Blog

Jak się rodzą nowe technologie wytwarzania energii?

Jak się rodzą nowe technologie wytwarzania energii?

Empiryczną wiedzę o innowacjach czerpiemy z sektora IT, bo tam rodzi się ich najwięcej. Patrząc na tempo w jakim tablet i smartfon pojawiły się w naszym codziennym życiu spodziewamy się, że już za 10 lat drogi zapełnią się samochodami elektrycznymi a energia elektryczna będzie wytwarzana w dużych ilościach z wiatru i słońca.

Spójrzmy na fotowoltaikę. Moc paneli słonecznych zainstalowanych na świecie wzrosła z mniej niż 1 GW w 2000 r. do 39 GW w 2010 r. i 176 GW w 2014 r. Liczby układają się we wzrost wykładniczy, w tempie blisko 45% średniorocznie. Co dwa lata następuje podwojenie mocy. Zgodnie z prawem Swansona fotowoltaika szybkimi krokami zbliża się do „parytetu sieci”, który, jak sądzimy, otworzy drogę do masowego przechodzenia na wytwarzanie energii z tego źródła. Także w przypadku turbin wiatrowych, które mają dłuższą historię, ich globalna moc rosła w latach 2005-2014 w tempie 22% i podwajała się mniej więcej co trzy i pół roku a parytet sieci już został osiągnięty.

Jednakże z przenoszeniem innowacyjnych doświadczeń z sektora IT na perspektywy nowych technologii wytwarzania energii trzeba być bardzo ostrożnym, zwłaszcza gdy chodzi o ich przebieg w czasie. Podstawowym czynnikiem różnicującym cykle innowacji w IT i w wytwarzaniu energii jest długości ekonomicznego życia urządzeń: dwa lata w przypadku smartfonów i co najmniej dwadzieścia lat w przypadku paneli słonecznych czy turbin wiatrowych. Gdybyśmy chcieli zaopatrzyć wszystkich właścicieli smartfonów na świecie w nowe urządzenia, zajęłoby to około dwóch lat. Po takim czasie ludzie wymieniają smartfony na nowe a potencjał tego przemysłu jest dostosowany do stopy zastąpienia równej 50%. Gdybyśmy chcieli zaoferować wszystkim właścicielom domów nowe domy, zabrałoby to znacznie więcej czasu. Pewnie 50 lat. Światowy potencjał budowy domów dostosował się do dwuprocentowej stopy zastąpienia. Z tej perspektywy panele słoneczne i turbiny wiatrowe są bardziej podobne do domów niż do smartfonów. Co roku będzie się wymieniać na nowe kilka procent tych urządzeń. Przemysły tych źródeł energii, gdy już osiągnie stan dojrzałości, dostosuje swój potencjał do tej stopy zastąpienia. Obecnie oba przemysły nadal znajdują się w fazie budowania potencjału a ich kontrybucja (netto) do światowej podaży energii jest ujemna. Kiedy możemy się spodziewać osiągniecia stanu dojrzałości przez te technologie?

Jak twierdzą M.L. Cardozo, G. Lange i G.J. Kramer, w opublikowanym w grudniu 2015 eseju „The cradle of new energy technologies. Why we have solar cells but not yet nuclear fusion”, zamieszczonym w książce „The colours of energy. Esseys on the future of energy and society”, trochę to jeszcze potrwa i nie wykluczone, że w tym samym czasie stan dojrzałości osiągnie także technologia kontrolowanej fuzji jądrowej. Do takiego wniosku doprowadził autorów dość prosty matematyczny model dojrzewania innowacyjnych technologii, wykorzystującego znaną z literatury krzywą S

W największym skrócie: rozwój każdej nowej technologii wytwarzania energii przebiega przez trzy fazy. Najpierw pojawia się wykładniczy wzrost i zainstalowane moce podwajają się co 3-4 lata. Faza ta może trwać kilka dekad. Z perspektywy ekonomicznej jest to faza skalowania innowacji, czyli intensywnego inwestowania w nową technologię. W tej fazie trzeba wybudować fabryki, wytworzyć dedykowane maszyny i urządzenia, zbudować infrastrukturę, zbudować łańcuchy dostaw materiałów, wydobyć odpowiednie surowce, wykształcić kadrę pracowniczą. W tym czasie technologia ze skali laboratoryjnej osiąga skalę „materialną”. Jej przemysł światowy staje się nowym źródłem energii (producentem netto), które zaczyna być widoczna na radarze globalnego rynku energii.

Według autorów, nowa technologia o docelowym potencjale wytwarzania energii, wynoszącym 10% globalnego popytu, materializuje się przy zaspokojeniu 1% popytu. Osiągnięcie tej skali mocy wiąże się ze znacznym rozwojem nowej gałęzi przemysłu. Na przykład, w 2012 r. łączne inwestycje w fotowoltaikę na świecie wyniosły 100 miliardów dolarów, nieco ponad 1% światowych wydatków na energię. Jednakże udział fotowoltaiki w globalnym popycie na energię nie przekraczał jeszcze 0,1%.

Osiągnięcie stanu dojrzałości wpływa na dalszą trajektorię rozwoju nowej technologii. Wzrost wykładniczy ustępuje miejsca wzrostowi liniowemu, kiedy co roku do użytku oddawane są podobne przyrosty mocy. Ta faza trwa też kilka dekad i kończy się, gdy technologia osiąga swój globalny potencjał. Po niej następuje faza nasycenia i poziom mocy dalej nie wzrasta.

Taki kształt i właściwości krzywej S w przypadku innowacyjnych technologii wytwarzania energii prowadzą do niebanalnych wniosków.

• Konsekwencją wykładniczego wzrostu i podwajania produkcji w mniej więcej stałych interwałach jest to, że w pierwszej fazie wzrostu mocy nowe technologie zużywają (globalnie) więcej energii niż wytwarzają.
• Zużywanie (netto) energii w pierwszej fazie rozwoju OZE (intensywnego inwestowania) znaczy, że technologie te nie redukują jeszcze emisji dwutlenku węgla w skali świata ani też nie generują żadnego dochodu (nie osiągają parytetu sieci).
• Rozwój nowych technologii wytwarzania energii w pierwszej fazie w całości polega na zewnętrznym finansowaniu inwestycji z środków publicznych (podatków).
• Jest to inwestycja niezbędna, kosztowna, a nakłady trzeba ponieść z wyprzedzeniem kilku dekad w stosunku okresu zwrotu.

O jakiej skali inwestycji mówimy? Autorzy wykazują, że na to, aby nowa technologia osiągnęła jednoprocentowy udział w globalnym popycie na energię, trzeba w horyzoncie kilku dekad wyłożyć 900 – 1 800 miliardów euro. Dotyczy to zarówno fotowoltaiki, jak i fuzji termojądrowej. Różnić się będzie jedynie rozkład inwestycji w czasie. Prototypowa komórka fotowoltaiczna wyszła z laboratorium ponad 60 lat temu a reaktor ITER o mocy 500 megawatów jest dopiero w budowie. Fuzja termojądrowa, jeśli się rozwinie, zrobi to w kilku wielkich krokach, obarczonych wielkim ryzykiem niepowodzenia. Natomiast fotowoltaika będzie dalej podążać małymi kroczkami, z których każdy wiąże się z relatywnie małym ryzykiem, którym łatwiej zarządzać. Ten profil ryzyka a nic innego daje obecnie przewagę fotowoltaice.

Jak długo może trwać faza wykładniczego wzrostu (okres intensywnych inwestycji z środków publicznych)? Autorzy wyliczają, że nowa technologia wytwarzania energii, która opuszcza laboratoria z globalnym potencjałem 10 megawatów efektywnej średniorocznej mocy musi wzrosnąć 20 000 razy by osiągnąć moc odpowiadającą 1% globalnego popytu na energię. To odpowiada ponad 14 podwojeniom. Gdyby podwojenia następowały regularnie co trzy lata, potrzeba 40 lat wykładniczego wzrostu, zanim świat otrzyma pierwszą korzyść z tej technologii.

Czy można ten okres skrócić? Autorzy podpowiadają, że można. Z właściwości wykładniczego wzrostu wynika, że 50% mocy jest instalowanych w kilku ostatnich latach przed materializacją a proces ten pochłonie 50% nakładów finansowych. Dlatego warto przyspieszyć wcześniejszą fazę, gdy roczne nakłady inwestycje są na znacznie niższych poziomach. Im wcześniejszy etap rozwoju, tym więcej można zyskać tańszym kosztem. Nie ma powodu, by nie przeskoczyć kilku generacji technologii, podejmując większe ryzyko. Te ryzyka są małe w porównaniu z korzyściami społecznymi i ekonomicznymi, które można osiągnąć przy wcześniejszym rozpoczęciu fazy produkcyjnej.

Jeszcze bardziej korzystne, ale trudniejsze do zarządzania, byłoby przyspieszenie fazy badań nowych technologii, poprzedzającej fazę wykładniczego wzrostu. Budżety badawcze są zaledwie ułamkami wydatków ponoszonych w fazie implementacji przemysłowej.

Do góry