Fenomenalny spadek kosztów paneli słonecznych, który od lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku przekroczył niewiarygodne 99 procent, umożliwił masowe przyjęcie systemów fotowoltaicznych na całym świecie. Systemy te, które przekształcają światło słoneczne bezpośrednio w energię elektryczną, stały się kluczowym filarem globalnej transformacji energetycznej. Jednak za tym imponującym spadkiem cen nie stoi tylko jedna rewolucyjna innowacja, ale złożona sieć postępów technicznych wynikających z różnorodnych wysiłków badawczych i sektorów przemysłowych, jak ujawnia nowe badanie z Massachusetts Institute of Technology (MIT).

To szczegółowe badanie, które dogłębnie analizuje konkretne innowacje, które umożliwiły tak drastyczne obniżenie kosztów, dostarcza cennych spostrzeżeń. Jego wnioski mogą pomóc firmom z sektora odnawialnych źródeł energii w podejmowaniu skuteczniejszych decyzji dotyczących inwestycji w badania i rozwój, a twórcom polityki mogą służyć jako wskazówki do identyfikacji obszarów, które należy priorytetowo stymulować, aby przyspieszyć wzrost produkcji i wdrażania technologii słonecznych.

Złożona sieć wiedzy i innowacji

Modelowanie przeprowadzone przez badaczy jasno pokazuje, że kluczowe innowacje często pochodziły spoza samego sektora słonecznego. Obejmuje to postęp w produkcji półprzewodników, metalurgii, produkcji szkła, procesach wiercenia ropy i gazu, metodach budowlanych, a nawet w ramach prawnych. Profesor Jessika Trancik z Instytutu Danych, Systemów i Społeczeństwa MIT, która jest głównym autorem badania, podkreśla złożoność procesu poprawy kosztów. Według niej, postęp naukowy i inżynieryjny, często na bardzo podstawowym poziomie, leży u podstaw tych obniżek kosztów. Ogromna ilość wiedzy czerpana była z różnych dziedzin i branż, a właśnie ta sieć wiedzy umożliwiła ulepszenie tych technologii.

W pracy, opublikowanej w czasopiśmie PLOS ONE, do Trancik dołączyli współautorzy Goksin Kavlak, była studentka i stażystka podoktorancka IDSS, obecnie starszy współpracownik ds. energii w Brattle Group; Magdalena Klemun, również była studentka i stażystka podoktorancka IDSS, obecnie adiunkt na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa; były stażysta podoktorancki MIT Ajinkya Kamat; oraz Brittany Smith i Robert Margolis z Narodowego Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL).

Identyfikacja kluczowych innowacji

Badanie to opiera się na modelach matematycznych opracowanych wcześniej przez badaczy, które pozwoliły na rozdzielenie wpływu technologii inżynieryjnych na koszty modułów i systemów fotowoltaicznych (PV). Celem tego badania było jeszcze głębsze wniknięcie w postępy naukowe, które doprowadziły do obniżenia kosztów. Połączyli oni swój ilościowy model kosztów ze szczegółową, jakościową analizą innowacji, które wpłynęły na koszty materiałów systemów PV, etapy produkcji i procesy wdrażania.

Goksin Kavlak wyjaśnia, że ich ilościowy model kosztów kierował analizą jakościową, pozwalając im dokładnie zbadać innowacje w obszarach trudnych do zmierzenia z powodu braku danych ilościowych. Opierając się na wcześniejszych pracach, które zidentyfikowały kluczowe czynniki kosztów – takie jak liczba ogniw słonecznych na moduł, wydajność okablowania i powierzchnia płytki krzemowej – badacze przeprowadzili ustrukturyzowane przeszukiwanie literatury w poszukiwaniu innowacji, które mogłyby wpłynąć na te czynniki. Następnie zgrupowali te innowacje, aby zidentyfikować wzorce, odkrywając klastry, które obniżyły koszty poprzez ulepszanie materiałów lub prefabrykację komponentów w celu uproszczenia produkcji i instalacji. Na koniec zespół prześledził przemysłowe pochodzenie i czas każdej innowacji oraz skonsultował się z ekspertami z danej dziedziny, aby skupić się na najważniejszych innowacjach.

W sumie zidentyfikowali 81 unikalnych innowacji, które wpłynęły na koszty systemów PV od 1970 roku, od ulepszeń szkła antyrefleksyjnego po wdrożenie w pełni internetowych interfejsów do wydawania pozwoleń. Trancik zauważa, że z innowacjami zawsze można schodzić na głębszy poziom, aż do technik przetwarzania surowców, więc wyzwaniem było wiedzieć, kiedy przestać. Model ilościowy bardzo pomógł im w ugruntowaniu analizy jakościowej.

Moduły i koszty „miękkie”: Dwa oblicza systemów słonecznych

Badacze zdecydowali się oddzielić koszty modułów PV od tak zwanych kosztów bilansu systemu (BOS - Balance-of-System), które obejmują takie rzeczy jak systemy montażowe, falowniki i okablowanie. Moduły PV, które są ze sobą połączone, tworząc panele słoneczne, są produkowane masowo i mogą być eksportowane, podczas gdy wiele komponentów BOS jest projektowanych, budowanych i sprzedawanych lokalnie. Kavlak wyjaśnia, że badając innowacje na poziomie BOS i wewnątrz modułów, zidentyfikowali różne rodzaje innowacji, które pojawiły się w tych dwóch częściach technologii PV.

Koszty BOS w większym stopniu zależą od „technologii miękkich” – niefizycznych elementów, takich jak procedury wydawania pozwoleń, które w znacznie mniejszym stopniu przyczyniły się do dotychczasowej poprawy kosztów PV w porównaniu z innowacjami sprzętowymi. Trancik podkreśla, że często chodzi o opóźnienia. Czas to pieniądz, a opóźnienia na placach budowy i nieprzewidywalne procesy wpływają na te koszty bilansu systemu. Obiecujące są innowacje takie jak zautomatyzowane oprogramowanie do wydawania pozwoleń, które oznacza systemy zgodne z przepisami w celu przyspieszonego zatwierdzenia. Chociaż w tym badaniu nie zostały one jeszcze skwantyfikowane, ramy zespołu mogłyby wesprzeć przyszłą analizę ich wpływu ekonomicznego i podobnych innowacji upraszczających procesy wdrożeniowe.

Na przykład w Chorwacji i innych krajach Unii Europejskiej proces uzyskiwania pozwoleń na elektrownie słoneczne często był długotrwały i biurokratyczny. Wprowadzenie platform cyfrowych do składania wniosków, standaryzacja dokumentacji i przyspieszenie procedur administracyjnych są kluczowe dla obniżenia tych „miękkich” kosztów. Takie zmiany nie tylko zmniejszają wydatki finansowe, ale także skracają czas potrzebny na realizację projektów, co jest niezwykle ważne dla inwestorów i użytkowników końcowych.

Wzajemnie powiązane branże i transfer wiedzy

Badacze odkryli, że innowacje z przemysłu półprzewodników, elektroniki, metalurgii i naftowego odegrały dużą rolę w obniżaniu kosztów PV i BOS. Jednak na koszty BOS wpłynęły również innowacje w inżynierii oprogramowania i elektroenergetyce. Czynniki pozainnowacyjne, takie jak zyski w wydajności z zakupów hurtowych i akumulacja wiedzy w przemyśle energii słonecznej, również obniżyły niektóre zmienne kosztowe.

Ponadto, podczas gdy większość innowacji w panelach PV pochodziła od organizacji badawczych lub przemysłu, wiele innowacji BOS zostało opracowanych przez władze miast, stany USA lub stowarzyszenia zawodowe. Trancik wyraziła zdziwienie różnorodnością wszystkich tych dziedzin i ich bliskim powiązaniem, a także faktem, że ta sieć jest wyraźnie widoczna dzięki tej analizie. Klemun dodaje, że PV było bardzo dobrze przygotowane do absorpcji innowacji z innych branż – dzięki odpowiedniemu czasowi, kompatybilności fizycznej i wspierającym politykom dostosowywania innowacji do zastosowań PV.

Ten transfer wiedzy, znany jako „knowledge spillovers”, jest kluczowy dla szybkiego postępu. Na przykład techniki precyzyjnej obróbki i automatyzacji opracowane do produkcji mikroczipów w przemyśle półprzewodnikowym zostały bezpośrednio zastosowane do produkcji płytek krzemowych dla ogniw słonecznych, umożliwiając tworzenie cieńszych, bardziej wydajnych i tańszych ogniw. Podobnie postęp w metalurgii doprowadził do rozwoju nowych stopów na ramy paneli słonecznych i wsporniki, które są lżejsze, trwalsze i bardziej odporne na korozję, co zmniejsza koszty transportu i instalacji. Innowacje w produkcji szkła, takie jak rozwój szkła o niskiej zawartości żelaza i powłok antyrefleksyjnych, znacznie poprawiły przepuszczalność światła i zmniejszyły straty, zwiększając w ten sposób ogólną wydajność paneli.

Cyfrowa rewolucja i przyszłość technologii słonecznych

Analiza ujawnia również rolę, jaką większa moc obliczeniowa może odegrać w obniżaniu kosztów BOS poprzez postępy takie jak zautomatyzowane systemy do przeglądu inżynierskiego i oprogramowanie do zdalnej oceny lokalizacji. Klemun podkreśla, że jeśli chodzi o transfer wiedzy, to, co do tej pory widzieliśmy w PV, może być dopiero początkiem, wskazując na rosnącą rolę robotyki i narzędzi cyfrowych napędzanych sztuczną inteligencją w stymulowaniu przyszłych obniżek kosztów i poprawy jakości.

Sztuczna inteligencja (AI) już teraz przekształca przemysł słoneczny. Algorytmy AI mogą optymalizować projekt farm słonecznych, przewidywać produkcję energii na podstawie warunków pogodowych i danych historycznych oraz zarządzać dystrybucją energii w sieci. Roboty są coraz częściej wykorzystywane do zautomatyzowanego montażu modułów, instalacji w terenie, a nawet do czyszczenia i konserwacji paneli słonecznych, zmniejszając zapotrzebowanie na pracę ludzką i zwiększając bezpieczeństwo. Cyfrowe bliźniaki (digital twins) – wirtualne repliki fizycznych elektrowni słonecznych – umożliwiają monitorowanie wydajności w czasie rzeczywistym, przewidywanie awarii i optymalizację pracy, co dodatkowo obniża koszty operacyjne.

Oprócz analizy jakościowej, badacze pokazali, jak ta metodologia może być wykorzystana do oceny ilościowego wpływu konkretnej innowacji, jeśli dostępne są dane liczbowe do wstawienia do równania kosztów. Na przykład, wykorzystując informacje o cenach materiałów i procesach produkcyjnych, szacują, że cięcie drutem (wire sawing), technika wprowadzona w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku, doprowadziła do całkowitego obniżenia kosztów systemu PV o 5 dolarów na wat poprzez zmniejszenie strat krzemu i zwiększenie przepustowości podczas produkcji. Technika ta pozwoliła na cięcie sztabek krzemu na znacznie cieńsze płytki z mniejszą ilością odpadów, co bezpośrednio wpłynęło na obniżenie kosztów na wat.

Lekcje na przyszłość i szersze zastosowanie

Trancik podkreśla, że dzięki tej retrospektywnej analizie uczy się czegoś cennego dla przyszłej strategii, ponieważ można zobaczyć, co działało, a co nie, a modele można również stosować prospektywnie. Warto również wiedzieć, które sąsiednie sektory mogą pomóc we wspieraniu ulepszania danej technologii. W przyszłości badacze planują zastosować tę metodologię do szerokiego zakresu technologii, w tym innych systemów energii odnawialnej, takich jak elektrownie wiatrowe, systemy geotermalne i systemy magazynowania energii. Chcą również dalej badać „technologie miękkie”, aby zidentyfikować innowacje lub procesy, które mogłyby przyspieszyć obniżanie kosztów.

Chociaż proces innowacji technologicznych może wydawać się „czarną skrzynką”, badacze wykazali, że można go badać jak każde inne zjawisko. Zrozumienie złożonych interakcji między różnymi branżami, dyscyplinami naukowymi i ramami regulacyjnymi jest kluczowe dla dalszego postępu w rozwoju i wdrażaniu czystych technologii energetycznych. To badanie z MIT dostarcza solidnych ram do analizy przeszłych sukcesów i kierowania przyszłymi wysiłkami, zapewniając, że droga do zrównoważonej przyszłości energetycznej będzie jak najbardziej efektywna i opłacalna.