Καινοτόμες τεχνολογίες, όπως πιο αποδοτικά φωτοβολταϊκά στοιχεία που μπορούν να συλλέγουν ακτινοβολία από όλο το φάσμα του φωτός, υπόσχονται να αυξήσουν δραματικά την παραγωγή ηλιακής ηλεκτρικής ενέργειας στην επόμενη εικοσαετία. Σημαντικά όμως εμπόδια παραμένουν αξεπέραστα.
Γράφει η Cheryl Katz, αρθρογράφος επί επιστημονικών θεμάτων σε μια σειρά εντύπων της δυτικής ακτής των Ηνωμένων Πολιτειών, τελευταία ως ελεύθερη συνεργάτης, ειδικευμένη σε θέματα περιβάλλοντος και κλιματικής αλλαγής. Μεταξύ άλλων, έχει αναφερθεί σε τεχνολογίες εξοικονόμησης ενέργειας και στα πλεονεκτήματα της ανακύκλωσης νερού μέσω αφαλάτωσης.
Παρά την πρόοδο που έχει σημειωθεί τα τελευταία χρόνια, η ηλιακή ενέργεια αποτελεί μόλις το 1% του παγκόσμιου ενεργειακού μίγματος και το περισσότερο αυτής παράγεται από αποκεντρωμένα φωτοβολταϊκά συστήματα εγκαταστημένα σε στέγες. Ωστόσο η ΔΥΕ (Διεθνής Υπηρεσία Ενέργειας) ισχυρίζεται ότι η ηλιακή ενέργεια θα μπορούσε κάλλιστα να αποτελέσει τη μεγαλύτερη πηγή ενέργειας πριν τα μέσα του αιώνα που διανύουμε. Πως θα φτάσουμε όμως από το σημείο που βρισκόμαστε σήμερα ως εκεί που επιθυμούμε;
Οι επιστήμονες συμφωνούν ότι η απάντηση βρίσκεται σε μια νέα γενιά ηλιακών συλλεκτών οι οποίοι μπορούν να είναι εξαιρετικά αποδοτικοί και ταυτόχρονα η παραγωγή τους να είναι χαμηλού κόστους. Η νέα αυτή γενιά, ξεκινά δηλαδή ακριβώς από το σημείο που σταμάτησε η πρόσφατη πλημμυρίδα φθηνών πάνελ πυριτίου. Τελευταία, νέα υλικά και καινοτόμα σχέδια σπάνε το ρεκόρ αποτελεσματικότητας στη μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας σε ρεύμα, σχεδόν κάθε εβδομάδα. Παρά το γεγονός ότι η έρευνα και η ανάπτυξη συστημάτων ηλιακής ενέργειας απέχει από το σημείο που θα έπρεπε να είναι, οι επιστήμονες κάνουν σταθερά βήματα προόδου στην προσπάθεια τους να δημιουργήσουν μια νέα γενιά υλικών τα οποία συλλέγουν την ηλιακή ενέργεια αποτελεσματικότερα από τα παραδοσιακά ηλιακά στοιχεία πυριτίου.
Ανάμεσα στις πολλά υποσχόμενες τεχνολογίες είναι τα στοιχεία πολλαπλών διασταυρούμενων επιστρώσεων, η καθεμία εκ των οποίων συλλέγει ηλιακή ενέργεια από διαφορετικό τμήμα του φάσματος του ηλιακού φωτός, τα υπέρ-αποδοτικά ημιαγώγιμα υλικά, όπως ο περοβσκίτης και το αρσενίδιο του γαλλίου και τα στοιχεία που είναι φτιαγμένα από τους μικροσκοπικούς αλλά πανίσχυρους ηλιακούς συλλέκτες, γνωστούς με το όνομα κβαντικές κηλίδες ή τελείες. Υπάρχουν τεχνικές δυσκολίες που δεν έχουν ξεπεραστεί, η έρευνα απέχει πολύ ακόμα από το να είναι σε θέση να μεταφέρει το αντικείμενό της στην παραγωγή αλλά όλοι αισιοδοξούν ότι οι προσπάθειες που εξελίσσονται σήμερα θα μπορέσουν μέσα στις επόμενες δυο δεκαετίες να αυξήσουν δραματικά την παραγόμενη από τον ήλιο ενέργεια.
Στο βαθμό που ο στόχος είναι η αύξηση του ρόλου του ήλιου ως ενεργειακό απόθεμα, η ενίσχυση της αποδοτικότητας των ηλιακών στοιχείων είναι θεμελιώδης και εκεί πρέπει να κατατείνει η έρευνα. Τα περιθώρια βελτίωσης ακόμα και των υπαρχόντων εμπορικών συστημάτων, είναι υπαρκτά. Η συντριπτική πλειοψηφία των ηλιακών πάνελ στην αγορά χρησιμοποιεί στοιχεία κρυστάλλων πυριτίου ικανά να μετατρέψουν περίπου το 16 % του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι αποδόσεις των υπολοίπων πάνελ, τεχνολογίας λεπτού υμενίου με τελλουριούχο κάδμιο (Cd-Te), με σεληνιούχο χαλκό-ίνδιο-γάλλιο (CIGS) ή άλλης μορφής, κυμαίνονται 12 έως 15 %. Συνεπώς, η προσπάθεια να καταφέρουμε να πάρουμε καλύτερες αποδόσεις από τα φωτοβολταϊκά – οι ειδικοί λένε ότι το 50% δεν είναι εξωπραγματικός στόχος και ας μοιάζει ως τέτοιος – θα κάνει την ηλιακή ενέργεια όλο και πιο προσιτή.
Η εξέλιξη της ηλιακής ενέργειας την τελευταία δεκαετία υπήρξε εντυπωσιακή, καθώς η πτώση των τιμών των πάνελ και η αυξανόμενη ζήτηση συμπίεσαν το κόστος σε τέτοιο βαθμό ώστε να γίνει ευθέως ανταγωνιστική του άνθρακα ή, σε κάποια μέρη, ακόμα και του φυσικού αερίου. Η αλλαγή υπήρξε τόσο σημαντική ώστε να έχει αυξήσει τις προσδοκίες για τον ρόλο που μπορεί να παίξει ο ήλιος σε ένα ενεργειακά καθαρό μέλλον. Η ΔΥΕ προσφάτως αναπροσάρμοσε προς τα πάνω κατά 50% τους στόχους της για την αναμενόμενη παραγωγή ηλεκτρικής ηλιακής ενέργειας το 2050. Μια μελέτη του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, σχετικά με την εξέλιξη των φωτοβολταϊκών, έδειξε ότι το 2030, το 14% της ηλεκτρικής ενέργειας των ΗΠΑ θα παράγεται από τον ήλιο.
Υπάρχει ένα καινούργιο υλικό για το οποία η επιστημονική κοινότητα μιλάει με ενθουσιασμό. Πρόκειται για τους περοβσκίτες, μια ομάδα ορυκτών με δομή που μοιάζει με την κρυσταλλική δομή των αλάτων. Οι κρύσταλλοι αυτοί κατασκευάζονται εύκολα από φθηνά υλικά, όπως ο μόλυβδος και η αμμωνία, και γίνονται όλο και περισσότερο αποτελεσματικοί στη μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρισμό.
«Όλος ο επιστημονικός και επιχειρηματικός κόσμος είναι ενθουσιασμένος» δηλώνει ο Jao van de Lagemaat, διευθυντής στο Κέντρο Χημείας και Υλικών του Εθνικού Εργαστηρίου Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, που εδρεύει στην πόλη Golden του Κολοράντο. «Η απόδοση των ηλιακών στοιχείων περοβσκίτη αυξάνεται ταχύτερα από οτιδήποτε άλλο έχουμε εξετάσει μέχρι σήμερα. Δεν ξέρω που θα σταματήσει». Αν και χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά σε ηλιακά στοιχεία το 2009, κέντρισε το ενδιαφέρον πολλών ερευνητών μόλις το 2012. Από τότε, τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του υλικού βελτιώθηκαν και τα νούμερα μετατροπής φωτός σε ενέργεια απογειώθηκαν.
«Κάλυψε την απόσταση από την ανυπαρξία στο 15% μέσα σε μόλις δυο χρόνια», λέει ο Michael McGehee, καθηγητής της Επιστήμης των Υλικών στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ, και συνεχίζει «Υπό κανονικές συνθήκες, όταν δουλεύεις με ένα νέο υλικό, απαιτούνται από 10 εως 20 χρόνια για να επιτευχθούν αποδόσεις της τάξεως του 15%».
Πράγματι, η αποδοτικότητα συνεχίζει να αυξάνεται. Τελευταία επιβεβαιωμένη μέτρηση την ανεβάζει πάνω από 20% και υπάρχουν ανεπίσημες αναφορές για 24%.
Ένα εντυπωσιακό χαρακτηριστικό του περοβσκίτη είναι ότι παράγεται από ένα υγρό διάλυμα σε χαμηλές θερμοκρασίες, σε αντίθεση με τις υψηλών θερμοκρασιών και άρα ενεργοβόρες μεθόδους παραγωγής κρυστάλλων πυριτίου και άλλων υλικών για ηλιακά στοιχεία. Επιπλέον, μπορεί να επιχρισθεί σε υποστρώματα όπως το πλαστικό, διαδικασία που ο van de Lagemaat παρομοίασε με εκείνη της κατασκευής φωτογραφικού φιλμ. Οι εφαρμογές για ελαφριά, εύκαμπτα και φθηνά ηλιακά πάνελ είναι τεράστιες!
Παρ’ όλα αυτά, ο περοβσκίτης έχει ένα μεγάλο μειονέκτημα: η κρυσταλλική του δομή καταρρέει σε συνθήκες υγρασίας και αυτό είναι πραγματικά ένα μεγάλο πρόβλημα για μια κατασκευή που πρόκειται να εγκατασταθεί μόνιμα σε εξωτερικό χώρο.
Ο McGehee και άλλοι αναζητούν εναλλακτικά υλικά τα οποία θα μπορούσαν να δώσουν πιο σταθερή δομή. Έτσι, προσθέτει στρώματα περοβσκίτη σε πυρίτιο προσπαθώντας να κατασκευάσει υβριδικά ηλιακά στοιχεία διαδοχικών στρώσεων με ενισχυμένη μεν αποτελεσματικότητα αλλά λίγο αυξημένο κόστος. Έτσι, παρά το γεγονός ότι το υλικό έχει σημαντικές δυνατότητες, θα χρειαστεί τουλάχιστον μια δεκαετία προκειμένου να εξαλειφθούν τα προβλήματά του, χωρίς να υπάρχει βεβαιότητα ότι αυτό θα επιτευχθεί.
«Πρόκειται για μια μακράς διάρκειας και υψηλού ρίσκου έρευνα» δηλώνει ο McGehee, για να συμπληρώσει «μπορεί να αποδώσει, μπορεί και όχι».
Ο Eli Yablonovitch, καθηγητής του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Επιστημών των Υπολογιστών στο Πανεπιστήμιο Berkeley της Kαλιφόρνια, αναπτύσσει υψηλής απόδοσης ηλιακά στοιχεία με πολλαπλές επιστρώσεις ημιαγώγιμων υλικών. Κάθε στρώμα είναι «συντονισμένο» ώστε να απορροφά διαφορετικό μήκος κύματος ηλιακού φωτός. Διαχωρίζοντας το ηλιακό φάσμα αυτά τα «πολυστρωματικά στοιχεία», μεγιστοποιούν τη συλλογή, απορροφώντας ενέργεια ακόμα και από αόρατες στο ανθρώπινο μάτι συχνότητες του υπέρυθρου.
Ο Yablonovitch, ο οποίος ξεκίνησε να δουλεύει στη βιομηχανία φωτοβολταϊκών ως ερευνητής της Exxon το 1979, λέει ότι το πυρίτιο είναι ήδη μια «ξεπερασμένη τεχνολογία». Νέα υλικά, όπως το αρσενίδιο του γαλλίου «απορροφούν ίσως και χίλιες φορές ισχυρότερα από το πυρίτιο» δηλώνει «και μπορεί να γίνουν εξαιρετικά λεπτά».
Δυνητικά, νέα υλικά και σχέδια είναι σε θέση να διευρύνουν το εύρος του φάσματος του φωτός που το πυρίτιο μπορεί να μετατρέψει σε ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό που ξέρουμε είναι ότι στο πυρίτιο, φωτόνια με ενέργεια κάτω από συγκεκριμένο εύρος φάσματος δεν απορροφούνται ενώ πάνω από αυτό μετατρέπονται σε θερμότητα. Αντίθετα από το πυρίτιο, η χημεία μπορεί να τροποποιήσει νέα υλικά και να τα ρυθμίσει έτσι ώστε να μεγαλώσει το εύρος αυτό ώστε να μεγιστοποιείται ο αριθμός των εκμεταλλεύσιμων φωτονιών.
Ηλιακά στοιχεία δύο στρώσεων γαλλίου – αρσενιδίου έχουν ήδη επιτύχει αποδόσεις περί το 30% λέει ο Yablonovitch. Με επιπρόσθετες στρώσεις περιμένει ότι θα μπορούσε να αγγίξει ακόμα και το 50%. «Πάνω από το 30, το δύσκολο είναι να βρεις τον κατάλληλο τρόπο να μοιράσεις το ηλιακό φάσμα σε τμήματα, και αυτό είναι ήδη αντικείμενο εντατικής έρευνας» υποστηρίζει ο Yablonovitch. «Το λέω εδώ και καιρό σε όλους: ‘Αν θέλεις να ερευνήσεις ψάξε μεταξύ την απόδοση από 30 έως 50%’».
Ωστόσο το υλικό είναι ακριβό και η προσθήκη στρωμάτων είναι πολύπλοκη και δαπανηρή. Τα στοιχεία πολλαπλών στρώσεων είναι τόσο ακριβά που προς το παρόν η χρήση τους περιορίζεται σε εξειδικευμένες εφαρμογές, όπως οι δορυφόροι. Ο Yablonovitch όμως είναι πεπεισμένος ότι αν αυξηθεί ο όγκος παραγωγής, οι τιμές θα πέσουν. Έχει συμβεί ξανά στο παρελθόν, θα συμβεί ξανά. «Όταν ξεκίνησα να ασχολούμαι με τα φωτοβολταϊκά, 35 χρόνια πριν οι τιμές των πάνελ ήταν 100 φορές υψηλότερες από σήμερα» λέει, και τα στοιχεία υποστηρίζουν πέραν πάσης αμφιβολίας την άποψή του.
Ένα άλλο νέο σχέδιο περιλαμβάνει τις κβαντικές κηλίδες – ανόργανους ημιαγώγιμους νανοκρυστάλλους οι οποίοι προσελκύουν διεγερμένα ηλεκτρόνια τα οποία όταν απελευθερώνονται, διεγείρουν άλλα. Η διαδικασία αυτή, που ονομάζεται «δημιουργία πολλαπλών εξιτονίων», δυνητικά μπορεί να ανακτήσει το ένα τρίτο της ενέργειας του φωτός που συνήθως χάνεται ως θερμότητα.
«Αυτό το ένα τρίτο είναι ένα τεράστιο κομμάτι ενέργειας που πάει χαμένο» ισχυρίζεται ο Matthew Beard, επικεφαλής ερευνητής στο Εθνικό Κέντρο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (NREL) το οποίο συνεργάζεται στην ανάπτυξη των κβαντικών κηλίδων με το Κέντρο Προηγμένης Φυσικής του ηλιακού φωτός του Εθνικού Εργαστηρίου του Los Alamos. Η αποδοση ηλιακών στοιχείων που χρησιμοποιούν τεχνολογία κβαντικών κηλίδων μπορεί να συγκριθεί ευθέως με αυτή των στοιχείων πολλαπλών στρώσεων έχοντας επιπλέον το πλεονέκτημα του πολύ μικρότερου κόστους.
Η συναρμολόγηση των κηλίδων όμως σε ηλιακό στοιχείο, απαιτεί «ένα εντελώς διαφορετικό επίπεδο χημείας», και οι επιστήμονες ακόμα προσπαθούν να βρουν τρόπο να το κάνουν. Η σημερινή κορυφαία επίδοση στον τομέα της αποτελεσματικότητας είναι το αρκετά χλωμό 8,6% «αλλά το ενθαρρυντικό είναι ότι υπάρχει πρόοδος. Ξεκινήσαμε με 2 ως 3 % το 2009 και φτάσαμε ήδη κοντά στο 9». Θεωρητικά, ηλιακά στοιχεία με ένα μόνο στρώμα κβαντικών κηλίδων θα μπορούσαν να μετατρέψουν το 45 % της ηλιακής ακτινοβολίας σε ηλεκτρισμό.
Ακόμα και το πυρίτιο προσπαθεί να κερδίσει μεγαλύτερο μερίδιο από τον ήλιο. Η εταιρεία ηλιακών πάνελ Sun Power που εδρεύει στην Καλιφόρνια και ειδικεύεται στα φωτοβολταϊκά στέγης, μόλις ανακοίνωσε ότι το 2017 θα ξεκινήσει μαζική παραγωγή ηλιακών στοιχείων πυριτίου με απόδοση 25 %, μόλις 1 βαθμό κάτω από το θεωρητικό μέγιστο όριο του υλικού. Το κέρδος στην απόδοση ήρθε μέσω της βελτίωσης της ικανότητας του υλικού να μεταφέρει ηλεκτρικά φορτία. Μικρές επίσης σχεδιαστικές αλλαγές, επιτρέπουν σε περισσότερο φως να «φτάνει» στα ηλιακά στοιχεία.
Αν και τα νέα πάνελ θα κοστίζουν αρχικά ακριβότερα από αυτά που κυκλοφορούν, η αυξημένη παραγωγή ηλεκτρισμού θα υπερκαλύπτει το αρχικό κόστος λέει ο πρόεδρος της Sun Power, Tom Werner και συμπληρώνει «Περιμένουμε ουσιαστική μείωση της τιμής με την πάροδο του χρόνου».
Αυτές είναι μερικές μόνο από τις προοπτικές για πιο αποτελεσματικά φωτοβολταϊκά σε ένα πεδίο σπαρμένο με Μεγάλες Ιδέες, όπως ο αναπροσανατολισμός των δίσκων Blu-Ray στην ηλιακή απορρόφηση ή η «ηλιακή μπογιά» με ενσωματωμένα μικροσκοπικά φωτοαπορροφητικά σωματίδια που θα μετατρέπουν τους τοίχους σε φωτοβολταϊκά πάνελ.
Γενικά, σύμφωνα με την, η έρευνα επί καινοτόμων ιδεών στο χώρο της ηλιακής ενέργειας παραμένει σε χαμηλά επίπεδα εξαιτίας της χαμηλής προτεραιότητας που δίνουν πολλές χώρες στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από καθαρές πηγές. Η ΔΥΕ αναφέρει ότι οι κυβερνήσεις των αναπτυγμένων χωρών δαπανούν τουλάχιστον έξι φορές περισσότερα χρήματα για έρευνες επί αμυντικών θεμάτων από όσα για την ενέργεια. Πέρα από αυτό, οι πολλά υποσχόμενες νέες τεχνολογίες δεν ;eχουν ακόμα εμπορικό ενδιαφέρον και κατά συνέπεια, δεν συγκεντρώνουν εύκολα ιδιωτικό επενδυτικό ενδιαφέρον.
«Ο μόνος τρόπος να εξελιχθούν από αντικείμενο έρευνας σε προϊόν, είναι να προκληθεί το ενδιαφέρον εταιρειών οι οποίες θα αρχίσουν να επενδύουν» λέει ο Beard για τις κβαντικές του κηλίδες, για να συμπληρώσει «η ερευνητική προσπάθεια από μόνη της δεν αρκεί».
Η πολυδιάσπαση στην ενεργειακή πολιτική είναι ένα ακόμα εμπόδιο στην πρόοδο της ηλιακής ενέργειας στις ΗΠΑ, λέει ο Daniel Kammen, καθηγητής Ενέργειας και Πόρων στο UC Berkeley.
«Πολύ λίγες πολιτείες διαθέτουν υψηλής ποιότητας προγράμματα προώθησης της ηλιακής ενέργειας. Τα πλέον επιτυχημένα προγράμματα στην Ευρώπη έχουν βρει τρόπους να παράσχουν κίνητρα για την υιοθέτηση ηλιακής ενέργειας, τόσο στο οικιακό όσο και στο επίπεδο των μικρών επιχειρήσεων. Κίνητρα όπως οι feed-in ταρίφες, για παράδειγμα, που επιτρέπουν σε ιδιοκτήτες συστημάτων οροφής να πωλούν την ενέργεια που παράγουν στο δίκτυο, σε ευνοϊκές τιμές. Η Καλιφόρνια, το New Jersey και η Νέα Υόρκη έχουν κάποια προγράμματα, όπως λέει ο Kammen «αλλά πρόκειται για σκόρπιες ενέργειες».
Στις ΗΠΑ, η ισχύουσα έκπτωση φόρου για οικιακές εγκαταστάσεις φωτοβολταϊκών και άλλων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, πρόκειται να λήξει στο τέλος του 2016. Αν το προσεχές Κογκρέσο δεν την ανανεώσει, θα πρόκειται για ένα ακόμη χτύπημα στην ανάπτυξη της ηλιακής ενέργειας.
Ακόμα και χωρίς τις νέες καινοτόμες τεχνολογίες, ο Kammen προβλέπει ότι η ηλιακή ενέργεια θα εξακολουθήσει να αυξάνεται. Οι μελέτες του δείχνουν ότι το ένα τρίτο της συνολικά παραγόμενης ενέργειας θα είναι «ηλιακό» σε μέρη όπως οι Δυτικές ΗΠΑ, μέχρι το 2050. «Αυτό σημαίνει ότι η ηλιακή ενέργεια θα είναι μεγαλύτερη από όσο είναι το φυσικό αέριο σήμερα» λέει. «Αυτό από μόνο του συνιστά μεγάλη αλλαγή».
Ούτως ή άλλως «Είναι σημαντικό να παραμείνουμε προσηλωμένοι στην ανάπτυξη αλλά να μην ξεχάσουμε την καινοτομία. Δεν πρέπει να την αφήσουμε να μείνει πίσω!»
Via : http://toperivallon.gr
