Các nhà phân tích nghiên cứu các lộ trình từ phòng thí nghiệm đến thị trường cho các công nghệ năng lượng sạch
Mảng thử nghiệm PV Cadmium Telluride năng lượng mặt trời đầu tiên 0,6KW, được lắp đặt vào tháng 6 năm 1995 tại Cơ sở thử nghiệm ngoài trời của NREL. ảnh: Dennis Schroeder, NREL
Nghiên cứu và phát triển (R&D) đóng vai trò sống còn trong việc phát triển các công nghệ năng lượng sạch mới. Tuy nhiên, để các công nghệ phát triển từ phòng thí nghiệm nghiên cứu thành các sản phẩm thương mại khả thi, cần phải vượt qua nhiều trở ngại. Để tái tạo các lộ trình như vậy cho các công nghệ năng lượng sạch trong tương lai, giai đoạn quan trọng giữa các cuộc trình diễn nghiên cứu và lần thương mại hóa đầu tiên là rất quan trọng để hiểu.
Các nhà phân tích từ Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia (NREL), Viện phân tích năng lượng chiến lược chung (JISEA) và Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã phân tích các nghiên cứu điển hình về thương mại hóa lần đầu tiên của bốn công nghệ năng lượng sạch: quang điện màng mỏng (PV) năng lượng mặt trời bảng điều khiển, tua-bin gió, thiết bị bay hơi hai tầng để làm lạnh và pin nhiên liệu cho thiết bị xử lý vật liệu.
Các phát hiện trong các nghiên cứu điển hình—được xuất bản trong một bài viết Riêng trong Nghiên cứu Năng lượng —đã tiết lộ ba thành phần chung để thúc đẩy thành công quá trình thương mại hóa: (1) sự phù hợp tốt giữa quan hệ đối tác công tư, cơ sở hạ tầng R&D và bản thân công nghệ; (2) điều chỉnh phù hợp các quy định của chính phủ, ưu tiên R&D và lực lượng thị trường; và (3) thời điểm thích hợp giữa sự sẵn sàng của công nghệ và cơ hội thị trường.
Wyatt Merrill, giám đốc công nghệ DOE và đồng tác giả cho biết: “Những phát hiện này có thể giúp cung cấp thông tin cho quá trình ra quyết định đầu tư năng lượng sạch, tối đa hóa lợi ích từ R&D và thúc đẩy quá trình chuyển đổi sang một tương lai năng suất, ít phát thải”.
Điện mặt trời màng mỏng: Giải pháp đáp ứng tiêu chuẩn tạo cảm hứng đột phá công nghệ
Từ những năm 1980 đến đầu những năm 2000, DOE đã tài trợ cho nghiên cứu về tế bào quang điện màng mỏng, bao gồm các chương trình hợp tác do NREL dẫn đầu và tài trợ trực tiếp cho các nhà sản xuất năng lượng mặt trời như First Solar.
Hệ sinh thái đổi mới đã cho phép trình diễn hiệu suất tế bào 15,8% kỷ lục (vào thời điểm đó) và một kỹ thuật sản xuất mới cho phép First Solar sản xuất các mô-đun PV màng mỏng ở quy mô lớn hơn—một giải pháp thay thế đột phá cho mô-đun chậm hơn, đắt tiền hơn quá trình sản xuất tại thời điểm đó.
Với hiệu quả thiết bị cao hơn và quy trình sản xuất có thể mở rộng được áp dụng, trọng tâm R&D đã chuyển sang thử nghiệm và xác nhận. Thông qua sự hỗ trợ của Đại học bang Arizona và NREL, First Solar đã chứng minh vào năm 2003 rằng các mô-đun của họ đã sẵn sàng tham gia thị trường năng lượng mặt trời.
Một kết xuất kỹ thuật số cho thấy một cánh tuabin gió mặt sau phẳng, uốn cong hiện đại. Một mặt cắt ngang của lưng phẳng được hiển thị ở góc trên bên trái. Ảnh: Besiki Kazaishvili, NREL
Năm sau, DOE tài trợ cho các nghiên cứu độc lập về phát thải và khả năng tái chế của mô-đun PV màng mỏng, cho phép First Solar đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất năng lượng và quy định của Đức và tham gia thị trường cùng năm đó. Khi làm như vậy, First Solar đã giới thiệu một chương trình thu hồi mô-đun vào năm 2005—một bước ngoặt lớn cho việc thương mại hóa PV màng mỏng.
Marie Mapes, giám đốc công nghệ DOE và đồng tác giả cho biết: “Nghiên cứu trường hợp về màng mỏng PV cho thấy tầm quan trọng của việc giải quyết các nhu cầu pháp lý trong thị trường lớn đầu tiên của công nghệ”. "Ngoài ra, việc thiết lập một sản phẩm đã được chứng minh ở một mức giá và thời điểm mà thị trường đã sẵn sàng cho nó đã dẫn đến thành công ban đầu của nó."
Thiết kế cánh tuabin gió tiên tiến được tài trợ bởi hệ sinh thái đổi mới
Chiều dài cánh tuabin gió trong lịch sử đã tăng theo thời gian để thu được nhiều năng lượng hơn; tuy nhiên, lưỡi nặng hơn gây ra tải trọng cao hơn và tăng chi phí. Từ năm 1995 đến 2008, các trường đại học, phòng thí nghiệm quốc gia và các công ty tư nhân đã tài trợ cho những tiến bộ để cải tiến thiết kế cánh tuabin gió.
Hỗ trợ công-tư và đổi mới mở, không quan tâm đến một cách tiếp cận hoặc giải pháp thiết kế cụ thể, đã dẫn đến sự phát triển song song của các thiết kế lưỡi phẳng và lưỡi xoắn uốn cong. Những cánh quạt này, dài hơn đáng kể, thu được nhiều năng lượng hơn mà không làm tăng thêm khối lượng đáng kể hoặc ảnh hưởng đến độ tin cậy. Và những đổi mới này đã được các nhà công nghệ gió cho là một trong những yếu tố góp phần lớn nhất làm giảm giá năng lượng gió, đã giảm hơn 60% kể từ năm 2009.
Khi không có bằng sáng chế bảo vệ những đổi mới, các công ty tư nhân đã kết hợp các thiết kế vào các công cụ phân tích và lưỡi cắt độc quyền của riêng họ, điều này đã đẩy nhanh quá trình thương mại hóa. Ngày nay, hầu hết các tuabin thương mại lớn bao gồm các yếu tố của thiết kế phẳng và uốn cong.
Các tiêu chuẩn hiệu quả đã thiết lập tủ lạnh hai dàn bay hơi đầu tiên trên thị trường, thúc đẩy hoạt động R&D bổ sung
Trước đây, nhu cầu điện của tủ lạnh và tủ đông đã được đáp ứng bằng công nghệ làm lạnh nén hơi với một máy nén, thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ. Thiết kế như vậy làm trộn lẫn không khí giữa thực phẩm tươi sống và thực phẩm đông lạnh, có thể dẫn đến mất độ ẩm, hình thành sương giá và thực phẩm bị biến chất. Với cách tiếp cận thiết bị bay hơi kép, hệ thống van sau bình ngưng điều chỉnh tải làm mát và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng, nhưng vẫn đạt được yêu cầu thiết kế này thành phần bổ sung và chi phí sản xuất cao hơn.
Vào năm 2014, Whirlpool Corporation và DOE đã hợp tác để tăng hiệu suất của thiết bị. Một thỏa thuận R&D hợp tác đã cho phép Whirlpool tiếp cận các công cụ và phương tiện mô hình hóa của Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge. Thỏa thuận không chỉ hỗ trợ thiết kế, xác nhận và tạo mẫu công nghệ mới mà còn cho phép Whirlpool giữ quyền sở hữu tài sản trí tuệ. Nhóm hợp tác đã trình diễn một thiết kế tủ lạnh tiên tiến với khả năng giảm hơn 50% năng lượng trên mỗi đơn vị thể tích và chi phí tăng chưa đến 100 đô la.
Một nhà kho của Sysco ở Houston, Texas, sử dụng xe nâng chạy bằng pin nhiên liệu. Ảnh: Jennifer Kurtz, NREL
Antonio Bouza, đồng tác giả cho biết: “Công nghệ thiết bị bay hơi kép của Whirlpool được kích hoạt nhờ nhu cầu đáp ứng các yêu cầu về tiêu chuẩn hiệu quả cao hơn. Đổi lại, điều này đã thúc đẩy các công ty khác phát triển các hệ thống tương tự và đầu tư vào R&D trong các bộ phận của tủ lạnh nhằm nâng cao hiệu quả đồng thời giảm độ phức tạp và chi phí.”
Pin nhiên liệu cho xe nâng hàng: Một thị trường ngách đã được chứng minh bằng các cuộc biểu tình quy mô lớn
Xe nâng và các thiết bị xử lý vật liệu khác trước đây được cung cấp năng lượng bằng động cơ xăng, propan hoặc động cơ chạy bằng nhiên liệu diesel cho các hoạt động ngoài trời và pin axit chì cho các ứng dụng trong nhà.
Không giống như các công nghệ năng lượng truyền thống, pin nhiên liệu hydro không thải ra các chất gây ô nhiễm không khí hoặc carbon dioxide có hại và không gặp vấn đề về hiệu suất trong môi trường lạnh. Nhà kho là thị trường hợp lý đầu tiên cho công nghệ này, vì chúng chỉ cần một địa điểm tiếp nhiên liệu thay vì các ứng dụng ô tô có mạng lưới lớn sẽ yêu cầu.
Đạo luật Phục hồi và Tái đầu tư của Mỹ năm 2009 đã tài trợ cho việc trình diễn thiết bị xử lý vật liệu pin nhiên liệu quy mô lớn. Với khoản tài trợ này, DOE đã triển khai hàng trăm xe nâng chạy bằng pin nhiên liệu và cơ sở hạ tầng tiếp nhiên liệu tiên tiến, thu thập và phân tích dữ liệu cũng như đào tạo người vận hành. Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ cũng đã triển khai 100 xe nâng chạy bằng pin nhiên liệu tại ba trung tâm và một căn cứ Quân đội. Trong suốt những năm 2010, công việc tiếp theo đã hỗ trợ tích hợp 40.000 đơn vị thiết bị xử lý vật liệu.
Cuối cùng, pin nhiên liệu đã chứng minh mật độ năng lượng, khả năng tiếp nhiên liệu nhanh và khả năng lưu trữ nhiên liệu vượt quá hiệu suất của một số công nghệ thay thế hiện đại của chúng—và việc mở cửa thị trường thiết bị xử lý vật liệu cho những cải tiến mới đã tạo ra điện khí hóa nhiều hơn cho thiết bị cũng như sự quan tâm của ngành trong các công nghệ sạch hơn.
Bốn nghiên cứu điển hình được phân tích bởi các chuyên gia tại JISEA, NREL và DOE nêu bật cách thức cân bằng tốt giữa công nghệ, R&D và quan hệ đối tác công-tư—cùng với sự liên kết giữa quy định và lực lượng thị trường và thời điểm thích hợp—có thể dẫn đến thương mại hóa thành công sản phẩm sạch đầu tiên. các công nghệ năng lượng.
