تحلیلگران مسیرهای از آزمایشگاه به بازار را برای فناوری های انرژی پاک مطالعه می کنند

7 دسامبر 2022 – توسط Madeline Geocaris و Andrea Wuorenmaa، آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر- اولین آرایه آزمایشی PV کادمیوم تلوراید خورشیدی 0.6 کیلووات، که در ژوئن 1995 در مرکز آزمایش در فضای باز NREL نصب شد. اعتبار: دنیس شرودر، NREL

تحقیق و توسعه (R&D) برای توسعه فناوری های جدید انرژی پاک حیاتی بوده است. با این حال، برای پیشرفت فناوری‌ها از آزمایشگاه تحقیقاتی به محصولات تجاری قابل دوام، باید بر بسیاری از موانع غلبه کرد. برای تکرار چنین مسیرهایی برای فناوری‌های انرژی پاک آینده، درک دوره بحرانی بین نمایش‌های تحقیقاتی و اولین تجاری‌سازی مهم است.

تحلیلگران آزمایشگاه ملی انرژی های تجدیدپذیر (NREL)، موسسه مشترک تحلیل انرژی استراتژیک (JISEA) و وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) مطالعات موردی اولین تجاری سازی چهار فناوری انرژی پاک را تجزیه و تحلیل کردند: خورشیدی فیلم نازک فتوولتائیک (PV) پانل ها، توربین های بادی، اواپراتورهای دو مرحله ای برای تبرید، و سلول های سوختی برای تجهیزات جابجایی مواد.

یافته‌های مطالعات موردی – منتشر شده در مقاله Frontiers in Energy Research – سه مؤلفه مشترک را برای پیشرفت موفقیت‌آمیز در تجاری‌سازی آشکار کرد:

 (1) تناسب خوب بین مشارکت‌های دولتی-خصوصی، زیرساخت تحقیق و توسعه، و خود فناوری.

 (2) همسویی مناسب مقررات دولتی، اولویت های تحقیق و توسعه و نیروهای بازار.

(3) زمان مناسب بین آمادگی فناوری و فرصت بازار.

وایات مریل، مدیر فناوری DOE و نویسنده همکار، گفت: «این یافته‌ها می‌تواند به اطلاع‌رسانی در تصمیم‌گیری سرمایه‌گذاری در انرژی پاک، به حداکثر رساندن منافع حاصل از تحقیق و توسعه، و پیشبرد انتقال به آینده مولد و کم انتشار کمک کند.

از دهه 1980 تا اوایل دهه 2000، DOE تحقیقاتی را در مورد سلول‌های PV لایه نازک، از جمله برنامه‌های مشارکتی به رهبری NREL و تأمین مالی مستقیم به تولیدکنندگان خورشیدی مانند First Solar تأمین مالی کرد.

اکوسیستم نوآوری نمایش رکوردشکنی (در آن زمان) راندمان سلولی 15.8 درصد و یک تکنیک ساخت جدید را امکان پذیر کرده بود که به First Solar اجازه می داد ماژول های PV لایه نازک را در مقیاس بزرگتر تولید کند – جایگزینی فرآیند تولید در آن زمان  برای پیشرفت آهسته تر و پرهزینه تر.

با بهره وری بیشتر دستگاه و رویه های تولید مقیاس پذیر، تمرکز تحقیق و توسعه به سمت آزمایش و اعتبار سنجی تغییر کرد. از طریق پشتیبانی از دانشگاه ایالتی آریزونا و NREL، First Solar در سال 2003 ثابت کرد که ماژول های آن برای ورود به بازار خورشیدی آماده هستند.

یک رندر دیجیتالی یک تیغه توربین بادی با پیچ و خم مدرن و با پشت صاف را نشان می دهد. نمای مقطعی پشت صاف در گوشه سمت چپ بالا نشان داده شده است. اعتبار: Besiki Kazaishvili، NREL

در سال بعد، DOE مطالعات مستقلی را در مورد انتشار ماژول PV لایه نازک و قابلیت بازیافت هزینه کرد و به First Solar اجازه داد تا عملکرد انرژی و الزامات نظارتی آلمان را برآورده کند و در همان سال وارد بازار شود. با انجام این کار، First Solar یک برنامه بازپس گیری ماژول را در سال 2005 معرفی کرد که یک نقطه عطف بزرگ برای تجاری سازی PV لایه نازک بود.

ماری مپس، مدیر فناوری DOE و نویسنده همکار، گفت: «مطالعه موردی PV لایه نازک اهمیت رسیدگی به نیازهای نظارتی را در اولین بازار بزرگ فناوری نشان می‌دهد. علاوه بر این، ایجاد یک محصول اثبات شده در قیمت و زمانی که بازار برای آن آماده بود، منجر به موفقیت اولیه آن شد.

طراحی پیشرفته تیغه توربین بادی با بودجه اکوسیستم نوآوری

طول پره های توربین بادی به طور تاریخی در طول زمان افزایش یافته است تا انرژی بیشتری را جذب کند. با این حال، تیغه های سنگین تر باعث بار بیشتر و افزایش هزینه می شود. از سال 1995 تا 2008، دانشگاه‌ها، آزمایشگاه‌های ملی و شرکت‌های خصوصی پیشرفت‌هایی را برای بهبود طراحی پره‌های توربین بادی تأمین کردند.

پشتیبانی خصوصی-عمومی و نوآوری باز، که نسبت به یک رویکرد خاص یا راه حل طراحی بی تفاوت هستند، منجر به توسعه موازی طرح‌های تیغه‌های پشت صاف و خمیده شد. این تیغه ها که به طور قابل ملاحظه ای بلندتر هستند، انرژی بیشتری را بدون افزودن جرم قابل توجه یا به خطر انداختن قابلیت اطمینان جذب می کنند. و این نوآوری ها توسط فناوران بادی به عنوان برخی از بزرگ ترین عوامل موثر در کاهش قیمت انرژی بادی که از سال 2009 بیش از 60 درصد کاهش یافته است، معرفی کرده اند.

در غیاب پتنت‌هایی که از نوآوری‌ها محافظت می‌کرد، شرکت‌های خصوصی طرح‌ها را در تیغه‌های اختصاصی و ابزارهای تجزیه و تحلیل خود گنجانیدند که تجاری‌سازی را تسریع کرد. امروزه اکثر توربین های تجاری اصلی شامل عناصری از طرح های پشت صاف و خمیده می شوند.

استانداردهای کارایی یخچال‌های اواپراتور دوگانه را در بازار اول ایجاد کردند، و جرقه تحقیق و توسعه بیشتری را برانگیختند.

تقاضای برق توسط یخچال ها و فریزرها در طول تاریخ توسط فناوری تبرید فشرده سازی بخار با یک کمپرسور، اواپراتور و کندانسور تامین می شد. چنین طراحی هوا را بین مواد غذایی تازه و یخ زده مخلوط می کند که می تواند منجر به از دست دادن رطوبت، تشکیل یخ زدگی و مواد غذایی تخریب شده شود. با رویکرد اواپراتور دوگانه، یک سیستم شیر پست کندانسور بار خنک کننده را تصحیح می کند و بازده انرژی را افزایش می دهد، اما دستیابی به این طرح به قطعات اضافی و هزینه های تولید بالاتر نیاز دارد.

در سال 2014، Whirlpool Corporation و DOE برای افزایش کارایی لوازم خانگی شریک شدند. یک قرارداد همکاری تحقیق و توسعه به ویرپول اجازه داد تا به ابزارها و امکانات مدل‌سازی آزمایشگاه ملی اوک ریج دسترسی داشته باشد. این قرارداد نه تنها از طراحی، اعتبار سنجی و نمونه سازی فناوری جدید پشتیبانی می کرد، بلکه به Whirlpool اجازه داد تا مالکیت معنوی را حفظ کند. تیم مشترک طراحی یخچال پیشرفته ای را با بیش از 50 درصد کاهش انرژی در واحد حجم و افزایش هزینه کمتر از 100 دلار نشان دادند.

یک انبار Sysco در هیوستون، تگزاس، از لیفتراک های پیل سوختی استفاده می کند. اعتبار: جنیفر کورتز، NREL

آنتونیو بوزا، یکی از نویسندگان، گفت: «فناوری تبخیرکننده دوگانه Whirlpool به دلیل نیاز به رعایت استانداردهای بازده بالاتر فعال شد. این به نوبه خود، سایر شرکت‌ها را به توسعه سیستم‌های مشابه و سرمایه‌گذاری در تحقیق و توسعه در اجزای یخچال که با کاهش پیچیدگی و هزینه، کارایی را بهبود می‌بخشد، ترغیب کرد.»

سلول‌های سوختی برای لیفتراک‌ها: بازاری خاص که با تظاهرات در مقیاس بزرگ اثبات شده است

لیفتراک ها و سایر تجهیزات جابجایی مواد از گذشته توسط موتورهای بنزینی، پروپان یا دیزل برای عملیات در فضای باز و باتری های اسید سرب برای کاربردهای داخلی کار می کردند.

برخلاف فن‌آوری‌های سنتی قدرت، پیل‌های سوختی هیدروژنی آلاینده‌های مضر هوا یا دی‌اکسید کربن منتشر نمی‌کنند و در محیط‌های سرد مشکلات عملکردی ندارند. انبارها اولین بازار معقولی برای این فناوری هستند، زیرا آنها تنها به یک مکان سوخت گیری نیاز دارند تا برنامه های کاربردی شبکه بزرگ خودرو که نیاز دارند.

قانون بازیابی و سرمایه گذاری مجدد آمریکا در سال 2009 هزینه نمایش تجهیزات جابجایی مواد پیل سوختی در مقیاس بزرگ را تأمین کرد. با این بودجه، DOE صدها دستگاه بالابر با سوخت پیل سوختی و زیرساخت های سوخت رسانی پیشرفته، جمع آوری و تجزیه و تحلیل داده ها و آموزش اپراتورها را مستقر کرد. وزارت دفاع ایالات متحده همچنین 100 دستگاه بالابر پیل سوختی را در سه مرکز و یک پایگاه ارتش مستقر کرد. در طول دهه 2010، کار بعدی از ادغام 40000 واحد تجهیزات جابجایی مواد پشتیبانی کرد.

در نهایت، سلول‌های سوختی چگالی انرژی، سوخت‌گیری سریع و ظرفیت‌های ذخیره‌سازی سوخت را نشان دادند که از عملکرد برخی از فناوری‌های جایگزین معاصر آنها فراتر رفت – و باز شدن بازار تجهیزات حمل و نقل مواد به نوآوری‌های جدید باعث برق‌رسانی بیشتر تجهیزات و همچنین علاقه صنعت در فناوری های پاک تر شد.

چهار مطالعه موردی که توسط کارشناسان JISEA، NREL و DOE مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت، نشان می‌دهد که چگونه یک تعادل خوب از فناوری، تحقیق و توسعه، و مشارکت عمومی-خصوصی – همراه با همسویی نیروی نظارتی و بازار و زمان‌بندی مناسب – می‌تواند منجر به اولین تجاری‌سازی موفق فن آوری های انرژی پاک شود.