Um Solar- und andere saubere Energietechnologien zu verbessern, schauen Sie über die Hardware hinaus

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Um die Kosten für Solarenergie und andere saubere Energietechnologien weiter zu senken, müssen sich Wissenschaftler und Ingenieure laut MIT-Forschern wahrscheinlich zumindest teilweise auf die Verbesserung von Technologiefunktionen konzentrieren, die nicht auf Hardware basieren. Sie beschreiben diesen Befund und die Mechanismen dahinter heute in Nature Energy.

Während die Kosten für die Installation eines Solarenergiesystems seit 1980 um mehr als 99 Prozent gesunken sind, zeigt diese neue Analyse, dass „Soft-Technology“-Merkmale wie die kodifizierten Genehmigungspraktiken, Supply-Chain-Management-Techniken und Systemdesignprozesse in die Bereitstellung einfließen Eine Solaranlage trug nur 10 bis 15 Prozent zum Gesamtkostenrückgang bei. Der Löwenanteil entfiel auf Verbesserungen der Hardware-Features.

Doch weil Soft-Technologie zunehmend die Gesamtkosten für die Installation von Solarenergiesystemen dominiert, droht dieser Trend, künftige Kosteneinsparungen zu verlangsamen und den globalen Übergang zu sauberer Energie zu behindern, sagt die leitende Autorin der Studie, Jessika Trancik, Professorin am Institute for Data des MIT. Systeme und Gesellschaft (IDSS).

Zu den Co-Autoren von Trancik gehören die Hauptautorin Magdalena M. Klemun, eine ehemalige IDSS-Doktorandin und Postdoktorandin, die jetzt Assistenzprofessorin an der Hong Kong University of Science and Technology ist; Goksin Kavlak, ein ehemaliger IDSS-Doktorand und Postdoktorand, der jetzt Associate bei der Brattle Group ist; und James McNerney, ein ehemaliger IDSS-Postdoc und jetzt Senior Research Fellow an der Harvard Kennedy School.

Das Team erstellte ein quantitatives Modell zur Analyse der Kostenentwicklung von Solarenergiesystemen, das die Beiträge sowohl von Hardware-Technologiemerkmalen als auch von Soft-Technologiemerkmalen erfasst.

Das Rahmenwerk zeigt, dass sich die Soft-Technologie im Laufe der Zeit nicht wesentlich verbessert hat – und dass Soft-Technology-Funktionen noch weniger zum Gesamtkostenrückgang beigetragen haben als zuvor angenommen.

Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass Ingenieure, um diesen Trend umzukehren und den Kostenrückgang zu beschleunigen, versuchen könnten, Solarenergiesysteme von vornherein weniger abhängig von Soft-Technologie zu machen, oder sie könnten das Problem direkt angehen, indem sie ineffiziente Bereitstellungsprozesse verbessern.

„Für die Unterstützung des Übergangs zu sauberer Energie ist es von entscheidender Bedeutung, wirklich zu verstehen, wo die Effizienzen und Ineffizienzen liegen und wie diese Ineffizienzen behoben werden können. Wir investieren dafür enorme öffentliche Gelder, und Soft-Technologie wird von entscheidender Bedeutung sein, damit diese Mittel Wirkung zeigen“, sagt Trancik.

„Allerdings“, fügt Klemun hinzu, „haben wir über das Soft-Technology-Design nicht so systematisch nachgedacht wie über die Hardware.“ Das muss sich ändern.“

Die harte Wahrheit über weiche Kosten

Forscher haben beobachtet, dass die sogenannten „weichen Kosten“ beim Bau eines Solarkraftwerks – die Kosten für die Planung und Installation der Anlage – einen viel größeren Anteil der Gesamtkosten ausmachen. Tatsächlich liegt der Anteil der Soft Costs mittlerweile typischerweise zwischen 35 und 64 Prozent.

„Wir wollten uns genauer ansehen, woher diese Soft Costs kommen und warum sie mit der Zeit nicht so schnell sinken wie die Hardwarekosten“, sagt Trancik.

In der Vergangenheit haben Wissenschaftler die Veränderung der Solarenergiekosten modelliert, indem sie die Gesamtkosten in additive Komponenten – Hardwarekomponenten und Nicht-Hardwarekomponenten – unterteilt haben und dann verfolgt haben, wie sich diese Komponenten im Laufe der Zeit verändert haben.

„Aber wenn man wirklich verstehen will, woher diese Veränderungsraten kommen, muss man eine Ebene tiefer gehen und sich die Technologiemerkmale ansehen. Dann kam es anders“, sagt Trancik.

Die Forscher entwickelten einen quantitativen Ansatz, der die Veränderung der Solarenergiekosten im Laufe der Zeit modelliert, indem sie den einzelnen Technologiemerkmalen Beiträge zuordnen, darunter sowohl Hardware-Merkmale als auch Soft-Technologie-Merkmale.

Ihr Rahmen würde beispielsweise erfassen, wie viel des Rückgangs der Systeminstallationskosten – ein Soft-Kosten – auf standardisierte Praktiken zertifizierter Installateure zurückzuführen ist – ein Soft-Technology-Feature. Es würde auch erfassen, wie dieselben weichen Kosten durch eine höhere Effizienz von Photovoltaikmodulen beeinflusst werden – ein Merkmal der Hardwaretechnologie.

Mit diesem Ansatz stellten die Forscher fest, dass Verbesserungen der Hardware den größten Einfluss auf die Senkung der Soft Costs in Solarenergiesystemen hatten. So verdoppelte sich beispielsweise der Wirkungsgrad von Photovoltaikmodulen zwischen 1980 und 2017, wodurch die Gesamtsystemkosten um 17 Prozent sanken. Aber etwa 40 Prozent dieses Gesamtrückgangs könnten auf die Reduzierung der Soft Costs im Zusammenhang mit einer verbesserten Moduleffizienz zurückzuführen sein.

Das Framework zeigt, dass Hardware-Technologiefunktionen zwar tendenziell viele Kostenkomponenten verbessern, Soft-Technologiefunktionen jedoch nur wenige beeinflussen.

„Diesen strukturellen Unterschied erkennt man bereits, bevor man Daten darüber sammelt, wie sich die Technologien im Laufe der Zeit verändert haben. Deshalb ist die Darstellung des Netzwerks der Kostenabhängigkeiten einer Technologie ein nützlicher erster Schritt, um Hebel für Veränderungen zu identifizieren, sowohl für Solar-PV als auch für andere Technologien“, betont Klemun.

Statische Soft-Technologie

Die Forscher nutzten ihr Modell, um mehrere Länder zu untersuchen, da die Soft Costs weltweit stark variieren können. Beispielsweise sind die Soft-Costs für Solarenergie in Deutschland etwa 50 Prozent niedriger als in den USA

Die Tatsache, dass Verbesserungen der Hardwaretechnologie häufig weltweit geteilt werden, habe in den letzten Jahrzehnten standortübergreifend zu dramatischen Kostenrückgängen geführt, wie die Analyse zeigte. Soft-Technology-Innovationen werden normalerweise nicht über Grenzen hinweg geteilt. Darüber hinaus stellte das Team fest, dass Länder mit einer besseren Soft-Technology-Leistung vor 20 Jahren auch heute noch eine bessere Leistung aufweisen, während Länder mit schlechterer Leistung keine großen Verbesserungen verzeichneten.

Dieser länderspezifische Unterschied könnte durch Regulierungs- und Genehmigungsprozesse, kulturelle Faktoren oder durch Marktdynamiken wie die Art und Weise, wie Unternehmen miteinander interagieren, verursacht werden, sagt Trancik.

„Aber nicht alle weichen Technologievariablen sind solche, die man in eine kostensenkende Richtung ändern möchte, wie zum Beispiel niedrigere Löhne. Es gibt also noch andere Überlegungen, die über die bloße Senkung der Kosten der Technologie hinausgehen und die wir bei der Interpretation dieser Ergebnisse berücksichtigen müssen“, sagt sie.

Ihre Analyse weist auf zwei Strategien zur Reduzierung der Soft Costs hin. Zum einen könnten sich Wissenschaftler auf die Entwicklung von Hardware-Verbesserungen konzentrieren, die die Soft-Kosten stärker von Hardware-Technologievariablen und weniger von Soft-Technologie-Variablen abhängig machen, beispielsweise durch die Schaffung einfacherer, standardisierterer Geräte, die die Installationszeit vor Ort verkürzen könnten.

Oder Forscher könnten Soft-Tech-Funktionen direkt ansprechen, ohne die Hardware zu ändern, vielleicht durch die Schaffung effizienterer Arbeitsabläufe für die Systeminstallation oder automatisierter Genehmigungsplattformen.

„In der Praxis verfolgen Ingenieure oft beide Ansätze, aber die Trennung der beiden in einem formalen Modell erleichtert die gezielte Ausrichtung von Innovationsbemühungen durch die Nutzung spezifischer Beziehungen zwischen Technologiemerkmalen und Kosten“, sagt Klemun.

„Wenn wir an die Informationsverarbeitung denken, lassen wir oft Prozesse außen vor, die immer noch auf sehr untechnische Weise durch die Kommunikation von Menschen untereinander ablaufen. Aber es ist genauso wichtig, darüber als Technologie nachzudenken, wie es ist, ausgefallene Software zu entwickeln“, bemerkt Trancik.

In Zukunft wollen sie und ihre Mitarbeiter ihr quantitatives Modell anwenden, um die weichen Kosten im Zusammenhang mit anderen Technologien wie dem Laden von Elektrofahrzeugen und der Kernspaltung zu untersuchen. Sie sind auch daran interessiert, die Grenzen der Soft-Technology-Verbesserung besser zu verstehen und wie man von Anfang an bessere Soft-Technology entwickeln kann.

Diese Forschung wird vom Büro für Solarenergietechnologien des US-Energieministeriums finanziert.

Prof. Jessika Trancik spricht mit dem Boston Globe-Reporter Aruni Soni über ihre neue Studie, die zeigt, dass die Senkung der Kosten für Solarenergie beschleunigt werden wird Verbesserungen in der Soft-Tech. „Wir haben festgestellt, dass sich die Soft-Technologie der Solarenergie wirklich nicht verändert und sich nicht annähernd so schnell verbessert hat wie die Hardware“, sagt Trancik. „Diese weichen Kosten können in vielen Systemen 50 Prozent oder sogar mehr der Gesamtkosten von Solarstrom ausmachen.“

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