Dziś kontynuujemy wątek źródeł postępu technologicznego – głównego tak naprawdę źródła wzrostu gospodarczego. Argumentowaliśmy wcześniej, że innowacje pojawiają się tam, gdzie jest na nie rynek, a gdy takiego rynku brakuje to trzeba go stworzyć.
Co jednak zrobić, gdy rynek na naszą innowację istnieje, ale zanim stanie się ona konkurencyjna miną dekady badań i rozwoju? Przed takim problemem stanęły ogniwa fotowoltaiczne. Pozyskiwanie energii ze słońca było znane od lat 50. XX w., ale dopiero w ostatnich latach technologia ta zaczęła być konkurencyjna względem tradycyjnej energetyki. Do tego stopnia, że połowa nowych mocy zainstalowanych w amerykańskiej energetyce w tym roku będzie pochodzić z fotowoltaiki (źródło).
Masz drogą technologię? Poszukaj swojej niszy.
Pierwsze ogniwa fotowoltaiczne na bazie krzemu (wykorzystywanego do dziś) zostały skonstruowane w 1954 r. w Bell Labs w USA. Osiągały one sprawność rzędu 6% – czyli 6% energii świetlnej, która na nie padała była zamieniana na energię elektryczną. Do swojego działania wymagały jednak bardzo czystego krystalicznego krzemu, który był niezwykle drogim materiałem (ok. 10 tys. USD za kg w cenach z 2021). Nie były więc konkurencyjne i najpewniej uległyby zapomnieniu, gdyby nie raczkujący przemysł kosmiczny. Przy budowie pierwszych satelitów nikt nie liczył się z kosztami a i możliwości ich zasilania było niewiele: ogniwa fotowoltaiczne lub baterie. Te pierwsze okazały się trwalsze i lżejsze. W ten sposób fotowoltaika zyskała pierwszego i do połowy lat 70. głównego klienta.
Gorsze, ale dużo tańsze kryształy. Kolejna nisza.
Kolejny impuls do rozwoju fotowoltaiki przyszedł paradoksalnie z sektora wydobywczego – konkretnie z firmy Exxon, która spodziewając się dużego wzrostu popytu na energię postanowiła zainwestować w alternatywne jej źródła, w tym firmę Solar Power Corporation. Ulepszyła ona ogniwa poprzez obniżenie ich jakości – zrezygnowała z docinania i polerowania płytek krzemowych. Stały się przez to mniej sprawne i bardziej zawodne, ale też dużo tańsze. Były stosowane do zasilania platform wiertniczych, boi nawigacyjnych i latarni morskich.
Osobną niszą wymyśloną przez Japończyków stało się w tym samym okresie zasilanie małej elektroniki użytkowej, np. kalkulatorów. Do tego celu wykorzystywano krzem amorficzny jeszcze niższej jakości, ale o jeszcze niższej cenie.
Subsydia i ekonomia skali
Wciąż jednak nie mogły one konkurować z paliwami kopalnymi jako źródło elektryczności w sieci energetycznej. Dalsze prace badawczo-rozwojowe nad fotowoltaiką były finansowane przez sektor publiczny, przede wszystkim Japonię i Niemcy, którym zależało na uniezależnieniu się od paliw kopalnych a w przypadku Niemiec też energetyki jądrowej. Później do wyścigu dołączyły Chiny. Postęp dokonywał się na dwóch podstawowych polach:
1. Zwiększenie sprawności pojedynczego ogniwa do 13-20%, dzięki stosowaniu lepszych materiałów pod względem pochłaniania energii świetnej, np. bardziej przejrzystych powłok zewnętrznych.
2. Ekonomia skali. Pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne stały się większe, dzięki czemu potrzeba było mniej czynności produkcyjnych i montażowych na jednostkę powierzchni panelu fotowoltaicznego. Panele te zaczęto produkować oraz instalować masowo, co przyniosło kolejne oszczędności.
Ekonomię skali w przypadku fotowoltaiki dobrze ilustruje fakt, że koszty wytwarzania energii za jej pomocą spadały w tempie wykładniczym w miarę zwiększania skali jej wykorzystania, z ok. 10 tys. USD za MWh na początku lat 80. do poniżej 100 USD obecnie (źródło).
Krzywa uczenia się dla fotowoltaiki
Spadek wyrównanych kosztów energii z fotowoltaiki (w USD z 2020 za MWh) w miarę zwiększania skali jej wytwarzania
Co wyróżnia fotowoltaikę?
Przypadek fotowoltaiki jest wyjątkową historią sukcesu, którą można postawić obok Prawa Moore’a, ale trudno traktować za punkt odniesienia dla innych technologii. Szczególnym memento jest tu energetyka jądrowa, która po relatywnie krótkim okresie dynamicznego rozwoju od lat 60. do 80. zatrzymała się a nawet zaczęła się cofać pod względem kosztochłonności (źródło).
Natrafiliśmy na bardzo ciekawe wyjaśnienie, czemu niektóre technologie są bardziej podatne na postęp niż inne. Jego autorzy: Malhotra, A. i Schmidt, T. argumentują, że kluczowe są dwa wymiary: złożoność i możliwość standaryzacji. Najbardziej podatne na rozwój, zwłaszcza wynikający z ekonomii ekonomię skali są technologie, które cechują się jednocześnie prostotą i standaryzacją.
Źródła podatności technologii na rozwój
Fotowoltaika jest modułowa. Pojedyncze ogniwo ma prostą strukturę: dwie płytki krzemowe z domieszkami innych pierwiastków oddzielone warstwą zaporową. Brak tu ruchomych elementów, brak potrzeby zasilania, brak produktów ubocznych, itd. Ogniwa fotowoltaiczne można budować w różnych rozmiarach i dowolnie łączyć ze sobą w moduły o standardowej mocy. I mogą być instalowane w praktycznie dowolnych miejscach gdzie pada słońce bez żadnej dodatkowej filozofii.
Energetyka jądrowa jest na dokładnie przeciwnym biegunie. Każda elektrownia to niezwykle rozbudowana instalacja, ze skomplikowanym chłodzeniem, licznymi systemami bezpieczeństwa, itd. Buduje się ich niewiele i każda jest szyta na miarę. Ekonomia skali jest bardzo trudna do uzyskania, choć trwają próby wprowadzenia elementów produkcji seryjnej w nowej generacji małych reaktorów jądrowych, tzw. SMR-ów. Nie znaczy to, że budowa bloków jądrowych musi być nierentowna. Jeśli chodzi o sterowalne źródła energii, czyli niezależne od warunków pogodowych, to brakuje im konkurencji w postaci technologii o dużym potencjale rozwoju – jak fotowoltaika. A takie źródła w systemie też są potrzebne.
Wnioski ekonomiczne
· Ekonomia skali jest jednym z najsilniejszych motorów postępu technologicznego. Warto stawiać na technologie, które na taką ekonomię są podatne, a więc proste i możliwe do ustandaryzowania. Podobne cechy jak fotowoltaika mają np. baterie albo elektrolizatory.
· Obiecującym kierunkiem badań i rozwoju nowych technologii jest upraszczanie i standaryzowanie, nawet kosztem jakości.
· Mniej doskonałe kryształy krzemu okazały się bardzo lepsze dla rozwoju fotowoltaiki niż te doskonałe. Podobnie jest najpewniej z kryształami azotku galu i grafenem, które próbowali komercjalizować Polacy.
· Krzywe uczenia się potrafią być tak strome, że technologie, które nie rokują na sukces na starcie, po kilku latach lub dekadach potrafią zrewolucjonizować całe sektory gospodarki.
· Subsydia publiczne na rozwój niszowych technologii nie zawsze są marnotrawstwem. Czasem są konieczne do uzyskania wystarczających efektów skali, by temat mogły przejąć podmioty prywatne.
· Nawet bardzo kosztowne technologie na wczesnym etapie rozwoju mogą znaleźć swoje nisze, w których okazują się rentowne.
Zespół Analiz i Prognoz Rynkowych Banku Pekao
