Panele słoneczne. Długa droga do opłacalności

Łukasz Partyka
26.11.2012 14:03
A A A Drukuj
Energię słoneczną można gromadzić za pomocą wody i... rdzy. No dobrze, kilka jeszcze innych składników też się przyda. Przełomową technologię opracował zespół szwajcarsko-polski

Energia słoneczna - darmowa i modna, bo ekologiczna - to wciąż domena roślin. Ludzie nie radzą sobie aż tak dobrze z jej gromadzeniem i wykorzystaniem. Najpopularniejsze rozwiązania, czyli panele półprzewodnikowe produkujące prąd elektryczny, wcale nie sa takie tanie i ekologiczne.

Popatrzmy zresztą na powyższe zdjęcie. Czy naprawdę pierwsze, co przychodzi nam do głowy na ten widok to "ekologia"?

Eko-mity

Po pierwsze, produkcja w miarę wydajnych paneli wciąż sporo kosztuje, bo wymaga zaawansowanej technologii i - co gorsza - drogich materiałów. Wiele krajów (w tym nasz) dopłaca do zakupu takich paneli, maskując faktyczne koszty (za pomocą naszych podatków). A już mało kto chce na dokładkę pamiętać o konieczności utylizacji zużytych paneli w nie tak znowu dalekiej przyszłości.

Po drugie, wyprodukowany prąd trzeba magazynować, albo od razu sprzedawać do sieci. To oznacza dodatkowe problemy i koszty: wydatki na akumulatory, straty cieplne w trakcie przesyłu i - np. w naszym kraju - bariery czysto organizacyjne (prywatna osoba wciąż nie może sprzedawać prądu koncernowi energetycznemu, a i mała firma może mieć z tym duży kłopot).

Rozwiązanie znowu podpowiadają rośliny. Fotosynteza prowadzi przecież do produkcji paliwa, a nie elektyczności. W przypadku sztucznej fotosyntezy tym paliwem nie muszą być związki węgla, może być nim również wodór.

Wodór (i tlen przy okazji) uzyskuje się przez elektrolizę wody. Spalany, produkuje parę wodną - trudno sobie wyobrazić bardziej ekologiczne spaliny. Da się przechowywać w zwykłej butli i bez większych problemów transportować.

Zamiast płacić za energię, gospodarstwo domowe mogłoby na niej nawet zarabiać. O tak:

Ale jak sprawnie i tanio gromadzić w tej postaci energię słoneczną ?

Prace nad tym trwają od kilku dziesięcioleci. Jednym z intensywnie badanych rozwiązań jest ogniwo tandemowe, w których część promieni słonecznych przekształca się w prąd prowadzenia do prowadzenia fotoelektrolizy.

- Idealnym rozwiązaniem, wciąż bardzo odległym od realizacji, byłby foto-elektrolizer działający bezpośrednio, nie wymagający dodatkowego źródła zasilania - wyjaśnia magazynowi Next prof. Jan Augustyński z Uniwersytetu Warszawskiego, jeden z autorów pracy opublikowanej niedawno na łamach Nature Photonics. - W ogniwie tandemowym rolę dodatkowego źródła zasilania spełnia tak zwane barwnikowe fotowoltaiczne ogniwo słoneczne ustawione za foto-elektrolizerem i wykorzystujące tą samą wiązkę światła słonecznego.

Prof. Augustyński od wielu lat współpracuje przy tym projekcie z prof. Michaëlem Grätzlem ze szwajcarskiej Politechniki Federalnej w Lozannie (EPFL). Obaj opatentowali barwnikowe ogniwo tandemowe, które dzieli światło na kolory, żeby równocześnie prowadzić fotoelektrolizę i uzyskiwać dla niej zasilanie. Nowa publikacja opisuje między innymi fotoanodę z tlenku wolframu, opracowaną przez dr Renatę Solarską z UW.

- W przypadku fotoanody z WO3 minimalne napięcie zewnętrzne przy którym następuje rozkład wody wynosi około 0,6 Volta czyli ponad dwukrotnie mniej niż w przypadku klasycznej elektrolizy - wyjaśnia profesor. - Nasza fotoanoda osadzona na szkle przewodzącym pochłania część wysoko energetyczną promieniowania słonecznego (nadfiolet i światło niebieskie) przepuszczając jego pozostałą część (światło żółte i czerwone), którą z kolei wykorzystuje barwnikowe ogniwo słoneczne.

Nanotechnologia rozwiązuje problemy

Zobacz także:
Sztuczna fotosynteza lepsza niż biopaliwa

Z ogniwami słonecznymi różnego typu jest jeszcze jeden problem: kompromitująco niska wydajność. Stąd duża powierzchnia paneli w elektrowniach słonecznych takich, jak francuska "farma" na zdjęciu. Ogniwa tandemowe nie są wyjątkiem.

- Amerykański zespół zdołał uzyskać imponującą wydajność reakcji sięgającą 12,4 proc. - przyznaje prof. Kevin Sivula z EPFL, główny autor artykułu. - To rozwiązanie jest bardzo interesujące z perspektywy teoretycznej, ale wyprodukowanie ich metodą 10 cm2 ogniwa kosztowałoby 10.000 dolarów.

Szwajcarsko-polski projekt ma na celu radykalną redukcję kosztów, a jego wydajność waha się jak na razie między 1,4 a 3,6 proc. Teoretycznie, może ona sięgnąć 16 proc., ale ile to będzie kosztować?

- Najdroższym materiałem w naszym urządzeniu jest szklana płytka - podkreśla prof. Sivula. - Mamy nadzieję za parę lat uzyskać wydajność około 10 proc. za mniej niż 80 dolarów za metr kwadratowy. Przy takiej cenie będziemy konkurować z tradycyjnymi metodami produkcji wodoru.

Dzięki zastosowaniu nanostruktur, powierzchnia, na której zachodzą obie reakcje rośnie, bo zamiast płaskiej płytki mamy gąszcz niewidocznych dla oka drobinek.

Zobacz także:
Sztuczny liść z MIT

- Zarówno fotoanody z WO3 nad którymi pracuje dr Renata Solarska jak i elektrody z tlenku tytanu stosowane w ogniwie barwnikowym złożone są z cząstek o wymiarach od kilkunastu do kilkudziesięciu nanometrów. W obu przypadkach nanocząstki tlenków tworzą warstwy porowate o grubości od kilku do kilkunastu mikrometrów i wysokiej powierzchni aktywnej - wyjaśnia nam prof. Augustyński.

- Obydwa elementy obecnego ogniwa tandemowego nie ulegają degradacji i, co jest niesłychanie istotne, wytwarzane są tanimi metodami - dodaje warszawski naukowiec.
Przyznaje jednak, że wciąż trwają badania, a o wejściu na rynek nie ma jeszcze mowy. No, chyba, że rozłożymy wynalazek na kawałki i skomercjalizujemy ten polski element.

- Pierwszym komercyjnym zastosowaniem fotoanod z WO3 może okazać się prowadzone przy oświetleniu słonecznym foto-utlenianie ścieków organicznych połączone z produkcją wodoru na katodzie. Stosowana do tego obecnie klasyczna elektroliza jest niezwykle energochłonna i mało wydajna - podkreśla profesor.

Jak pokryć rdzę naprawdę cienką warstwą farby?

Tymczasem kluczowym elementem szwajcarsko-polskiego projektu jest zastosowany w nim półprzewodnik - tlenek żelaza, znany lepiej jako rdza.

- To materiał stabilny i łatwo dostępny. Przecież nam nie zardzewieje - uśmiecha się prof. Sivula. - Ale to jeden z najgorszych półprzewodników, jakie można sobie wyobrazić.

Dlatego naukowcy wzbogacili nanostruktury rdzy za pomocą innych tlenków (krzemu, glinu i kobaltu). Właśnie nad procedurami wzbogacania rdzy muszą jeszcze popracować, bo to zadanie dość skomplikowane.

Jeśli uda się uprościć metody produkcji (czyli nakładania supercienkiej warstwy dodatków), ta przełomowa technologia ma szansę odesłać współczesne panele słoneczne do lamusa.

A raczej - do wyspecjalizowanych zakładów utylizacji.

Zobacz więcej na temat: