno uporablja za pridelavo koruze in oljne ogrščice v Nemčiji za majhen delež obvezne mešanice biogoriv za bencin in dizelsko gorivo, bi se lahko uporabila za proizvodnjo vseh sedanjih potreb Nemčije po električni energiji z uporabo fotovoltaike.
- Jedrske elektrarne so bile prvo upanje za energetsko uporabo novih odkritij v fiziki. Toda dejanski proces pridobivanja energije iz cepitve redkih težkih atomov zahteva tako zapleteno dodatno opremo, da je postala zelo draga. Prvič, v nasprotju s sončnim sevanjem je treba cepljivi uran pridobivati v rudarskih dejavnostih, ki uničujejo krajino in povzročajo nizko preobremenitev s sevanjem, ter ga obogatiti z zapletenimi postopki, ki jih je treba strogo nadzorovati, da se prepreči proizvodnja materiala za izdelavo jedrskega orožja. V reaktorju se nato proizvedejo zelo nevarne radioaktivne snovi, ki jih je treba zavarovati in zaščititi z ogromnimi in dragimi svinčenimi, jeklenimi in betonskimi konstrukcijami v reaktorju in sčasoma tisoče let pri odlaganju nastalih odpadkov. Tretjič, ukvarjamo se s potencialno eksplozivno verižno reakcijo, ki jo je treba glede na nevarno naravo materialov nadzorovati z več varnostnimi ukrepi. In četrtič, celoten trud služi le za proizvodnjo vroče pare, ki se pretvori v električno energijo v konvencionalni turbini, tehnično zreli tehnologiji, ki ne more biti cenejša, z učinkovitostjo manj kot 50 %.
- Dva primera kažeta, da se lahko pojavijo tudi novi viri energije: geotermalna energija lahko izkoristi skoraj neomejene toplotne vire Zemlje z relativno nizkimi stroški z uporabo novih tehnik raziskovanja in vrtanja, ki jih omogoča nanoznanost. Vendar je njegova uporaba geografsko omejena. Nadaljnji vznemirljivi razvoj izhaja iz novih možnosti, ki jih ponuja močnostna elektronika pri novih načinih uporabe energije valov.
Hitrejši napredek fotovoltaike je tudi posledica dejstva, da so inovacijski cikli kratki: proizvodne obrate (razen prve faze za silicij visoke čistosti) je mogoče zgraditi v manj kot dveh letih, tehnično načrtovanje in gradnja PV elektrarn pa še manj časa. To pomeni, da z ustrezno politično voljo niso možne le visoke stopnje rasti, temveč se lahko izboljšave izvedejo tudi hitreje kot pri kateri koli konkurenčni tehnologiji.
Vendar pa električna energija iz sonca ni povsod enako poceni in predvsem ni enakomerno na voljo in ni neprekinjena. Da bi to nadomestili, mora energetski sistem doživeti daljnosežne spremembe. Pri tem lahko pomagajo druge temeljne inovacije, ki temeljijo na nanoznanosti, kot so močnostna elektronika, tehnologija shranjevanja (baterije itd., vključno z vodikovo tehnologijo) in pretvorba električne energije v sevanje na osnovi polprevodnikov (LED, laserji itd.). Da bi se nov, prožen in učinkovit sistem pojavil dovolj hitro, da bi preprečili nadaljnje globalno segrevanje, je nujno treba spremeniti okvirne pogoje, ki so se razvili v dvesto letih, skupaj s starimi tehnologijami.
Glede na to dinamiko ni dvoma, da bo fotovoltaika postala prevladujoči vir energije – za celotno oskrbo z energijo po vsem svetu. Glede na lokalne razmere se lahko dopolni z vetrno, geotermalno energijo ali biomaso, vendar bo njegova lokalna razpoložljivost in prenosljivost novih virov energije določila novo energetsko geografijo.
Vse to predpostavlja izvajanje resne podnebne politike in sprejemanje razumnih odločitev. To še ni zagotovljeno: velike naftne družbe so v zadnjih letih ustvarile ogromne dobičke, le majhen del teh naložb vlagajo v obnovljive vire energije in načrtujejo nadaljnjo širitev proizvodnje fosilnih goriv. Hkrati se fosilna goriva še naprej močno subvencionirajo: po podatkih Mednarodnega denarnega sklada so leta 2022 predstavljala več kot sedem odstotkov svetovnega bruto nacionalnega proizvoda.
Velika odvisnost ni nepopravljiva usoda
Če je več kot polovico zmanjšanja stroškov fotovoltaične energije mogoče pripisati nanotehnološkim inovacijam, potem ima Evropa resne možnosti, da ponovno odigra pomembno vlogo na svetovnem trgu fotovoltaičnih sistemov in postane bolj neodvisna. Potem ko je Evropa, zlasti Nemčija, po prelomu tisočletja vložila več sto milijard v razvoj fotovoltaičnih trgov – ki se večinoma plačujejo z dajatvami za male odjemalce električne energije – je Kitajska od takrat spodbudila razvoj s številnimi skritimi subvencijami in zgradila močno fotovoltaično industrijo. Vendar pa so najpomembnejše inovacije doslej prišle iz Evrope, kjer imajo še vedno sedež nekateri večji inštituti za raziskave sončne energije in proizvajalci strojev. V tehnološkem smislu Evropa še ne zaostaja – čeprav kitajski proizvajalci ne kupujejo več svojih proizvodnih strojev v Evropi, ampak jih večinoma sami proizvajajo.
Glede na to je razumljivo, da se evropske vlade in Komisija EU počasi prebujajo. Če štiri petine solarnih modulov in celo 98 % rezin, ki so potrebne zanje, prihajajo iz Kitajske, potem je to odvisnost, ki se lahko izkaže tudi za politično nevarno.
Doslej pa je primanjkovalo velikih podjetij, ki bi lahko hitro povečala obsežno proizvodnjo. Potem ko je Bosch, nemško multinacionalno inženirsko in tehnološko podjetje, med letoma 2008 in 2013 izgubilo več milijard zaradi neuspešnega vstopa v solarno tehnologijo, si nobeno evropsko podjetje ni upalo resno rešiti te teme. To sem občutil boleče, ko sem neuspešno usklajeval pobudo xGWp največjih evropskih inštitutov za raziskave sončne energije in največjega proizvajalca fotovoltaičnih sistemov za veliko evropsko sončno tovarno od leta 2013 do 2015. To se bo kmalu spremenilo: finančna podpora EU, ki je še vedno preveč obotavljiva, vodi k vrsti projektov.
Trije najpomembnejši imajo svoje korenine v takratni pobudi: sistemski proizvajalec Meyer-Burger je postal največji evropski proizvajalec fotovoltaičnih vozil, italijanska multinacionalna elektroenergetska družba ENEL upravlja rastoči obrat za proizvodnjo celic in modulov v Cataniji, novoustanovljeno podjetje Holosolis, ki ga podpirajo pristojna evropska mala in srednje velika podjetja, pa želi zgraditi tovarno z močjo 5 GW v Franciji – kot je osebno napovedal predsednik Macron.
Trenutne proizvodne zmogljivosti PV v Evropi vzdolž vrednostne verige so: 23 GW za visoko prečiščen silicij (polisilicij), 1,7 GW za ingote in rezine, 1,4 GW za celice, 9,4 GW za module in 70 GW za pretvornike — glede na pričakovano 58 GW novih fotonapetostnih naprav letos in nadaljnje tehnološko vodstvo, to je patetično. Brez milijardnih naložb velikih podjetij in večjega vlaganja javnih sredstev bo težko doseči cilj EU do leta 2030, da bo 40 % izdelkov na evropskem solarnem trgu proizvedenih v Evropi. Kitajska in zdaj tudi ZDA namenjajo znatna javna sredstva spodbujanju tega sektorja. To je, glede na podnebno krizo, zelo dobrodošlo. Brez večjih prizadevanj Evropa ne bo le zaostajala pri svojem prispevku k reševanju najbolj pereče težave, s katerim se sooča človeštvo, ampak bo zamudila tudi industrijsko priložnost in – po uničujočih posledicah odvisnosti od ruskega plina – priložnost za okrepitev zanesljivosti oskrbe.
Opomba
RUGGERO SCHLEICHER-TAPPESER je tudi avtor članka Jedrska energija v slepi ulici, ki ga je prevedel dr. Leo Šešerko.
