Bidden om een energiewonder

De doorbraak van het bedrijf is strikt verboden voor buitenstaanders. Het werk aan de technologie gaat door in een onzichtbaar deel van het uitgestrekte gebouw met één verdieping, voorbij de machinewerkplaats, de verschillende test- en fabricage-instrumenten, de grote open kantoorruimte vol met cabines. Wat een bezoeker in plaats daarvan te zien krijgt, is een dunne plak silicium die bekend is bij iedereen in de zonne-energie-industrie. En dat is precies het punt. De vooruitgang van het bedrijf heeft alles te maken met het verlagen van de kosten van de productie van conventionele zonnecellen.

Silicium redder: Emanuel Sachs, oprichter van de zonne-startup 1366, heeft een goedkopere manier bedacht om stukjes silicium om te zetten in de dunne wafels die worden gebruikt in fotovoltaïsche cellen.

In de vergaderruimte hangt een grote grafiek met de dalende kosten van elektriciteit geproduceerd door zonnepanelen in de afgelopen drie decennia. De licht hobbelige, naar beneden hellende lijn nadert een brede horizontale strook met het label netpariteit - het stadium waarin elektriciteit gemaakt met behulp van zonne-energie net zo goedkoop zal zijn als stroom opgewekt uit fossiele brandstoffen. Het is het beloofde land voor hernieuwbare energie, en het bedrijf, 1366 Technologies, gelooft dat zijn verbeteringen in productietechnieken het mogelijk kunnen maken dat zonne-energie daar eindelijk komt.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2011

Zie de rest van het probleem
Abonneren

Het is een ambitieus doel: hoewel op silicium gebaseerde fotovoltaïsche cellen, die zonlicht direct omzetten in elektriciteit, al jaren in prijs dalen, zijn ze nog steeds te duur om te concurreren met fossiele brandstoffen. Als gevolg hiervan is zonne-energie goed voor veel minder dan 1 procent van de Amerikaanse elektriciteitsproductie. En de oprichter van 1366, Emanuel Sachs, de chief technology officer van het bedrijf en een MIT-professor in de werktuigbouwkunde, zegt dat, hoewel zonne-energie zich op opvallende afstand van aardgas bevindt, bestaande zonnetechnologie niet in staat zal zijn om te concurreren met steenkool. Om steenkool te verdringen zal een ander niveau van kostenbesparing nodig zijn, zegt Sachs. Dat is waar de doorbraak van 1366 binnenkomt. Het bedrijf ontwikkelt een manier om dunne platen silicium te maken zonder ze van stevige brokken van het element te snijden, een kostbare klus. De enige manier waarop fotovoltaïsche energie kan concurreren met steenkool, is met technologieën zoals de onze, zegt hij.

Zodra fotovoltaïsche energie op prijs kan concurreren met steenkool, verandert de wereld heel erg, zegt Frank van Mierlo, de CEO van het bedrijf. Zonne-energie wordt een echt onderdeel van onze energievoorziening. We kunnen dan een aanzienlijk deel van onze energie uit de zon halen.

In een aantal opzichten weerspiegelt 1366 (de naam verwijst naar het gemiddelde aantal watt zonne-energie dat elke vierkante meter aarde gedurende een jaar raakt) de ambitie van een hele generatie energiestartups. Deze bedrijven verwijzen vaak naar baanbrekende technologieën die de economie van niet-fossiele energiebronnen opnieuw zullen definiëren. Velen werden het afgelopen decennium opgericht, tijdens een hausse in durfkapitaalfinanciering voor schone technologie - niet alleen in zonne-energie, maar ook in wind, biobrandstoffen en batterijen. Velen hebben geprofiteerd van verhoogde federale steun voor energieonderzoek sinds president Obama aantrad. Hoewel de bedrijven aan verschillende technologieën werken, delen ze een bedrijfsstrategie: schone energiebronnen goedkoop genoeg maken, zonder overheidssubsidies, om te concurreren met fossiele brandstoffen. Op dat moment zal het kapitalisme in een hogere versnelling komen en zullen investeerders zich haasten om een nieuwe energie-infrastructuur te bouwen en fossiele brandstoffen te verdringen - zo luidt het argument.

Het probleem is echter dat we waarschijnlijk niet slechts een paar doorbraken verwijderd zijn van het massaal inzetten van goedkopere, schonere energiebronnen. Hoewel weinigen de waarde van het ontwikkelen van nieuwe energietechnologieën in twijfel trekken, zal het opschalen ervan zo moeilijk en duur zijn dat veel beleidsexperts zeggen dat dergelijke vooruitgang alleen, zonder de hulp van voortdurende overheidssubsidies en andere prikkels, weinig invloed zal hebben op onze energiemix. Ongeacht de technologische vooruitgang zijn deze experts sceptisch dat hernieuwbare energiebronnen in de buurt komen van het bereiken van netpariteit, of dat batterijen bijna in staat zijn om een elektrisch voertuig te laten concurreren met auto's op gas op prijs en bereik.

In het geval van hernieuwbare energie hangt het af van hoe u netpariteit definieert en of u rekening houdt met de kosten van de opslag- en back-upstroomsystemen die nodig zijn met intermitterende stroombronnen zoals zon en wind. Als je netpariteit definieert als het leveren van elektriciteit wanneer je maar wilt, in welke volumes je maar wilt, zegt David Victor, de directeur van het Laboratory on International Law and Regulation aan de University of California, San Diego, dan komen de nieuwe hernieuwbare energiebronnen van vandaag niet eens in de buurt . En als nieuwe energietechnologieën voldoende opschalen om de uitstoot van kooldioxide te verminderen, voegt hij eraan toe, is dat de definitie die ertoe doet.

Veld van spiegels

Weinig mensen hebben meer vertrouwen in de kracht van technologie om de wereld te veranderen dan Bill Gross. En weinig ondernemers zijn zo bekend met de moeilijkheid om slimme ideeën om te zetten in commerciële technologie. In het dotcom-tijdperk startten hij en zijn bedrijf Idealab, een incubator die nieuwe bedrijven opricht en runt, een aantal van de populairste bedrijven van het tijdperk op, alleen om te worstelen toen de zeepbel barstte.

Gross sloot zich aan bij de clean-tech-rage en richtte in 2007 een bedrijf op met de naam eSolar om te werken aan thermische zonnetechnologie (zie Q&A, maart/april 2010) . Tegenwoordig worden web-, social-computing- en energieprojecten vermengd in de dicht opeengepakte kantoren van Idealab in het centrum van Pasadena, Californië. In overeenstemming met het dot-com-tijdperk-erfgoed, bezetten de kantoren een grote loftachtige ruimte vol met verschillende bedrijven of toekomstige bedrijven, waarvan sommige bestaan uit niet meer dan een paar bureaus die worden gedomineerd door grote computerschermen. Ergens in al het geborstelde metaal, zichtbare ventilatiesystemen, baanverlichting en designbureaustoelen is het kantoor van Bill Gross, een klein glazen hokje.

Net als bijna elke andere oprichter van een startup op het gebied van hernieuwbare energie, komt Gross bij de cijfers. Hij haalt een scherm tevoorschijn dat de kosten van energie uit verschillende bronnen vergelijkt, en wijst erop hoe een technologie die door eSolar wordt ontwikkeld, thermische zonne-energie goedkoper kan maken en kan helpen concurreren met fossiele brandstoffen. Thermische zonnecentrales produceren elektriciteit door een enorm veld van spiegels te gebruiken om het zonlicht op een hoge centrale toren te richten, waar water wordt verwarmd om stoom te produceren die elektriciteit opwekt. Grote energiecentrales die de technologie gebruiken, kunnen goedkoper elektriciteit produceren dan die met siliciumzonnepanelen, hoewel de thermische benadering nog steeds duurder is dan stroom uit steenkool of zelfs wind. Verschillende van dergelijke fabrieken zijn over de hele wereld actief en er worden er meer gebouwd (zie Chasing the Sun, juli/augustus 2009) . In 2006, toen het gigantische Californische nutsbedrijf PG&E een bod uitbracht op een thermische zonne-installatie van 300 megawatt (die nu wordt gebouwd door een bedrijf genaamd BrightSource), raakte Gross opgewonden en begon hij met zijn werknemers samen te werken om de economie te verbeteren.

Het is niet verrassend dat de oplossing van Gross gebaseerd is op software. Grote thermische zonnecentrales kosten meer dan een miljard dollar om te bouwen, en een reden voor de hoge kosten is dat tienduizenden speciaal vervaardigde spiegels nauwkeurig moeten worden gerangschikt zodat ze het zonlicht correct focussen. Maar wat als u gewone spiegels op een eenvoudig metalen rek zou gebruiken en vervolgens software zou gebruiken om ze te kalibreren, waarbij u elke spiegel aanpast om zijn positie ten opzichte van de zon en de centrale toren te optimaliseren? Het zou enorme hoeveelheden rekenkracht vergen om alle spiegels in een elektriciteitscentrale op grote schaal te manipuleren, maar rekenkracht is goedkoop - veel goedkoper dan ingenieurs en technici betalen om de spiegels moeizaam met de hand te positioneren. De potentiële besparingen zijn volgens Gross indrukwekkend; hij zegt dat eSolar een veld met spiegels kan installeren voor de helft van wat het kost in andere thermische zonne-installaties. Als gevolg hiervan verwacht hij elektriciteit te produceren voor ongeveer 11 cent per kilowattuur, verleidelijk dicht bij de prijs van stroom uit een fossiele brandstofcentrale.

Toch is het niet goed genoeg, althans niet in de Verenigde Staten, waar aardgascentrales stroom kunnen produceren voor ongeveer 6 cent per kilowattuur. In Lancaster, Californië, aan de rand van de Mojave-woestijn, heeft eSolar een faciliteit gebouwd met 24.000 spiegels; het is in staat om vijf megawatt aan vermogen te produceren. Maar eSolar heeft geen nieuwe deals gesloten om grootschalige projecten te bouwen op basis van de technologie van het bedrijf in de Verenigde Staten. In plaats daarvan doet het zaken in delen van de wereld waar de elektriciteitsprijzen hoger zijn of de subsidies voor hernieuwbare energie groter zijn; het bouwt een fabriek van 2,5 megawatt in India en heeft een overeenkomst getekend voor een grote fabriek in China. Het probleem in de Verenigde Staten is hetzelfde probleem waarmee alle dromen over alternatieve energie worden geconfronteerd: kosten. De prijzen voor aardgas zijn gedaald tot historisch lage niveaus, wat betekent dat thermische zonne-energie nog goedkoper moet worden om te kunnen concurreren. Om een kans te maken in de Verenigde Staten, erkent Gross, moet eSolar zijn elektriciteit niet meer dan 7,5 cent per kilowattuur kosten.

Om daar te komen, is nog een technologische vooruitgang nodig. Een nadeel van zonne-energie is dat het maar een deel van de dag elektriciteit produceert. Fotovoltaïsche panelen produceren op efficiënte wijze stroom gedurende ongeveer vijf en een half uur per dag, wanneer de zon het meest direct boven het hoofd staat. Zonnethermische systemen kunnen wat langer werken, omdat het verwarmde water later in de middag turbines kan aandrijven; De technologie van eSolar levert dagelijks ongeveer zeven uur stroom zonder opslag. En Gross zegt dat het gebruik van gesmolten zouten in plaats van water om de warmte van de centrale toren naar de stoomgenerator te transporteren, een thermische zonne-installatie in staat zal stellen de warmte veel langer op te slaan en tot 16 uur per dag elektriciteit te produceren. Dat zal de kosten van zijn elektriciteit verlagen tot de beoogde 7,5 cent per kilowattuur. Hij voorspelt dat eSolar volgend jaar een commerciële fabriek zal hebben met het gesmolten-zoutontwerp.

Als de doelpalen net buiten het bereik van nieuwe energietechnologieën blijven bewegen, lijkt Gross niet geschrokken. Uiteindelijk, zegt hij, heeft de technologie van eSolar geen subsidies nodig om te concurreren met aardgas, en de lucht zal de limiet zijn. Zonne-energie is perfect voor een enorm deel van de planeet, zegt hij, terwijl hij vrolijk een wereldkaart laat zien met een grote gordel rond het midden in rood en donkeroranje, wat wijst op hoge niveaus van zonnestraling. Zelfs in dit land, zegt Gross vol vertrouwen, zal zonne-energie in 2050 goed zijn voor de helft van alle elektriciteitsproductie, met ten minste 50 procent van die geproduceerd door thermische zonne-energiecentrales.

Geen fouten

Terwijl Bill Gross een paar cruciale centen uit de kosten van zonne-energie probeert te persen, werken onderzoekers van Caltech, een paar kilometer verderop, aan een andere oplossing. Ze proberen een fundamenteel nieuwe manier uit te vinden om vloeibare brandstoffen rechtstreeks uit zonlicht te produceren, geïnspireerd op de manier waarop groene planten zonlicht omzetten in suikers. Als deze zoektocht naar kunstmatige fotosynthese slaagt, zal het een van de fundamentele uitdagingen van zonne-energie aanpakken: hoe de energie op te slaan totdat deze nodig is. Het potentieel van deze visie lijkt de directeur van de inspanning, Nate Lewis, te bezielen. Hij spreekt soms in bulletpoints onderbroken door een mix van opwinding en ongeduld. Geen beestjes, geen draden, zegt hij. Geen bugs, geen draden. Ik meen wat ik zeg: geen draden. Bladeren hebben geen draden. In komen zonlicht, water en CO2, en uit komen brandstoffen.

Zonnespiegeling? Een eSolar-demonstratiefaciliteit in Lancaster, Californië, gebruikt 24.000 spiegels en kan vijf megawatt elektriciteit produceren. Maar eSolar heeft geen Amerikaanse deals voor vergelijkbare fabrieken.

Dit onderzoek - een gezamenlijk project van Caltech en Lawrence Berkeley National Lab - zal gedurende vijf jaar worden ondersteund door $ 122 miljoen van het Amerikaanse ministerie van Energie, in afwachting van de toekenning van de fondsen door het Congres. We hebben stukken. Het maken van brandstoffen uit zonlicht met foto-elektrische chemie werkt, zegt Lewis, hoogleraar scheikunde aan Caltech. Maar een praktisch apparaat moet goedkoop, efficiënt en robuust zijn. Op dit moment kan ik je twee van de drie tegelijk geven, zegt hij. Ons doel is alle drie. Fundamentele wetenschappelijke problemen staan in de weg. Onder hen: de onderzoekers moeten kosteneffectieve katalysatoren vinden voor de chemische reacties die water breken in zuurstof en waterstof.

Na 100 jaar onderzoek kun je op één hand de klassen van verbindingen tellen die goede katalysatoren zijn voor wateroxidatie, zegt Lewis; we hebben niet nog eens honderd jaar om betere te vinden. Gebruikmakend van het soort high-throughput experimentele methoden en geautomatiseerde technieken die steeds vaker worden gebruikt bij het ontdekken van geneesmiddelen, zal het centrum een miljoen verbindingen per dag screenen op katalytische activiteit. We zullen de activiteit van meer katalysatoren op één dag evalueren, ontdekken en kwantificeren dan er door de geschiedenis heen is gedocumenteerd, zegt hij.

Ondertussen zal een team van systeemontwerpers en hardware-experts beginnen met het ontwerpen en bouwen van prototype-apparaten. Het is hun taak om vanaf de eerste dag prototypes te bouwen, zegt Lewis. We verwachten [de prototypes] binnen de eerste twee of drie jaar te hebben. Die eerste prototypes zullen bijna absoluut mislukken, zegt hij, maar ze zijn de enige manier om tot een praktisch systeem te komen: we weten niet hoe het eruit moet zien. Waar komt het water uit? Waar komt het zonlicht binnen? Als je het ding niet bouwt, kun je het ding ook niet bouwen.

De uitdaging om goedkopere en schonere energie te vinden wordt vaak vergeleken met de race om een man op de maan te krijgen. Maar er is minstens één belangrijk verschil: het succes om mensen de ruimte in te krijgen werd niet beoordeeld op basis van de kosten ervan. Hoe slim Lewis' technologie ook is, het zal het probleem niet oplossen tenzij het als basis kan dienen voor een duurzaam bedrijf. We zijn niet NASA die naar de maan gaat, zegt Lewis. Als je niet kunt concurreren op kosten, is het uiteindelijk niet de moeite waard om te doen. En, voegt hij eraan toe, gezien de fluctuerende olieprijs, moet je iets hebben dat eruitziet alsof het echt storend is in termen van kosten: als je maar dichtbij bent, is het voor niemand goed.

Wereld van bezuinigingen

In het afgelopen decennium hebben veel Amerikaanse energiedeskundigen en economen betoogd dat de regering een prijs moet vaststellen voor de uitstoot van kooldioxide. Ze zeggen dat een koolstofprijs - in de vorm van een belasting of een cap-and-trade-systeem - een economisch efficiënte en technologisch rechtvaardige manier zou zijn om ons gebruik van fossiele brandstoffen te verminderen. Het zou de kosten van energie uit die brandstoffen opdrijven, waardoor schonere technologieën hen op de markt kunnen uitdagen zonder dat de overheid bepaalde keuzes moet steunen. De Europese Unie heeft in 2005 een cap-and-trade-systeem ingevoerd, maar de Verenigde Staten - tot voor kort 's werelds grootste energiegebruiker en misschien wel nog steeds het leidende centrum van energie-innovatie - hebben dit niet gedaan.

Dat heeft ertoe geleid dat experts op het gebied van energiebeleid discussiëren over hoe verder te gaan, vooral nu de subsidies en andere voordelen voor schone energie in de federale stimuleringswet van 2009 aflopen. Sommigen zien een kans om zich te concentreren op het bedenken van nieuwe manieren om schone energie goedkoper te maken dan fossiele brandstoffen. Een dergelijke innovatie, beweren ze, is de enige manier om een enorme vermindering van het gebruik van fossiele brandstoffen te bereiken. Microsoft-oprichter Bill Gates is een van de investeerders die dergelijke energiewonderen hopen te stimuleren (zie Q&A, september/oktober 2010) .

Critici van die mening zijn echter van mening dat het belangrijker is om zo snel mogelijk te focussen op het vergroten van het gebruik van schone energietechnologieën door middel van overheidssubsidies en andere prikkels. Het is gevaarlijk om te geloven dat al deze geweldige technologieën het probleem zullen oplossen, zegt Joseph Romm, senior fellow bij het Center for American Progress, een in Washington gevestigde denktank. De waarheid is, zegt hij, doorbraken komen niet vaak voor.

In feite worden de meeste technologieën beter en goedkoper naarmate ze worden gecommercialiseerd en gebruikt, niet in het laboratorium. Dat betekent dat we zowel onderzoek naar nieuwe energietechnologieën nodig hebben en overheidsbeleid dat implementatie, gebruik en verbetering ondersteunt. Er is een nauw verband tussen deze inspanningen. Totdat je met de implementatie begint, ken je de uitdagingen niet, zegt Romm. Zoveel geweldige ideeën gebeuren in het lab, maar slagen niet in de markt. Het is het heen en weer schakelen tussen implementatie en R&D waardoor u snel kunt innoveren.

Een van de meest succesvolle van de recente energiestartups is A123, een batterijbedrijf gevestigd in Watertown, Massachusetts. A123, dat in 2009 een openbare aanbieding van zijn voorraad had, maakt lithium-ionbatterijen die zijn ontworpen om veiliger te zijn en langer mee te gaan dan de meer conventionele versies; het geheim zijn elektroden gemaakt van composietmaterialen op nanoschaal. Opmerkelijk is dat het bedrijf in minder dan drie jaar van laboratoriumtests van zijn technologie naar commerciële productie ging. Het heeft geprofiteerd van de sterke vraag van autofabrikanten die wanhopig op zoek zijn naar elektrische voertuigen en van een overheidssubsidie van $ 250 miljoen om de bouw van zijn productiefaciliteiten te helpen financieren (zie demo) .

Maar drie jaar geleden, terwijl A123 nog steeds bezig was zijn producten te commercialiseren, was medeoprichter Yet-Ming Chiang, een materiaalwetenschapper van het MIT, al op zoek naar zijn volgende doorbraak. Hij werkte aanvankelijk bij A123 en later met collega's van het MIT en de Rutgers University en begon een technologie uit te vinden die veel goedkoper en gemakkelijker te produceren zou zijn dan bestaande lithiumbatterijen. Hij wilde een batterij waarmee elektrische auto's veel verder konden rijden op een lading, en een batterij die een praktische manier zou bieden om stroom op het elektriciteitsnet op te slaan. De oplossing: een compleet nieuw type batterij, wederom op basis van nanomaterialen.

Vorig jaar spinde A123 24M af, een startup die de technologie gaat testen en mogelijk commercialiseren. Het bedrijf wil voldoen aan het doel van het Department of Energy om batterijen voor elektrische voertuigen te ontwikkelen die energie kunnen leveren voor ongeveer $ 250 per kilowattuur, in tegenstelling tot de huidige standaard van ongeveer $ 500 tot $ 600. Het resultaat zou de kosten van een batterij voor een volledig elektrisch voertuig halveren. Het zou, zegt Chiang, de wijdverbreide acceptatie van elektrische voertuigen mogelijk maken.

Zelfs als Chiangs nieuwste batterijcreatie onpraktisch blijkt, illustreren de uitvinding en de oprichting van 24M de voordelen die voortvloeien uit de commercialisering van energietechnologieën en de iteratieve aard van innovatie. De batterijen van A123 hielpen een markt tot stand te brengen waarin nieuwere ontwikkelingen kunnen concurreren, en ze verduidelijkten de grenzen van de technologie van de eerste generatie. Niets van dat alles zou zijn gebeurd zonder federale steun. Overheidsbeleid is absoluut cruciaal, zegt Chiang, zowel voor het onderzoeken van nieuwe batterijtechnologieën als voor het opschalen van bestaande.

Hoewel sommige alternatieve energietechnologieën uiteindelijk netpariteit kunnen bereiken, kunnen er nu weinig of geen zonder subsidies overleven, omdat ze hun kosten en efficiëntie verbeteren. Zelfs met subsidies, waaronder fiscale stimuleringsmaatregelen en geldelijke subsidies, hebben de meesten moeite om de kostenkloof met fossiele brandstoffen te verkleinen. Zoals Lewis van Caltech zegt, dichtbij komen is niet goed genoeg. Het gevaar is dat als we ons concentreren op energiewonderen en het potentieel van baanbrekende technologieën overdrijven, de noodzaak van een coherent overheidsbeleid ten gunste van energieverandering vergeten zal worden. Alle geliefde energietechnologieën - in wezen alle hernieuwbare energiebronnen en alle door het elektriciteitsnet aangedreven elektrische voertuigen - zijn afhankelijk van enorme subsidies, zegt David Victor van UC San Diego. En niemand weet echt hoe een wereld van fiscale bezuinigingen eruit zal zien voor deze technologieën.

Opties voor schone energie hebben nog een lange weg te gaan, vooral als het gaat om het opslaan van elektriciteit, het verlagen van de kosten van hernieuwbare energiebronnen en het verbeteren van de prestaties en kosten van batterijen. Bedrijven als 1366 en eSolar pakken deze uitdagingen aan. Maar alleen afhankelijk zijn van doorbraken om onze energieproblemen op te lossen, is onrealistisch. Dergelijke vorderingen moeten plaatsvinden in de bredere context van een gecoördineerde inspanning om deze energiebronnen in te zetten. Dat vereist internationale overheidsstrategieën die niet alleen onderzoek ondersteunen, maar ook testen, bouwen en commercialiseren.

Het inzetten van energiealternatieven zal veel duurder zijn en in sommige opzichten veel moeilijker dan het bedenken van nieuwe. Gezien het huidige politieke klimaat en het gebrek aan een coherent energiebeleid over de hele wereld, zou er echt een wonder kunnen gebeuren.

211service.com