V razvitem svetu živimo energetsko zelo potratno
Redni profesor dr. Marko Topič vodi Laboratorij za fotovoltaiko in optoelektroniko na Fakulteti za elektrotehniko Univerze v Ljubljani, kjer je tudi predstojnik Katedre za elektroniko, od leta 2014 je prav tako predsednik Evropske tehnološke in inovacijske platforme za fotovoltaiko. Za svoje dolgoletno delo je letos prejel prestižno nagrado Alexander Edmond Becquerel, ki jo podeljuje evropska komisija.
Kateri so glavni projekti vašega laboratorija?
Delujemo v treh segmentih fotovoltaike. Usmerjamo se v raziskave visokoučinkovitih sončnih celic na čelu s tandemskimi, to so perovskitno-silicijeve ali perovskitno-CIGS sončne celice, ter druge tankoplastne sončne celice. Drugo zelo pomembno področje raziskav je spremljanje procesov staranja sončnih celic in fotonapetostnih modulov in kako podaljšati njihovo življenjsko dobo. Tretji segment je spremljanje delovanja fotonapetostnih gradnikov pod realnimi pogoji. Pri tem razvijamo namensko merilno opremo, ki omogoča testiranje posameznikih gradnikov, da lahko ugotavljamo, kateri so najšibkejši členi fotonapetostnih modulov.
Vaš laboratorij se je v zadnjem obdobju lahko pohvalil s tandemskimi celicami z visoko učinkovitostjo pretvorbe, a še vedno se govori v povprečju (le) o približno 26, 27 odstotkih. Je tu še mogoč napredek?
Znanstveni izziv je seveda doseči čim višji izkoristek. S kolegi iz centra Helmholtz v Berlinu smo nanizali nekaj rekordov. Zadnji je bil decembra 2020 za perovskitno-silicijevo sončno celico pri 29,15 odstotka. In magična meja 30 odstotkov je bila presežena julija letos. Dosegli oz. presegli so jo švicarski kolegi z EPFL in CSEM na čelu s profesorjem Christophom Ballifom. Zdaj rekordni izkoristek tandemskih celic znaša 31,3 odstotka. To je velik mejnik, za katerega smo sicer vedeli, da se ga da doseči. Seveda pa gredo znanstveni izzivi z roko v roki z razvojnimi, kako sončne celice narediti čim cenejše in s čim manj vložene energije. Ravno tankoplastna tandemska celica, ki vključuje spodnjo celico CIGS (absorpcijski material vsebuje baker, indij, galij in selen – Cu(In,Ga)Se2), je tankoplastna rešitev, ki je glede vložka energije cenejša in zanimivejša za proizvodnjo.
V fotovoltaiki ni le enega zmagovalnega koncepta, ampak se iščejo rešitve v različnih tehnologijah, dokončno pa bosta čas in trg izbrala zmagovalko. V zadnjem desetletju na globalnih trgih kraljujejo silicijeve tehnologije, ki pokrivajo nad 90 odstotka trga. A zelo verjetno zmagovalna tehnologija ne bo ena sama, ampak se bo zgodila diferenciacija. Za denimo velike sončne elektrarne bo primernejši najcenejši množični proizvod z dolgo življenjsko dobo, za integracijo sončnih celic v rešitve solarnih napajalnikov, ki omogočajo napajanje za neodvisno delovanje posameznih elektronskih naprav, pa drugi.
Torej se išče poceni in seveda tudi do okolja čim bolj prijazna sončna celica.
Zelo pomemben je trajnostni vidik, predvsem z vidika razpoložljivosti materialov. Poznamo zgodbo pri baterijah, pri katerih so viri omejeni, na področju fotovoltaike teh omejitev zaenkrat ni. Ampak projekcije kažejo, da bomo v petih letih proizvodnjo povečali za petkrat in ob taki rasti bomo slej ko prej trčili ob omejitve, prva bi bila lahko pri srebru, vendar so raziskave že podale alternativno rešitev, da bi za zbiralke električnega toka uporabili baker.
Sonaravnost, trajnostni vidiki, raziskave in razvoj so sinhronizirani in ta preplet daje podlago za teravatno dobo fotovoltaike. Letos marca smo kumulativno gledano dosegli in presegli teravat sončnih elektrarn na globalni ravni. Napovedujemo, da bomo že v petih letih letno dodali po en teravat.
To se sliši veliko.
Da. Ampak lani smo v omrežje dodali 200 gigavatov, za letos se predvideva 250 gigavatov, čez pet let bomo imeli na globalnih trgih proizvedenih 1000 gigavatov fotonapetostnih modulov iz sončnih elektrarn. Razlog za to ni samo ekonomska konkurenčnost, ampak tudi okoljski vidik, v zadnjega pol leta pa tudi vidik energetske neodvisnosti, ki je še zlasti za Evropo akuten.
Zakaj je elektrika trenutno tako draga?
S terminskimi cenami na trgu, ki so trenutno astronomsko visoke, se pokriva manjši segment potrebe po električni energiji. Večina električne energije se proizvede po ustaljenih virih, ki jih imamo v Sloveniji, vendar terminska cena 1000 evrov in več na megavatno uro v manjšem deležu vpliva na strukturo cene električne energije kot celote.
Zaradi tega je zelo pomembno, da smo samozadostni in da izkoristimo vse svoje vire, ki jih imamo po znanih cenah. Segment, ki bo zagotovo močno prispeval k večji energetski neodvisnosti za zagotavljanje potreb po električni energiji, so tudi nove velike sončne elektrarne. Prav zato vlada želi velike investicije v sončne elektrarne čim prej, hkrati pa želi, da se pospeši gradnja manjših in srednje velikih. Predvsem se tu misli na podjetja, pri čemer gre za neposredno porabo. Čez dan smo namreč v službah in tako individualne hiše ne trošijo elektrike, pri poslovnih prostorih pa govorimo o direktnem zmanjševanju odjema elektrike in posledično o zmanjševanju konične moči odjema iz omrežja. Zato je pomembno, da gradimo majhne in srednje velike sončne elektrarne na stavbah, kjer dejansko čez dan poteka poraba, še zlasti velike obremenitve so v vročih poletnih dneh, ko na polno delujejo vse klimatske naprave in toplotne črpalke.
Kje v Sloveniji lahko postavimo velike sončne elektrarne?
Imamo približno dva odstotka degradiranih zemljišč, ki so idealna za postavitev velikih sončnih elektrarn. Veliko je infrastrukture, kjer je mogoča večnamenska uporaba zemljišč, na primer bregovi rek. HSE je nedavno postavil največjo sončno elektrarno pri nas na Zlatoličju na obeh bregovih struge Drave, ki je regulirana in deklarirana kot energetski objekt. Ne nazadnje je velikanski tudi potencial streh, pri tem je najbolje, da gre za lastno rabo, torej za zmanjševanje stroška položnic, pa tudi prenosne izgube so bistveno manjše.
Vsekakor je treba to postaviti na pameten način, zato tudi govorimo o pametnih elektroenergetskih omrežjih, kjer bo digitalizacija poskrbela za uravnavanje med proizvodnjo, porabo in hranilniki, ki bodo vmesni člen za zagotavljanje zanesljive oskrbe.
Omenili ste hranilnike.
Rešitve gredo v dveh smereh, ena je ta, da govorimo o pametni fotovoltaiki, torej ne samo o pametnih omrežjih, ampak tudi o pametni fotovoltaiki, ki dejansko poskrbi za to, da zagotavlja stabilnost omrežja. V določenih obdobjih ne pošilja v omrežje celotne možne energije, ki bi jo lahko sončna elektrarna proizvajala. Od ekonomike je odvisno, ali jo hranimo ali ne. Druga smer pa je, da se sončne elektrarne integrirajo v portfelj proizvodnih virov in še bolj pomembno v portfelj porabnikov, torej, da gremo v smeri energetskih skupnosti, kjer se različni viri in poraba usklajujejo.
Kdaj se gospodinjstvu splača postaviti sončno elektrarno in ali naj bo priključena na omrežje ali ne?
Pri trenutnih reguliranih cenah, ki so bile postavljene še pred ukrajinsko krizo, je ekonomičnost postavitve sončnih elektrarn povezana s čim večjo proizvodnjo in oddajo presežkov v omrežje. Seveda pa tak koncept ni vzdržen pri zelo velikem deležu proizvodnje iz sončnih elektrarn. Za zdaj se še ne splača, da bi bili izolirani od omrežja, saj potrebujemo hranilnike, ki pomenijo dodatno investicijo. Treba pa je povedati, da so se tudi cene hranilnikov močno zmanjšale in ta trend se nadaljuje. Kdaj bo nastopila točka preloma, ko se bodo individualne hiše lahko odcepile od omrežja in postale samostojne enote, še ne vemo. Če se bo trend rasti cen elektrike nadaljeval, bi se to lahko zgodilo že v nekaj letih, vendar menim, da se energetska neodvisnost in odklop od omrežja ne bosta zgodila na ravni individualnih hiš, ampak na ravni energetskih skupnosti. Najprej v okviru odročnih zaselkov, kjer bo ekonomska upravičenost govorila v prid samooskrbi.
Katera tehnologija je trenutno na trgu najboljša?
V segmentu sončnih celic oz. fotonapetostnih modulov so najbolj zastopane silicijeve tehnologije, ki so enospojne sončne celice. Drugi nepogrešljiv segment, ko govorimo o sončnih elektrarnah, ki so priključene na omrežje, so razsmerniki. Ti skrbijo za delovanje celic oz. modulov v točki maksimalne moči in hkrati pretvarjajo enosmerno električno moč v izmenično. Na trgu imamo široko paleto razsmernikov, ki jih razvrščamo primarno po moči. Eni so razpršeni manjši, drugi centralizirani veliki. Predvsem od velikosti in lege sončne elektrarne ter klimatskih razmer in seveda z vidika količine proizvedene energije je odvisno, katere tehnologije bomo uporabili.
Kdaj bomo na trgu dočakali tandemske celice, ki so torej učinkovitejše, ko govorimo o izkoristku sončne energije?
Pričakuje se, da bodo te pokrile segment najzahtevnejših trgov, kjer smo omejeni s prostorom, lahko so to strešne površine vrstnih ali individualnih hiš, tudi segment integracije fotovoltaike v vozila, tako osebna kot tovornjake. Pri tem neposredno omogočimo zmanjševanje odvisnosti od fosilnih goriv, tako da tu se odpira veliko možnosti.
Visoka učinkovitost je potrebna tudi pri integraciji fotovoltaike v krila in trup ultralahkih letal. To je sicer nišni segment, zelo uspešen je bil švicarski projekt Solar impulse, v okviru katerega so z letalom Solar Impuls II obleteli zemeljsko oblo z električno energijo iz sončnih celic.
Velike porabnice sončnih celic so tudi vesoljske tehnologije.
Z osvajanjem vesolja in zaradi potrebe po zagotovitvi električne energije v vesoljskih plovilih se je fotovoltaika dejansko začela širiti.
Perovskitne tehnologije so odporne proti visokoenergijskemu sevanju, ki je močno prisotno v vesolju, in tudi to je prednost tankoplastnih tehnologij. Sončne celice, ki gredo v vesolje, niso mehansko podprte s steklom, preprosto, ker je steklo pretežko, tako da so tandemske tankoplastne tehnologije zagotovo primerne za vesoljske odprave. Pogosto raziskave na tem področju financirajo vojaške in vesoljske agencije.
Med prednostnimi nalogami na vašem področju je tudi podaljšanje življenjske dobe elektrarn s 30 na 50 let.
Trenutni izdelki na trgu imajo najmanj 25-letno garancijo, ko govorimo o fotonapetosnih modulih, pri razsmernikih je razpon malo večji oziroma je garancija krajša. Raziskave in razvoj gredo v smeri podaljševanja življenjske dobe ne le zaradi ekonomskih razlogov, ampak tudi zaradi trajnostnega vidika uporabe materialov in porabe energije. Energetski vložek za proizvodnjo sončnih elektrarn se povrne že v prvem letu z proizvedeno električno energijo, torej govorimo o 30-kratniku proizvedene energije pri 30 letih pričakovane življenjske dobe. Če bomo podaljšali življenjsko dobo na 50 let, potem govorimo o 50-kratniku, kar bo izvrsten energetski donos. Hkrati pričakujemo, da se bo razrasel trg rabljenih fotonapetosnih modulov, podobno, kot zdaj obstaja trg rabljenih avtomobilov. Vsekakor se bodo pojavile nove poslovne priložnosti v različnih segmentih fotovoltaike.
Kako pa je z reciklažo, ko bodo moduli dokončno prenehali delovati?
V Evropi že ostaja shema zbiranja fotonapetostnih modulov, vendar je trenutna količina še zelo majhna. Se pa seveda že izrisujejo rešitve in demonstracijska recikliranja modulov.
Če se vrneva na širše področje energetike – ali ima lahko Slovenija elektriko le iz obnovljivih virov – torej, da se odpovemo termoelektrarnam in jedrski elektrarni?
Če pogledamo razvoj tehnologij obnovljivih virov v zadnjih 20 letih, je ta res fascinanten. In fotovoltaika je v ospredju, saj je, kot se radi pošalimo, postala nesramno poceni.
Vsekakor je dolgoročno mogoče, da bi oskrbovali Slovenijo zgolj z obnovljivimi viri, a v povezavi z drugimi viri in hranilniki. Oskrbo z električno energijo bomo morali še naprej zagotavljati v enakem kakovostnem razredu in z enako zanesljivostjo. Zato bo treba pametno zgraditi celotno infrastrukturo trajnostne energetike, pri čemer bodo morali imeti ekonomski interes tako proizvajalci kot porabniki.
Časovnica za prevlado OVE je odvisno o tega, kdaj bomo konkurenčno proizvajali tako imenovana solarna goriva. V prihodnjih desetih letih še ne moremo pričakovati, da se bomo lahko odpovedali gorivom v plinastem ali tekočem stanju, govorim o nadomestkih za fosilna goriva, to so sintetična goriva, ki jih bomo proizvajali s pomočjo vetrne, sončne ali kake nove tehnologije, ki je še v razvoju.
Pocenitve fotovoltaike seveda ne smemo doseči na račun kakovosti in zanesljivosti. Menim, da bodo stroški modulov ostajali bolj ali manj enaki, a pridobili bomo pri daljši življenjski dobi in večjem izkoristku. Znanstvenoraziskovalnih izzivov je še veliko, zgodba še zdaleč ni končana, zato se morajo nadaljevati tudi vlaganja v raziskave in razvoj. Smiselno bi bilo strateško vlagati v prioritetna področja. Vsekakor sem lahko zelo ponosen, kaj nam uspeva v našem laboratoriju z majhno ekipo 25 članov, od tega je 15 doktorjev znanosti, saj konkuriramo laboratorijem in inštitutom z več kot sto zaposlenimi.
Kako se bo povečeval delež fotovoltaike v Sloveniji?
Zaradi modularnosti je gradnja sončnih elektrarn lahko zelo hitra. In slovenska vlada ima resne načrte. Kot za vsak segment energetike so zelo pomembni stabilni pogoji, saj ti zagotavljajo kakovost v celotnem segmentu storitev. Energetika je področje, kjer se sklepajo dolgoročne pogodbe, in temu primerno to velja za celotno tehnološko verigo. Pričakujem, da bomo pospešeno nadoknadili zadnjih deset let, ko je Slovenija stagnirala. S trenutnega števila, čeprav imamo že več kot 18.000 solarnih elektrarn, kar je impresivno število, bomo šli po kumulativni moči hitro navzgor, saj je segment velikih sončnih elektrarn povsem nerealiziran. Tukaj lahko Slovenija hitreje koraka naprej. Če pogledamo moč sončnih elektrarn na prebivalca, smo daleč pod povprečjem, zelo zelo daleč smo od najbolj naprednih, kot so Nemčija, Italija, Španija.
Zakaj taka stagnacija?
Ne gre za to, da tehnologija ni na razpolago. Glavni razlog tiči v poceni elektriki v Sloveniji. Če je odplačilna doba dvakrat daljša glede na ceno, potem je interes seveda manjši. Z rastjo cen in zavedanjem o pomenu energetske neodvisnosti pa so se pojavili novi dejavniki v prid investicijam v sončne elektrarne. Pričakujem predvsem postavitev velikih sončnih elektrarn nazivne moči nekaj deset megavatov. Na Kitajskem in v Indiji se medtem seveda gradijo 1000 in 2000 megavatov velike sončne elektrarne, vendar imajo tam obsežna puščavska območja in tudi potrebe so seveda mnogo mnogo večje.
V Znanosti imamo rubriko Znanstvenik/-ica spreminja svet in v vprašalniku je tudi vprašanje, na kateri vir energije bi stavili za prihodnost. Malo za šalo, malo zares, boste pristranski in odgovorili povsem po pričakovanjih za strokovnjaka s področja fotovoltaike?
Zagotovo na sončno energijo, ki je imamo povsod na Zemlji v zadostni količini. Menim, da bo 21. stoletje stoletje sončne energije.
Po drugi strani pa ne smemo pozabiti, da se marsikaj da še narediti na področju energetske učinkovitosti. Priznati si je treba, da v razvitem svetu živimo energetsko zelo potratno in da imamo ogromne rezerve. Kot družba lahko s trajnostnimi smernicami in dvigovanjem ozaveščenost premaknemo marsikaj. Torej, kar nekaj žezel imamo v ognju, da še lahko spremenimo trend podnebnih sprememb, ki vzbuja resne skrbi.
Vsekakor, podnebna kriza je realnost in vaše področje je del rešitve.
Prispevati v skupno dobro je naše poslanstvo. To ni neki pamflet z interesi kapitala v ozadju. Gre za znanstvena dognanja in prispevek k bolj sonaravnemu življenju. Dolžnost vseh nas je, da bo lepo tudi zanamcem.
