Home Νέα Τύπος Μπορούν να μας σώσουν τα φωτοβολταϊκά;
Μπορούν να μας σώσουν τα φωτοβολταϊκά;

Μπορούν να μας σώσουν τα φωτοβολταϊκά;

0
0

(Toυ Τάσου Καφαντάρη, Βήμα, 22/07/2012)

Υπάρχουν πολλοί άνθρωποι – τουρίστες κυρίως – που αναρωτιούνται γιατί με τόσο ήλιο έχουμε ακόμη… περισσότερες διαφημιστικές πινακίδες στις ταράτσες μας από φωτοβολταϊκά. Αλλά υπάρχουν και πολλοί Ελληνες που επένδυσαν στα φωτοβολταϊκά και… δεν θέλουν να τους μιλούν γι’ αυτά. Η παραδοξότητα αυτή έχει τις «γραφικές» οικονομικές εξηγήσεις της, αλλά και σε διεθνές επίπεδο εύλογα αιωρείται το ερώτημα: εφόσον μας λένε ότι η ηλιακή ενέργεια που φθάνει στη Γη είναι 6.000 φορές μεγαλύτερη της ενέργειας που καταναλώνουν όλοι μαζί οι άνθρωποι (89 Petawatt έναντι 15 Terawatt) και ότι η ηλιακώς παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια έχει την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα (170 Watt ανά τετραγωνικό μέτρο) από όλες τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, γιατί η εκμετάλλευσή της παραμένει ισχνή;

Οπως θα σας πει κάθε «ενεργειακός σύμβουλος», η συνταγή επιτυχίας μιας φωτοβολταϊκής επένδυσης είναι γινόμενο της ηλιοφάνειας, της επιφάνειας κάλυψης και της αποδοτικότητας των στοιχείων. Με την ηλιοφάνεια να είναι από σταθερή ως αύξουσα και την τιμή των φωτοβολταϊκών μονάδων να πέφτει συνεχώς – 60% μείωση από το 2008 ως το 2011 – η σημασία της έκτασης που θα καλύψουμε μειώνεται. Αρα, για να φθάσουμε στην απάντηση, θα έλεγε κανείς ότι μας μένει να βρούμε τι κρατάει χαμηλή την αποδοτικότητα των φωτοβολταϊκών στοιχείων.

Tο όριο Shockley-Queisser

Θεωρητικά, από τη μεριά της Φυσικής, η απάντηση υπάρχει και έχει όνομα: το όριο Shockley-Queisser. Τι είναι αυτό το όριο; Είναι η θεωρητικώς μέγιστη απόδοση ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου, που μέτρησαν το 1961 οι αμερικανοί εφευρέτες των ημιαγωγών William Shockley και Hans Queisser. Προκειμένου για φωτοβολταϊκά φτιαγμένα από πυρίτιο, με μονή ένωση p-n και διάκενο ζώνης 1,1 eV (ηλεκτρονιοβόλτ), η μέγιστη αυτή απόδοση είναι κάπου 33,7%. Δηλαδή, από την όλη ηλιακή ακτινοβολία που φθάνει σε ένα φωτοκύτταρο (κάπου 1.000 W/m²) μόνο το 33,7% μετατρέπεται σε ηλεκτρισμό (337 W/m²).

Και πώς… ξεπερνιέται

Στην πράξη, τα κρυσταλλικά φωτοκύτταρα μονής ένωσης του εμπορίου έχουν απόδοση της τάξης του 12%-18% και ελάχιστα – όπως της καλιφορνέζικης Sunpower – «πιάνουν» απόδοση 19,5%. Tα πανάκριβα φωτοβολταϊκά τριπλής ένωσης της Sharp και της Boing Spectrolab κατορθώνουν να έχουν απόδοση ενεργειακής μετατροπής 35,8 και 40,7%, αντίστοιχα. Με τη χρήση συγκεντρωτών – που αυξάνουν ακόμη περισσότερο το κόστος – το Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμης Ενέργειας των ΗΠΑ (NREL) άγγιξε τον Απρίλιο του 2011 την απόδοση του 43,5%. Από αυτή λοιπόν τη συνδυαστική ανεπάρκεια τεχνολογίας – κόστους παραγωγής πηγάζει παγκοσμίως η ανάγκη πολιτικών επιδότησης των επενδύσεων σε φωτοβολταϊκή παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, που στα καθ’ ημάς μεταφράστηκε σε γαϊτανάκι γραφειοκρατικών άθλων και αθλιοτήτων.

Το ζητούμενο επίτευξης τεχνολογιών που θα ξεπεράσουν αυτό το φράγμα στην απόδοση των φωτοβολταϊκών απασχολεί πλήθος επιστημόνων παγκοσμίως. Είναι χαρακτηριστική η ημερίδα που διοργανώνεται την επόμενη Κυριακή, 29 Ιουλίου 2012, στο Caltech (Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας) υπό τον τίτλο «Επανακαθορίζοντας τα όρια της φωτοβολταϊκής απόδοσης». Διαβάζοντας το πρόγραμμά της βλέπουμε ότι θα συμμετέχουν ερευνητές των πανεπιστημίων και των κυβερνητικών υπηρεσιών «για να εξετάσουν νέα υλικά και διεργασίες που θα μπορούσαν να ξεπεράσουν το όριο Shockley-Queisser». Ωστε… υπάρχουν λύσεις; Ναι, και μάλιστα διαφόρων ειδών. Στη συνέχεια θα τις εξετάσουμε υπό το πρίσμα της επικαιρότητας, αλλά και με τη βοήθεια ενός κατ’ εξοχήν ειδικού.

Με τη ματιά του ειδικού

Προκειμένου να έχουμε την άποψη κάποιου που βρίσκεται στην αιχμή της σχετικής τεχνολογίας, απευθυνθήκαμε στον Γεράσιμο Κωνσταντάτο, τον έλληνα ερευνητή που ανακοίνωσε – τον Μάιο του 2012 – ότι κατάφερε να αυξήσει τη φωτοευαισθησία του γραφενίου κατά 8 τάξεις μεγέθους (βλ. το σχετικό άρθρο μας στο www.tovima.gr/science/article/?aid=458493). Παραθέτουμε στη συνέχεια το απόσταγμα όσων μας είπε.

Ο Ηλιος είναι αναμφισβήτητα μια διαρκής και ισχυρή πηγή ενέργειας για τον πλανήτη μας. Αρκεί να πούμε ότι μέσα σε μία μόνο ώρα παρέχει αρκετή ενέργεια για να καλύψει τις ετήσιες ανάγκες όλης της Γης. Αυτό σημαίνει βασικά ότι το να καλύψουμε μόνο το 0,1% της επιφάνειας της Γης με ηλιακά κύτταρα θα ήταν αρκετό για να καλύψουμε τις παγκόσμιες ανάγκες μας σε ηλεκτρική ενέργεια. Γιατί αυτό δεν έχει συμβεί ακόμη; Η απάντηση βρίσκεται στα οικονομικά του προβλήματος: Για να είναι οικονομικά βιώσιμη η παραγωγή ενέργειας από φωτοβολταϊκά, το κόστος της θα πρέπει να ανέρχεται σε λιγότερο από ένα δολάριο ανά Watt. Αυτό συνεπάγεται παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής του φωτοκυττάρου με κόστος της τάξης των 5-10 σεντ ανά κιλοβατώρα (KWh), ώστε να είναι στο ίδιο επίπεδο με το τρέχον κόστος της παραγόμενης από υδρογονάνθρακες ηλεκτρικής ενέργειας. Οι μέχρι τούδε περιβαλλοντικές πολιτικές έχουν υποχρεώσει τις κυβερνήσεις να επιδοτούν την παραγωγή ενέργειας με φωτοβολταϊκά και την παραγωγή φωτοβολταϊκών (κυρίως πυριτίου) που έχουν κανονικά κόστος παραγωγής ανά Watt περίπου 2-3 φορές υψηλότερο από την τιμή του δικτύου. Αυτό ήταν ένα απολύτως απαραίτητο μέτρο από περιβαλλοντική άποψη, αλλά δεν είναι οικονομικά βιώσιμο. Συνεπώς, προκύπτει αδήριτη η ανάγκη για τεχνολογίες πιο αποδοτικών και φθηνών φωτοβολταϊκών.

Σάντουιτς νανοϋλικών

Μεταξύ των τρεχουσών προσπαθειών για χαμηλού κόστους και υψηλής απόδοσης φωτοβολταϊκά, ξεχωρίζουν εκείνες που βασίζονται σε νανοϋλικά. Αυτού του τύπου τα υλικά μπορούν να συντεθούν σε διάλυμα και να εναποτεθούν πάνω σε κάθε είδους υπόστρωμα, άκαμπτο ή εύκαμπτο, πλαστικό ή μεταλλικό, σε χαμηλές θερμοκρασίες (χρησιμοποιώντας παραγωγική διεργασία διέλασης με ρολά, όπως στην επεξεργασία του αλουμινίου). Μια πτυχή, ωστόσο, κεφαλαιώδους σημασίας για τα φωτοστοιχεία νανοϋλικών έχει να κάνει με την πιο αποτελεσματική χρήση της ηλιακής ενέργειας: Το πυρίτιο – όπως και άλλοι μονοκρυσταλλικοί ημιαγωγοί – έχουν ένα διάκενο ζώνης (bandgap) το οποίο καθορίζει την ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να έχει ένα φωτόνιο προκειμένου να διεγείρει ηλεκτρόνια και να παράγουν ενέργεια. Καθώς το ηλιακό φως φέρνει φωτόνια ευρύτατου ενεργειακού φάσματος (από την υπεριώδη ως την υπέρυθρη ακτινοβολία), τα φωτόνια με ενέργειες κάτω από το διάκενο ζώνης του υλικού σπαταλώνται, ενώ τα φωτόνια με ενέργειες υψηλότερες από αυτό παράγουν ηλεκτρική ενέργεια σε ένα κλάσμα της ολικής τους (η πλεονάζουσα ενέργεια γίνεται θερμότητα). Με την επίτευξη «κβαντορυθμιζόμενων νανοϋλικών» κατορθώσαμε να παρέμβουμε στο διάκενο ζώνης των υλικών: στα πολυμερή το κάνουμε με τον έλεγχο της μοριακής δομής τους, ενώ στις «κβαντικές τελείες» απλώς αλλάζοντας το μέγεθος των νανοκρυστάλλων. Τι σημαίνει αυτό; Οτι θα μπορούμε να δημιουργούμε αλλεπάλληλες στρώσεις νανοϋλικών με διαφορετικά διάκενα ζώνης, ώστε αυτό το σάντουιτς να μπορεί να επιτρέπει τη μέγιστη δυνατή αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας (το απόλυτο θερμοδυναμικό μέγιστο είναι περίπου 90%).

Κβαντικές κουκκίδες με «μέση-δαχτυλίδι»

Στον επιστημονικό μαραθώνιο που εκτυλίσσεται για μια τόσο πρωτόγνωρη σάρωση της ηλιακής ενέργειας, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι κολλοειδείς κβαντικές κουκκίδες (quantum dots). Πρόκειται για μικροσκοπικούς νανοκρυστάλλους, της τάξης των 2-10 εκατομμυριοστών του μέτρου (νανομέτρων, nm) που έχουν τη μοναδική ιδιότητα να αλλάζουν το διάκενο ζώνης του υλικού τους απλά αλλάζοντας το μέγεθος των κρυστάλλων. Εξαλείφουν δηλαδή την ανάγκη ενσωμάτωσης διαφορετικών και σύνθετων υλικών για να καλύψει κανείς το ευρύ ηλιακό φάσμα. Η ιδέα γεννήθηκε το 2001 από τον καθηγητή στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας Berkeley, Παύλο Αλιβιζάτο, ο οποίος δημιούργησε το πρώτο φωτοστοιχείο από κβαντική κουκκίδα καδμίου-σεληνίου (CdSe) σε πολυμερές. Τέσσερα χρόνια αργότερα, η ερευνητική ομάδα του Ted Sargent στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο – όπου μετείχε ο Γεράσιμος Κωνσταντάτος – έδειξε ότι χρησιμοποιώντας κβαντικές κουκκίδες θειούχου μολύβδου (PbS) μπορούμε να επεκτείνουμε τη δράση των πολυμερών φωτοστοιχείων στο υπέρυθρο φάσμα. Τώρα, στο ICFO, η ομάδα του έχει εστιάσει το ενδιαφέρον της σε νέα υλικά, για την αντικατάσταση των τοξικών Pb και Cd, και έχει πρόσφατα δείξει – με άρθρο της στο Nature Photonics – ότι με την ανάπτυξη μιας ειδικής νανοδομής μπορούμε να δομήσουμε φιλικά προς το περιβάλλον νανοφωτοφωλταϊκά.

Το μέλλον της ηλιακής αγοράς

Στο ερώτημα «ποια τεχνολογία θα κυριαρχήσει τελικά την αγορά των φωτοβολταϊκών;» η απάντηση που μας έδωσε ο Γεράσιμος Κωνσταντάτος είναι: Αρχικά, αυτή που θα καταφέρει να πιάσει πρώτη το κόστος παραγωγής ενέργειας από υδρογονάνθρακες. Για την ώρα, το προβάδισμα στην κούρσα δείχνουν να έχουν τα φωτοβολταϊκά από πολυκρυσταλλικό πυρίτιο και τα φωτοβολταϊκά από λεπτή μεμβράνη (thin film solar cells) που βασίζονται σε προσμείξεις CIGS (δισεληνίδιο χαλκού, ινδίου και γαλλίου) και CdTe (τελλουριδίου του καδμίου). Μακροπρόθεσμα όμως πιθανότατα κανένα από αυτά δεν θα κυριαρχήσει: Τα στοιχεία από πολυκρυσταλλικό πυρίτιο δεν θα κατορθώσουν να πέσουν στο κόστος παραγωγής (και τοποθέτησης) των στοιχείων από λεπτή μεμβράνη, αλλά και οι τεχνολογίες λεπτής μεμβράνης με βάση CIGS και CdTe αντιμετωπίζουν το πρόβλημα έλλειψης πρώτης ύλης – δεν υπάρχει αρκετό γάλλιο, τελλούριο ή ίνδιο στον φλοιό της Γης για να φθάσουν στην παραγωγή Τεραβάτ ηλεκτρικής ενέργειας. Συνεπώς, στο όχι πολύ μακροπρόθεσμο μέλλον, η ανάγκη για εξαιρετικά λεπτά, εξαιρετικά ελαφρά, ευέλικτα και χαμηλού κόστους φωτοστοιχεία, που θα βασίζονται σε αφειδώς παρεχόμενα από τον πλανήτη υλικά, θα αναδείξει νέο διεκδικητή της κούρσας.

Ενας επιπλέον σημαντικός παράγοντας που ρυθμίζει τη δυναμική της αγοράς φωτοβολταϊκών έχει να κάνει με την ποικιλία των εφαρμογών τους. Εκτός από τα γνωστά ήδη φωτοβολταϊκά πάρκα και τα πάνελ στη στέγη, με τη βοήθεια της νανοτεχνολογίας θα είμαστε σε θέση να αξιοποιήσουμε την ηλιακή ενέργεια και από τους τοίχους των σπιτιών μας, τα παράθυρά τους, το αμάξωμα των αυτοκινήτων μας, ή ακόμα και από τα ρούχα μας και κάθε συσκευή που καταναλώνει ενέργεια στο ύπαιθρο (κινητά τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές, κ.λπ.). Στο πλαίσιο αυτής της πληθώρας εφαρμογών, το μεν άκαμπτο κρυσταλλικό πυρίτιο ή και οι ανόργανες φωτοβολταϊκές μεμβράνες θα καταλάβουν τη μεγάλη μερίδα της αγοράς ηλιακών πάρκων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μεγάλης κλίμακας, ενώ οι νέες και εξαιρετικά λεπτές και ευέλικτες τεχνολογίες φωτοβολταϊκών (οργανικά, πολυμερή, κβαντικές κουκκίδες ή φωτοευαίσθητη βαφή) θα κυριαρχήσουν στις αστικές και μικρής κλίμακας αγορές – όπως, για παράδειγμα, στα ενεργειακώς αυτάρκη σπίτια, ενώ η διείσδυσή τους στα μεγάλης κλίμακας συστήματα θα εξαρτηθεί από την επιτυχία της τεχνολογίας αυτής να επιδείξει διάρκεια ζωής παρόμοια με εκείνη του πυριτίου.

Παράθυρο ευκαιρίας για την Ελλάδα

Σε αντίθεση με τη βιομηχανία ημιαγωγών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, στην οποία κυριάρχησε το πυρίτιο και τυποποιήθηκε, η φωτοβολταϊκή τεχνολογία δεν δείχνει να ακολουθεί συγκεκριμένο πρότυπο. Αυτό διότι μοιάζει απίθανο ένα και μόνο ημιαγώγιμο υλικό να καλύψει τις παγκόσμιες ανάγκες. Μια τέτοια εξέλιξη είναι πολύ σημαντική, διότι θα επιτρέψει τον άγριο ανταγωνισμό των διαφόρων τεχνολογιών και θα κατεβάσει το κόστος, με απόρροια το σίγουρο όφελος για τον τελικό χρήστη – την κοινωνία. Αυτό, σε συνδυασμό με το ότι βρισκόμαστε στα πρώτα στάδια ανάπτυξης φωτοστοιχείων με νανοτεχνολογία, ανοίγει ένα μοναδικό παράθυρο ευκαιρίας για χώρες που δεν συγκαταλέγονταν στους μεγάλους παίκτες της προηγούμενης τεχνολογικής επανάστασης. Για την Ελλάδα ειδικά υπάρχουν πολύ συγκεκριμένοι λόγοι για τους οποίους η χώρα μας πρέπει να αρπάξει αυτή την ευκαιρία και να την κάνει υπόθεση νίκης, όχι μόνο για έρευνα και ανάπτυξη αλλά και για βιομηχανική εκμετάλλευση.

Πρώτος λόγος: Η Ελλάδα βρίσκεται σε ένα από τα σημεία μέγιστης ηλιοφάνειας του πλανήτη, με αποτέλεσμα η αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας να είναι πιο βιώσιμη οικονομικά από ό,τι στις βορειότερες χώρες. Οπότε, τα φωτοβολταϊκά θα έπρεπε να αναδειχθούν σε στρατηγική επένδυση για τη χώρα μας και να καταστρωθεί ένα στρατηγικό σχέδιο έρευνας σε αυτά.

Δεύτερος λόγος: Η Ελλάδα έχει αποδείξει πως διαθέτει ένα πολύ ισχυρό πνευματικό δυναμικό στον τομέα της Χημείας και της Φυσικής. Αυτά τα δύο πεδία παίζουν σημαντικό ρόλο στην πρόοδο των νανοεπιστημών. Οι μηχανικοί μπορούν στη συνέχεια να αναλάβουν τη μετατροπή των νανοεπιστημών σε νανοτεχνολογίες και να οδηγήσουν στην ανάπτυξη προϊόντων και συσκευών.

Τρίτος λόγος: Ενώ οι παραδοσιακές τεχνολογίες φωτοβολταϊκών έχουν πλέον ευρύτατη και κατοχυρωμένη πνευματική ιδιοκτησία, τα φωτοστοιχεία από νανοτεχνολογία είναι ακόμη στα σπάργανα, επιτρέποντας όχι μόνο την έρευνα με μεγάλο αντίκτυπο αλλά και – το πιο σημαντικό – μια γενιά πνευματικής ιδιοκτησίας στην Ελλάδα. Αυτό είναι ένας κρίσιμος παράγοντας για την προσέλκυση επενδυτών και βιομηχανικού ενδιαφέροντος.

Τέταρτος λόγος: Αντίθετα με τους παραδοσιακούς ημιαγωγούς, οι νανοκρύσταλλοι και οι μοριακοί ημιαγωγοί δεν απαιτούν δαπανηρές εγκαταστάσεις παραγωγής. Μπορούν να συντεθούν σε ένα απλό εργαστήριο χημείας και οι διατάξεις τους γίνονται με χαμηλού κόστους τεχνικές εναπόθεσης. Αυτό επιτρέπει το μικρό ύψος επένδυσης για την έναρξη έρευνας και ανάπτυξης στον τομέα.

Υπάρχει, βέβαια, πληθώρα δράσεων που πρέπει να αναληφθούν προκειμένου να συμμετάσχει η Ελλάδα σε αυτό το παγκοσμίως νέο σκηνικό. Η έρευνα και ανάπτυξη στον εν λόγω τομέα είναι απολύτως διεπιστημονική: διασχίζει το πεδίο της Χημείας, της Φυσικής και της Μηχανικής. Επίσης, νέα γνώση και πνευματική ιδιοκτησία μπορεί να προκύψει στα όριά τους, οπότε σε ερευνητικό επίπεδο – είτε αυτό είναι ερευνητικό ίδρυμα ή πανεπιστήμιο – ένας νέος άξονας θα πρέπει να δημιουργηθεί, που θα διασχίζει κάθετα τα τμήματα και τις σχολές. Για παράδειγμα, θα μπορούσαν να δημιουργηθούν ερευνητικά κέντρα ειδικού σκοπού στον τομέα της ενέργειας. Αυτό θα δώσει την ευκαιρία σε ερευνητές διαφορετικών επιστημονικών κλάδων να αλληλεπιδρούν και να αντιμετωπίζουν προβλήματα που διαφορετικά θα ήταν αδύνατο να προσεγγίσουν. Τελευταίο, αλλά όχι λιγότερο σημαντικό προκειμένου να αξιοποιηθούν τα οφέλη της έρευνας, είναι να δοθεί έμφαση στη διασφάλιση και την προστασία της πνευματικής ιδιοκτησίας που θα προκύπτει. Διαφορετικά, όλα τα οφέλη και η γνώση που παράγεται θα παραμείνουν σε ακαδημαϊκό επίπεδο, χωρίς πρακτική ανταπόδοση στην εθνική οικονομία και την κοινωνία.