Sončna energije je zastonj. Sonce vedno sveti. Niso pa zastonj naprave za njeno pretvarjanje v toplotno ali električno energijo. Prvo sočno celico je že leta 1883 izdelal Charles Fritts. Z enoodstotnim izkoristkom ni bila ravno učinkovita. Moderno celico je leta 1946 patentiral Russell Ohl.
Nafta je bila poceni, verjeli so, da je nikoli ne bo zmanjkalo, zato so sončne celice uporabljali zgolj tam, kjer so bili drugi načini pridobivanja elektrike nemogoči ali pa predragi - večinoma na satelitih v zemeljski orbiti. A kot pravijo, nič ni večno. Srečujemo se z visokimi cenami nafte, zato se vsak od nas prej ali slej vpraša, ali se mu ne bi splačalo strehe svoje hiše pokriti s sončnimi celicami in tako privarčevati kak evro. Največja ovira pri tem je še vedno predolg čas povrnitve investicije, s prstom pa lahko pokažemo na državo, ki je glavni krivec za to, saj preprosto povedano, ne zna oceniti, da je v obnovljivih virih prihodnost za doseganje energetske neodvisnosti. Subvencije, ki ji ponuja, so mizerno nizke!
Trenutna cena sončnih modulov je še vedno previsoka, da bi se ekonomsko splačalo postavljati sončne elektrarne. Povprečni strošek, v kar je všteto vse, od načrtovanja, postavitve, cene celic in potrebne dodatne opreme ter podobnega, kar je za potencialnega investitorja zanimivo, se gibljejo malce čez 5 evrov na Wp. Gre za tako imenovano naznačeno moč (angl. watt peak) oziroma za maksimalno moč fotovoltaičnega generatorja (PV) pod standardnimi preizkusnimi pogoji. Cena, ki jo želimo doseči, naj bi bila okoli 2 evra, kar naj bi po trenutno znanih podatkih o gibanju trendov, dosegli do leta 2015. Šele takrat naj bi sončne elektrarne postale ekonomsko konkurenčne drugim klasičnim proizvajalcem električne energije. Morda pa bo to tega prišlo prej, saj dviganje cen fosilnih goriv draži tudi elektriko iz teh elektrarn. Kot zanimivost naj navedemo še naslednji podatek. Da bi bila cena investicije res 2 evra na Wp, bi morale biti cene modulov okoli enega evra na isto enoto.
Pred kratkim smo lahko prebrali presenetljiv podatek, da je za proizvodnjo plastenke za vodo treba porabiti sedemkrat večjo količino vode, kot jo ta vsebuje. Skratka, proizvodnja ustekleničene vode je za samo vodo zelo potraten tehnološki proces. Podobno bi se lahko vprašali, koliko električne energije je potrebno za proizvodnjo fotovoltaičnega sistema? Odgovora na to vprašanje nismo nikjer zasledili. Upamo lahko samo, da je ta številka veliko manjša od celotne količine energije, ki jo fotovoltaični sistem lahko odda v svoji življenjski dobi.
KAKŠNO JE STANJE?
Kljub neekonomičnosti obstaja zavedanje, delno tudi zaradi denarja iz skladov EU-ja, da je sončne elektrarne treba postavljati. Zgled nam je lahko Nemčija, kjer so se že pred leti odločili, da je fotovoltaika zanimiva industrijska veja, pa četudi kratkoročno ni učinkov. Vajeti je prevzela država, na primer s projekti, kot tisoč streh, pokritih s foto moduli, ali pa naselje hiš, kjer je vsa južna streha prekrita s celicami, hiša pa se kot sončnica obrača proti soncu. Danes imajo tako Nemci močno proizvodnjo in znanje, tako da delujejo pri projektih sončnih elektrarn po vsem svetu (pa čeprav je največja proizvajalka modulov Kitajska).
Počasi se premika tudi pri nas, ko predvsem večja podjetja gradijo manjše sončne elektrarne. Omenimo na primer Holding Slovenske elektrarne, ki namerava tak objekt zgraditi na prostoru rudnika v Velenju. Vendar se tudi pri njih ekonomiki ne morejo izogniti. Kot pravijo, si ne smemo privoščiti gradnjo takih objektov kar počez, zato ker je morda moderno. Ne smemo niti mimo čisto konkretnega problema, da sončne elektrarne zahtevajo veliko prostora glede na količino proizvedene električne energije oziroma neprimerno več kot termo- ali jedrske elektrarne.
Sončne celice so in niso samo zadeva streh. Ajdovski izdelovalec ultralahkih letal Pipistrel, ki je konec lanskega leta v zrak spravil prvo dvosedežno letalo na električni pogon, je svoj novi razvojni center zgradil tako, da je energetsko neodvisen, kar pomeni, da ima poleg drugega na primernih mestih tudi sončne module (skupne moči 107 kW). Res pa je, da pri izgradnji tega objekta sploh niso poskušali odgovoriti na vprašanje, kdaj se bo investicija povrnila, saj ga v tem primeru zagotovo ne bi oblikovali energetsko neodvisnega. Pri tem podjetju je zanimivo še nekaj drugega. Zavedajo se, da je treba električnim letalom povečati avtonomijo, za kar skupaj z novogoriško politehniko delajo pri projektu aplikacij fotocelic na površino letala. Pričakujejo, da bodo prvi na svetu, najverjetneje v naslednjih treh letih, predstavili letalo na hibridni pogon. Kot zanimivost. NASA je Pipistrel uvrstila v enega od svojih razvojnih programov, s tem pa je podjetje dobilo tudi dostop do celic, ki jih na trgu ni mogoče kupiti (Spectrolabove celice).
KAKO POSPEŠITI RAZCVET?
Država mora vzeti čas za strateški razmislek o tem, ali je industrija fotovoltaike zanimiva, in temu primerno spodbujati njen razvoj. Združiti moramo temeljne in aplikativne raziskave ter poskrbeti čim hitrejši prenos v gospodarstvo. Nobena raziskava ni slaba, kajti tudi iz slabe se kaj naučimo, uporabnost temeljnih raziskav pa je lahko širšega pomena. Vzemimo primer: pred 30 leti so razvili amorfni silicij, ki je osnova tehnologije tankoslojnih sončnih celic (thin film). Stranski rezultat te tehnologije ¬– ploski zasloni.
Ali pa konkretnejši primer, kako ima lahko vlaganje v to industrijo širši pomen na gospodarstvo. Podjetje Bisol izdeluje sončne module s tehnologijo kristalnega silicija. Investirali so v proizvodne zmogljivosti, pri tem so nekaj denarja dobili tudi od države in EU-ja, danes pa se srečujejo s težavo, da so v celoti odvisni od uvoza potrebnih surovin. Sončne celice so polprevodniški element in znano je, da po propadu Iskre Mikroelektronike take proizvodnje pri nas ni. Uvažajo tudi vse drugo od folij pa ne nazadnje do aluminijastih profilov. Slednje znamo delati tudi pri nas, vendar noben od proizvajalcev nima proizvodnje, ki bi omogočila izdelovanje profilov zahtevane natančnosti. Torej bi morala ta posodobiti proizvodnjo, investirati v nove stroje in proizvodne procese, pa tega ne storijo, ker je premalo podjetji potencialnih kupcev natančnejših profilov. Jih ni ali jih preprosto ne znajo najti?
Kratkovidna politika
Direktor in lastnik podjetja Pipistrel, Ivo Boscarol, je član strateškega sveta vlade in ker pozna in se zaveda pomena izrabe obnovljivih virov, je to problematiko večkrat tam tudi izpostavil. Kot pravi sam, »kakšnega hudega interesa s strani ministra Vizjaka ni bilo«. Oziroma kot je dejal omenjeni minister: »Če želimo subvencionirati, moramo denar vzeti nekje drugje.« Seveda! Na primer kupimo manj patrij? Naša vlada se, kot kaže, ne zaveda celovite problematike vremenskih sprememb, na primer tega, da če bo vse več zelenih zim, potem tudi akumulacije vode (v obliki snega) ne bo dovolj, zato bodo hidroelektrarne proizvedle manj električne energije. Pogled politikov na energetski razvoj, s tem mislimo na vse dosedanje vlade, ni usmerjen na dolgi rok, temveč je kratkoročen, v slugu »zdaj je vse v redu, ko pa se bo pojavila težava, jo bomo reševali«. Bomo takrat imeli čas, tehnologije in znanje? Zgovorno je naslednje dejstvo: od leta 2003 se sredstva, ki jih država nameni razvoju obnovljivih virov, niso povečala!
SE VAM SPLAČA STREHO OBDATI S CELICAMI?
Elektro podjetja nas periodično prepričujejo, da je elektrika v Sloveniji prepoceni. Da ne bo pomote. Ne gre za to, da proizvajalci prodajajo elektriko gospodinjstvom po ceni, nižji od proizvodne (tako imenovane lastne cene), temveč za to, da je cena nižja od tržne cene oziroma cene, ki bi jo elektrika dosegla, če bi bil trg odprt in liberaliziran. Če bi tudi gospodinjstva plačevala elektriko po ceni, ki jo plačujejo podjetja (ta pa je tržna), potem bi dosegli tudi to, da bi ljudje začeli z elektriko varčevati in se ne bi dogajalo, kakor zdaj, da nam je popolnoma vseeno, če vse luči svetijo in so vse naprave priključene tudi, ko jih ne potrebujemo. Gospodinjstva tako plačujejo okoli 100 milijonov evrov manj, kot bi morala. To pa je denar, ki bi ga lahko investirali v razvoj in izkoriščanje obnovljivih virov.
Dolgujem še odgovor na vprašanje iz uvoda. Ali se vam splača streho družinske hiše »obleči« v sončne celice?. Trenutno se nam žal ne splača vlagati v fotovoltaiko. Preprosto zato, ker je čas povrnitve naložbe daljši od 10 let (po nekaterih podatkih je ta čas daljši od 15 let). To pa je čas, ki bi ga morali po oceni nekaterih strokovnjakov morali doseči. Kako? Delno s tem, kar že počnemo, torej z znano odkupno ceno »sončne« elektrike, ki je višja od cene elektrike, ki jo dobimo iz omrežja, in z višjim odstotkom subvencioniranja gradnje sončnih elektrarn. Subvencije se ne bi smele izključevati oziroma bi se lahko zgledovali po Italiji. Energijo (odkupna cena) plača država Italija, investicijo (40 odstotkov nepovratnih sredstev) pa deželna vlada, s čimer je zadoščeno evropskim pravilom. Ker je Italija prijaznejša do investitorjev v sončno energijo, ne čudi, da podjetje Seaway, ki se je namesto na naši obali odločilo, da proizvodnjo plovil zgradi na bližnji italijanski, namerava tam zgraditi tudi svojo sončno elektrarno.
TEHNOLOGIJE SONČNIH CELIC
Osnova sončne celice je dokaj enostavna. Sončno energijo »prenašajo« elementarni delci, fotoni. Ko ti trčijo v atom polprevodnega elementa (običajno silicij), oddajo energijo, ki iz atomskega ovoja izbije elektron. Prost elektron in vrzel, ki nastane na njegovem prejšnjem mestu, pa sta osnova električnega toka. Vse drugo so le uporaba tehnologije v praksi in načini čim boljšega izkoristka fotocelice. Fotovoltaični efekt je leta 1839 prvi odkril in opisal francoski fizik Alexandre-Edmond Becguerel. Začetek dobe praktične uporabe fotocelic pa danes sovpada z začetkom raziskav vesolja oziroma prvih umetnih satelitov (1958), ki so imeli celice kot osnovni izvor za delovanje naprav na krovu potrebne električne energije.
Sončne celice danes razvrščamo v generacije. Prva generacija, ki je obenem najbolj razširjena, saj po nekaterih podatkih obsega 90 odstotkov vseh celic na svetu (tudi Bisol izdeluje te celice), uporablja kristalni silicij. Module sestavljajo mreže enoplastnih celic iz enega kristala silicija, ki so v bistvi fotodiode (p-n), občutljive na valovne dolžine svetlobe, ki jo seva sonce. Vse celice, ene manj, druge bolj, so občutljive na toploto. Ko nanje sevajo sončni žarki svetlobe, se material segreva, kar vpliva na slabši izkoristek celice (negativni temperaturni koeficient). Zadnje čase zato vse pogosteje slišimo o predlogih tehnologij hlajenja celic (postopek hlajenja, ki izvira iz tehnologij hlajenja procesorjev, je pred kratkim predlagal IBM). Proizvodnja teh celic je podobna proizvodnji polprevodniških elementov – oziroma proizvodnji čipovja.
V drugo generacijo uvrščamo tankoslojno (thin film) tehnologijo, kjer na prej oblikovano podlago (rešetkasta rezina) nanesejo tanko plast polprevodne snovi in tako tvorijo posamezne celice. Načeloma lahko rečemo, da gre pri tej generaciji za dve smeri. Celice, ki so namenjene uporabi v vesolju, so učinkovitejše (28–30 %), a imajo višjo ceno na vat, medtem ko so »zemeljske« cenejše, a manj učinkovite (7–10 %). Kar 130 podjetji z vsega sveta se ukvarja s to generacijo, vendar jih je le 21 naredilo komercialno dostopne sončne module. Znotraj generacije gre za več tehnologij, ki se med seboj razlikujejo glede na uporabljano snov. Poleg amorfnega silicija potekajo preizkusi tudi s polikristalnim in mikrokristalnim silicijem, kadmijevim telurjem, germaniovim arsenidom, spojini bakra indija in selena ... Prednost druge generacije je tanka (in lahka) aktivna plast, ki jo je mogoče nanesti na različne materiale (med drugim na blago) in potencialno (v prihodnosti) nižjo proizvodnjo ceno. Klasična tehnologija izdelovanje polprevodnikov (litografija) je v primerjavi s to tehnologijo kljub veliki proizvodnji dražja.
Poleg tehnologij dveh generacij se omenjajo tudi tako imenovane koncentracijske celice, kjer uporabijo eno od omenjenih tehnologij za celico, nad njo pa je sistem leč, ki zbira svetlobo, ki pada nanjo. S tem je svetlobni tok na celici večji, kar povzroči, da celica proizvede tudi več električne energije. Slabša stran pa je odvečna toplota, ki jo je treba odvesti, da ne vpliva negativno na izkoristek.
Kakšna pa bo tretja generacija fotocelic? Predlogi na papirju in delni prototipi kažejo, da bodo te celice popolnoma drugačne in ne bodo temeljile na fotodiodah (p-n). V vesolju bodo to celice, temelječe na kvantni teoriji (kvantne točke) in tehnologiji nanocevk (učinkovitost do 45 %), na zemlji pa elektrokemične sončne celice (ang. dye), polimerske sončne celice, celice iz nanokristalov in podobno. Cilji so v obeh primerih jasni: večji izkoristek in nižja cena na proizveden vat.
Kako jih uporabiti?
Sončna svetloba na celici generira enosmerni električni tok (DC), ki ga nato z razsmerniki pretvorimo v bolj splošno uporabljen izmenični tok (AC). Fotovoltaika je uporabna na številnih področjih, na splošno pa jo delimo na omrežno in samostojno (otočno) uporabo.
Pri omrežni uporabi se presežek energije (elektrika, ki je ne porabi proizvajalec) ali celotna proizvedena elektrika, izvozi (proda po ceni, višji od cene elektro podjetij) v električno omrežje. Tipično omrežno uporabo sestavljajo sistemi na strehah zasebnih hiš, povprečno moči 3 kW. Druga vrsta omrežne uporabe pa so velike sončne elektrarne moči, ki se meri v MW. Otočni sistemi so sistemi, ki nimajo povezave z električnim omrežjem (na primer sončne elektrarne planinskih koč).
Obstajajo primeri uporabe, kjer so fotovoltaične celice nenadomestljive. To je predvsem v odročnih krajih, kjer osamljeni elektroenergetski sistemi delujejo ločeno od sistema elektrodistribucije. Lahko bi rekli, da gre za »elektroenergetski otok« sredi narave, saj ni povezave z javnim elektroenergetskim sistemom. V takšnih primerih pomen takega sistema prevlada nad velikostjo investicije v solarni sistem. Zgledov uporabe je kar nekaj: radijski oddajniki (tudi GSM), svetilniki na morju, planinske koče v hribih ...
Moj mikro, julij-avgust 2008 | Marjan Kodelja
