Taming the Sun

1. پتانسیل انرژی خورشیدی برای تأمین انرژی سیاره به نوآوری وابسته است

سال 2050 ممکن است شاهد شهرهایی در سراسر جهان باشیم که به دلیل آلودگی خفه شده‌اند و سیاره از تغییرات اقلیمی فاجعه‌بار رنج می‌برد؛ یا ممکن است جهانی را ببینیم که برای مقابله با چالش‌های جهانی مختلف آماده است.

دو آینده متفاوت. جهان در یک دوراهی قرار دارد و انرژی خورشیدی نقش محوری در تعیین مسیر ما ایفا می‌کند. در یک سناریو، رشد انرژی خورشیدی متوقف می‌شود و ما به سوخت‌های فسیلی وابسته خواهیم ماند و با عواقب زیست‌محیطی جدی مواجه خواهیم شد. در سناریوی دیگر، نوآوری انرژی خورشیدی را به گونه‌ای پیش می‌برد که تا سال 2050 یک سوم تقاضای جهانی برق و در پایان قرن، اکثریت نیازهای انرژی را تأمین کند.

سه نوع نوآوری مورد نیاز:

• نوآوری مالی برای جذب سرمایه‌گذاری‌های کلان
• نوآوری فناوری برای بهبود کارایی و کاهش هزینه‌ها
• نوآوری سیستمی برای طراحی مجدد شبکه‌های برق و بازارهای انرژی

بدون این نوآوری‌ها، انرژی خورشیدی با خطر رسیدن به سقف اقتصادی مواجه خواهد شد زیرا ارزش آن با افزایش نفوذ کاهش می‌یابد. چالش‌ها قابل توجه هستند، اما پاداش‌های بالقوه یک آینده انرژی پاک و فراوان نیز به همین اندازه مهم است.

2. مهندسی مالی می‌تواند سرمایه‌گذاری‌های کلانی را برای استقرار انرژی خورشیدی آزاد کند

اگر قرار است سیاره کربن‌زدایی شود، این کار تنها با حذف سوخت‌های فسیلی از تولید برق و تأمین انرژی وسایل نقلیه جاده‌ای با برق به جای مشتقات نفتی انجام نخواهد شد.

دسترسی به سرمایه‌گذاران نهادی. صنعت انرژی خورشیدی نیاز دارد تا به منابع عظیم سرمایه از صندوق‌های بازنشستگی، شرکت‌های بیمه و صندوق‌های ثروت ملی دسترسی پیدا کند تا رشد خود را ادامه دهد. این سرمایه‌گذاران به‌طور جمعی بیش از 100 تریلیون دلار را مدیریت می‌کنند، اما در حال حاضر کمتر از 1% از آن را در پروژه‌های زیرساختی سرمایه‌گذاری می‌کنند.

ابزارهای مالی نوآورانه:

• YieldCos: شرکت‌های عمومی که دارایی‌های خورشیدی عملیاتی را در اختیار دارند
• اوراق بهادارسازی: تجمیع وام‌های خورشیدی به اوراق بهادار قابل معامله
• اوراق قرضه سبز: ابزارهای بدهی مخصوص پروژه‌های انرژی پاک

این نوآوری‌های مالی می‌توانند پروژه‌های خورشیدی را برای سرمایه‌گذاران بزرگ جذاب‌تر کنند و با بهبود نقدینگی و کاهش ریسک، به رشد این صنعت کمک کنند. سیاست‌های عمومی می‌توانند در تشویق این توسعه‌ها نقش ایفا کنند، اما باید مراقب بود که وابستگی‌های بلندمدت به یارانه‌ها ایجاد نشود.

3. نوآوری در مدل‌های کسب‌وکار دسترسی به انرژی را در کشورهای در حال توسعه متحول می‌کند

کمتر کسی می‌تواند انکار کند که انرژی خورشیدی به یکی از مهم‌ترین فناوری‌ها—اگر نه مهم‌ترین—قرن بیست و یکم تبدیل شده است.

انقلاب پرداخت به‌ازای مصرف. مدل‌های کسب‌وکار نوآورانه مانند پرداخت به‌ازای مصرف (PAYG) برق را به میلیون‌ها نفر در آفریقا و آسیا که به شبکه دسترسی ندارند، می‌رساند. شرکت‌هایی مانند M-KOPA و Off-Grid Electric با ترکیب پرداخت‌های موبایلی، پنل‌های خورشیدی کم‌هزینه و وسایل کارآمد، خدمات انرژی مقرون‌به‌صرفه‌ای را ارائه می‌دهند.

تأثیر و پتانسیل:

• بیش از 500,000 خانوار تا سال 2015 دارای سیستم‌های خورشیدی خانگی بودند
• استارتاپ‌های PAYG بیش از 200 میلیون دلار در سال 2016 جذب کردند
• پتانسیل دسترسی به 1 میلیارد نفر با برق معنادار تا سال 2030

این مدل‌ها نه تنها دسترسی به انرژی را فراهم می‌کنند، بلکه اعتبار و مالکیت دارایی را به جمعیت‌های کم‌برخوردار معرفی می‌کنند. با ادامه کاهش هزینه‌ها و بهبود فناوری، انرژی خورشیدی خارج از شبکه می‌تواند نقش حیاتی در دستیابی به دسترسی جهانی به انرژی ایفا کند.

4. فناوری‌های خورشیدی نسل بعدی وعده کارایی و تنوع بیشتری را می‌دهند

اگر از اینکه نام پروازکیت را نشنیده‌اید شگفت‌زده شده‌اید، نگران نباشید. در دنیای نادر دانشگاهی، جایی که محققان به آخرین دارنده رکورد کارایی شهرت می‌دهند، تعداد کمی از مردم می‌دانند که این ماده جدید چقدر شگفت‌انگیز است.

شکست پروازکیت. سلول‌های خورشیدی پروازکیت افزایش‌های بی‌سابقه‌ای در کارایی داشته‌اند و از 3.8% در سال 2009 به بیش از 22% در سال 2016 رسیده‌اند. این پیشرفت سریع از هر فناوری خورشیدی قبلی پیشی گرفته و وعده کارایی‌های بالاتری را می‌دهد.

مزایای فناوری‌های نوظهور:

• پتانسیل کارایی بالاتر از سیلیکون (حد نظری 33%)
• انعطاف‌پذیری و سبک بودن امکان کاربردهای جدید را فراهم می‌کند
• کاهش هزینه‌های تولید از طریق فرآیندهای تولید ساده

در حالی که چالش‌هایی در زمینه پایداری و مقیاس‌پذیری تولید وجود دارد، این فناوری‌های جدید می‌توانند محدودیت‌های پنل‌های خورشیدی سیلیکونی را برطرف کنند. ترکیب پروازکیت‌ها با سیلیکون در سلول‌های ترکیبی، مسیر تکاملی به سمت کارایی‌های بالاتر در کوتاه‌مدت را ارائه می‌دهد.

5. تبدیل نور خورشید به سوخت‌های قابل ذخیره می‌تواند سیستم‌های انرژی جهانی را متحول کند

برای رسیدن به پتانسیل انرژی خورشیدی، تمام این فناوری‌های غیر PV—از جمله سوخت‌های تولید شده از انرژی خورشیدی و نیروگاه‌های CSP که برق را 24 ساعته تولید می‌کنند—باید به‌طور چشمگیری پیشرفت کنند.

فراتر از تولید برق. سوخت‌های خورشیدی می‌توانند یک تغییر دهنده بازی باشند که نور خورشید را به‌طور مستقیم به اشکال انرژی‌زا و به‌راحتی قابل ذخیره مانند هیدروژن یا مایعات کربن‌دار تبدیل می‌کنند. این فناوری می‌تواند به چالش ناپایداری انرژی خورشیدی PV پاسخ دهد و انرژی پاک را برای بخش‌هایی که سخت به برق‌رسانی می‌شوند، فراهم کند.

توسعه‌های امیدوارکننده:

• پروتوتایپ‌های برگ مصنوعی که آب را برای تولید هیدروژن تجزیه می‌کنند
• سیستم‌های هیبریدی که از باکتری‌ها برای تولید سوخت مایع از نور خورشید و CO2 استفاده می‌کنند
• نیروگاه‌های پیشرفته CSP با ذخیره‌سازی حرارتی داخلی

در حالی که این فناوری‌ها هنوز در مراحل اولیه هستند، راه‌هایی را برای بهره‌برداری از انرژی خورشیدی برای دامنه وسیع‌تری از کاربردها ارائه می‌دهند و می‌توانند سوخت‌های فسیلی را در چندین بخش از اقتصاد جایگزین کنند.

6. نوآوری سیستمی در شبکه‌های برق برای ادغام انرژی خورشیدی در مقیاس بزرگ حیاتی است

با این حال، یک سوپرگرید چالش‌های خاص خود را ایجاد می‌کند که کتاب لیو به‌طور ناکافی به آن‌ها پرداخته است، با وجود اینکه بیش از 300 صفحه را به جزئیات مهندسی اختصاص داده است.

بازنگری در معماری شبکه. با افزایش نفوذ انرژی خورشیدی، شبکه‌های برق باید برای مدیریت ناپایداری آن تکامل یابند. این نیازمند تغییرات فیزیکی و عملیاتی در نحوه انتقال، توزیع و مدیریت برق است.

نوآوری‌های بالقوه در شبکه:

• سوپرگریدها: انتقال با ولتاژ بالا و مسافت طولانی برای تعادل عرضه و تقاضای منطقه‌ای
• میکروگریدها: شبکه‌های هوشمند محلی که می‌توانند به‌طور خودمختار عمل کنند یا به شبکه اصلی متصل شوند
• رویکرد هیبریدی: ترکیب جنبه‌های هر دو برای ایجاد یک سیستم انعطاف‌پذیر و مقاوم

این تغییرات باید با طراحی‌های جدید بازار و چارچوب‌های نظارتی همراه باشد که به‌درستی ویژگی‌های منابع مختلف انرژی را ارزیابی کرده و سرمایه‌گذاری در منابع انعطاف‌پذیر را تشویق کند. هدف، ایجاد شبکه‌ای است که بتواند سطوح بالای انرژی خورشیدی را در حالی که قابلیت اطمینان و مقرون‌به‌صرفه بودن را حفظ می‌کند، مدیریت کند.

7. ذخیره‌سازی انرژی به تنهایی نمی‌تواند چالش‌های ناپایداری انرژی خورشیدی را حل کند

متأسفانه، اگرچه ترکیب انرژی خورشیدی با ذخیره‌سازی باتری متصل به شبکه ممکن است از نظر شناختی رضایت‌بخش باشد، اما این یک راه‌حل جادویی نیست.

محدودیت‌های باتری‌ها. در حالی که باتری‌ها، به‌ویژه لیتیوم-یون، کاهش هزینه‌های چشمگیری را تجربه کرده‌اند، اما آن‌ها راه‌حلی کامل برای نوسانات انرژی خورشیدی نیستند. باتری‌ها در ذخیره‌سازی کوتاه‌مدت عالی هستند، اما برای نیازهای ذخیره‌سازی بلندمدت یا فصلی به شدت گران می‌شوند.

منابع انعطاف‌پذیر متنوع مورد نیاز:

• ذخیره‌سازی هیدرولیکی پمپاژ شده برای ذخیره‌سازی بلندمدت و مقیاس بزرگ
• پاسخ به تقاضا برای تغییر الگوهای مصرف برق
• نیروگاه‌های حرارتی انعطاف‌پذیر برای افزایش و کاهش سریع تولید
• فناوری‌های تبدیل برق به گاز برای ذخیره‌سازی فصلی

ترکیبی از این فناوری‌ها، همراه با پیش‌بینی بهتر و مدیریت شبکه، برای ادغام مؤثر سطوح بالای انرژی خورشیدی ضروری خواهد بود. هیچ فناوری واحدی نمی‌تواند تمام انعطاف‌پذیری مورد نیاز را فراهم کند.

8. پیوند برق با سایر بخش‌ها انعطاف‌پذیری و دامنه انرژی خورشیدی را افزایش می‌دهد

اتصال بخش‌های حمل‌ونقل و برق یک گام مهم در راستای دستیابی به هدف بلندمدت استفاده از خورشید برای تأمین انرژی اکثریت نیازهای انرژی بشریت تا پایان قرن است.

پیوند بخش‌ها. ادغام بخش برق با حمل‌ونقل، گرمایش و فرآیندهای صنعتی می‌تواند انعطاف‌پذیری بیشتری برای ادغام انرژی خورشیدی فراهم کند و تأثیر آن را بر تلاش‌های کربن‌زدایی گسترش دهد.

نمونه‌هایی از پیوندهای بخش‌ها:

• وسایل نقلیه الکتریکی به عنوان باتری‌های متحرک برای تعادل شبکه
• سیستم‌های تبدیل برق به گرما برای ذخیره‌سازی انرژی خورشیدی اضافی
• شیرین‌سازی آب با انرژی خورشیدی برای مقابله با کمبود آب
• برق‌رسانی به فرآیندهای صنعتی که در حال حاضر به سوخت‌های فسیلی وابسته‌اند

این ارتباطات راه‌های جدیدی برای ذخیره و استفاده از انرژی خورشیدی ایجاد می‌کنند و می‌توانند ارزش آن را افزایش دهند و سطوح نفوذ بالاتری را ممکن سازند. آن‌ها همچنین مسیرهایی را برای جایگزینی سوخت‌های فسیلی در بخش‌هایی که سخت به کربن‌زدایی می‌شوند، ارائه می‌دهند.

9. رهبری ایالات متحده در نوآوری انرژی حیاتی است اما در معرض تهدید است

سیاستمداران آمریکایی به فراوانی ایالات متحده را "شهری بر تپه" می‌نامند و در زمینه نوآوری انرژی، آمریکا به‌طور تاریخی به این نام‌گذاری وفادار بوده است.

اکوسیستم نوآوری در خطر. ایالات متحده مدت‌هاست که در نوآوری انرژی پیشرو بوده است، اما موقعیت آن به دلیل تأمین مالی راکد و افزایش رقابت از کشورهایی مانند چین تهدید می‌شود. حفظ این رهبری برای رقابت اقتصادی و مقابله با چالش‌های جهانی انرژی حیاتی است.

توصیه‌های سیاستی:

• افزایش تأمین مالی برای تحقیق و توسعه انرژی در چندین نهاد
• گسترش برنامه‌های موفق مانند ARPA-E
• حمایت از پروژه‌های نمایشی برای فناوری‌های نوظهور
• اصلاح مقررات برای تشویق نوآوری در بازارهای برق
• مشارکت در همکاری‌های بین‌المللی در حالی که منافع ایالات متحده را حفظ می‌کنیم

با سرمایه‌گذاری در نوآوری، ایالات متحده می‌تواند فناوری‌های جدیدی را توسعه دهد، سهمی از بازار انرژی پاک در حال رشد را به دست آورد و رهبری جهانی در انتقال به سیستم‌های انرژی پایدار را بر عهده گیرد. عدم انجام این کار، خطر واگذاری رهبری فناوری و اقتصادی به کشورهای دیگر را به همراه دارد.

آخرین به‌روزرسانی:: November 19, 2024