Το παράδοξο του πράγματος είναι πως η ευρύτερη διάδοση του φωτοβολταϊσμού έχει σημειωθεί όχι σε χώρες ηλιόλουστες όπως η δική μας, αλλά στην πολύ πιο νεφοσκεπή Γερμανία. Σύμφωνα με την έκθεση «Report on Ρhotovoltaics: ΡV Μarket Οverview 2009», την οποία δημοσίευσε τον Ιούλιο η Πανευρωπαϊκή Ενωση Φωτονικής Βιομηχανίας (ΕΡΙC - Εuropean Ρhotonics Ιndustry Consortium), η Γερμανία έχει το 50% των φωτοβολταϊκών εγκαταστάσεων παγκοσμίως. Η συνολικά παραγόμενη ισχύς ηλεκτρικού ρεύματος από όλα τα φωτοβολταϊκά πάνελ του κόσμου ανέρχεται τώρα στα 7,3 GW (Γιγαβάτ), με το 45% των πάνελ να κατασκευάζεται στην Κίνα και στην Ταϊβάν. Η προφανής εξήγηση του γερμανικού μαζικού προσηλυτισμού στον φωτοβολταϊσμό είναι μάλλον η συνέπεια λόγων και έργων των εκεί κυβερνήσεων επί του θέματος και η ευχέρεια ένταξης των μονάδων στο ενεργειακό δίκτυο- σε μια χώρα αδιάσπαστη από βουνά και θάλασσες. Ωστόσο με την κλιματική αλλαγή επί το θερμότερον προϊούσα και όλους τους ευρωπαίους ειδικούς να προειδοποιούν πως το κόστος του παραδοσιακά παραγόμενου ηλεκτρικού ρεύματος θα αυξηθεί ως το 2020 τουλάχιστον κατά 20%, είναι μάλλον καιρός να σκεφτούμε πώς μπορούμε να... γίνουμε όλοι Γερμανοί!
Τα φωτόνια έγιναν ηλεκτρόνια
Γενικά η μετατροπή των φωτονίων που μας έρχονται από τον Ηλιο σε ηλεκτρόνια δεν είναι πια μυστήριο. Με έναυσμα το πετρελαϊκό εμπάργκο του 1973, επιδοτήθηκε η σχετική έρευνα και εδώ και 25 χρόνια διατίθενται στην αγορά κάποια γυάλινα σάντουιτς, τα λεγόμενα φωτοστοιχεία κρυσταλλικού πυριτίου. Είναι κατ΄ ουσίαν ημιαγωγοί, με τον θετικό πόλο στην επίστρωση να υποδέχεται τα φωτόνια και τον αρνητικό πόλο στη βάση να εξάγει ηλεκτρόνια, ήγουν συνεχές ηλεκτρικό ρεύμα. Από εκεί, το ρεύμα είτε διοχετεύεται σε μπαταρίες ή οδηγείται σε έναν μετατροπέα που το κάνει εναλλασσόμενο και το προσάπτει σε ενεργειακό δίκτυο της περιοχής (βλ. ΔΕΗ στα καθ΄ ημάς).
Τα φωτοστοιχεία κρυσταλλικού πυριτίου, αυτά καθαυτά, είναι μικρά και τα συναντάμε μεμονωμένα μόνο σε μικροσυσκευές όπως τα ρολόγια χειρός. Αντίθετα στις στέγες μας και στα λεγόμενα «ηλιακά πάρκα» είναι συνδεδεμένα πολλά μαζί, σε διατάξεις που ονομάζονται «φωτοβολταϊκά πάνελ». Η συνήθης μορφή τους είναι αυτή των κυανών ορθογώνιων υαλοπινάκων, αν και τα τελευταία χρόνια διατίθενται και σε χρώμα καφετί, για να ταιριάζουν περισσότερο με τα κεραμίδια της στέγης. Η ενεργειακή τους απόδοση κυμαίνεται συνήθως μεταξύ 12%-15%. Παρά τη χαμηλή αυτή αξιοποίηση του ενεργειακού δυναμικού που έρχεται σε εμάς από τον Ηλιο, ακόμη και αυτή η τεχνολογία θα επαρκούσε θεωρητικά για την κάλυψη των αναγκών μας. Βλέπετε, ο Ηλιος μάς στέλνει 89 petawatts ενέργειας, ήτοι 6.000 φορές περισσότερη ενέργεια από αυτή που ξοδεύει όλη η ανθρωπότητα μαζί (15 terawatts ηλεκτρικής ενέργειας). Αρα ποιος είναι ο λόγος που δεν γεμίσαμε τις έρημες εκτάσεις μας με φωτοβολταϊκά;
Ο κύριος λόγος ήταν ως σήμερα το κόστος: Τα πάνελ κρυσταλλικού πυριτίου ήταν και παραμένουν ακριβά. Για την κάλυψη και εγκατάσταση μιας τυπικής στέγης, με πάνελ απόδοσης 13%, χρειάζεται κανείς περίπου 18.000 ευρώ. Αν μάλιστα αποτολμήσει να χρησιμοποιήσει τα αποδοτικότερα πάνελ της αγοράς (με απόδοση 40%), το κόστος γίνεται... διαστημικό. Επίσης τα κρυσταλλικά πάνελ είναι σχετικά ογκώδη και δεν εντάσσονται ομαλά σε πολυεπίπεδες επιφάνειες. Ακόμη χάνουν μέρος της απόδοσής τους με την αύξηση της θερμοκρασίας, οπότε σε συνθήκες κλιματικής αλλαγής δυσχεραίνουν τον μακροπρόθεσμο προϋπολογισμό της επένδυσης. Εχουν, τέλος, διάρκεια ζωής το πολύ 25 χρόνια.
Φθηνές, απλωμένες μεμβράνες
Προσπαθώντας να βρουν απαντήσεις σε αυτά τα μειονεκτήματα, οι κατασκευαστές πέρασαν στην επόμενη τεχνολογία φωτοβολταϊκών στοιχείων: Επειτα από 15 χρόνια ερευνών, η αμερικανική First Solar παρουσίασε το 2005 το πάνελ λεπτού φιλμ (thin film solar panel) από κυψέλες καδμίου-τελλουριδίου. Με πάχος μόλις ενός μικρομέτρουέναντι 180-230 των κρυσταλλικών - η εύκαμπτη αυτή μεμβράνη άμορφου πυριτίου έδειχνε να έχει τη λύση για κάθε είδους εφαρμογή. Το κόστος της έπεφτε στο μόλις 1 δολάριο ανά βατ, πράγμα που την καθιστούσε άμεσα ανταγωνιστική των υδρογονανθράκων. Ιδιαίτερα αφότου τον Σεπτέμβριο του 2009 η εταιρεία αυτή υπέγραψε με τους Κινέζους σύμβαση παραγωγής 2 Γιγαβάτ, από μεμβράνες απλωμένες στην έρημο της Μογγολίας, το μέλλον έμοιαζε να ανήκει στη νέα τεχνολογία.
Αλλά υπάρχει ακόμη ένα αγκάθι: Η απόδοση των μεμβρανών καδμίου-τελλουριδίου είναι αρκετά μικρότερη από εκείνη των πάνελ κρυσταλλικού πυριτίου, σε βαθμό που πρακτικά χρειάζεται κανείς 40% μεγαλύτερη επιφάνεια κάλυψης για να εκμαιεύσει την ίδια απόδοση. Αρα αποκτήσαμε μεν την τεχνολογία για «φωτοβολταϊκά κεραμίδια» με λογικό κόστος, αλλά η αξιοποίησή της προϋποθέτει... στέγη-γήπεδο!
Ρεκόρ από ένα... σάντουιτς
Και φθάσαμε στην εφετινή χρονιά. Μια χρονιά η οποία ίσως σημάνει το τέλος των ενδοιασμών μας για τον φωτοβολταϊσμό. Ο λόγος είναι οι νέες, ρηξικέλευθες μέθοδοι κατασκευής φωτοβολταϊκών μεμβρανών, που τις κάνουν πολύ πιο αποδοτικές και ακόμη φθηνότερες.
Πρώτη σε σπουδαιότητα ήταν η ανακοίνωση ομάδας ερευνητών του γερμανικού Κέντρου Ερευνας για την Ηλιακή Ενέργεια και το Υδρογόνο, τον Μάιο του 2010, σύμφωνα με την οποία έσπασαν το ρεκόρ ενεργειακής απόδοσης για φωτοβολταϊκές μεμβράνες: Χρησιμοποιώντας μέθοδο εναπόθεσης με εξάτμιση, κατασκεύασαν μεμβράνη από σάντουιτς χαλκού, ινδίου, γαλλίου και σεληνιδίου που αποδίδει σε ρεύμα το 20,1% του προσπίπτωντος ηλιακού φωτός. Στην πλευρά της χρηστικότητας, άκρως εντυπωσιακή ήταν και η εξαγγελία της 8ης Ιουνίου ότι ο γνωστός γιγαντιαίος πίνακας ανακοινώσεων στην πλατεία Τάιμς της Νέας Υόρκης πρόκειται να αντικατασταθεί από φωτοβολταϊκή μεμβράνη της... Χunlight Corporation. Ποια είναι αυτή η άγνωστη «κινεζόηχη» εταιρεία; Το επιχειρηματικό εγχείρημα του καθηγητή Χunming Deng, από το University of Τoledo του Οχάιο, ο οποίος βρήκε τον τρόπο να κατασκευάζει μεμβράνη σε ρολά λεπτότατου ανοξείδωτου ατσαλιού, ενσωματώνοντας στα φωτοστοιχεία του τριπλές ενώσεις άμορφου πυριτίου (a-Si), άμορφου πυριτίου και γερμανίου (a-SiGe) και νανοκρυσταλλικού πυριτίου (nc-Si). Με απόδοση η οποία κυμαίνεται μεταξύ 10,4%-13%, οι βολικές αυτές μεμβράνες αναμένεται να βρουν εφαρμογή παντού: Από τις στέγες και τα παράθυρά μας ως τα αυτοκίνητα, τα σκάφη, τις σκηνές, τα σακίδια και τα... ρούχα μας.
Στο ζητούμενο της ενεργειακής απόδοσης από ακόμη λεπτότερη επιφάνεια, απάντηση έδωσε στις 9 Ιουνίου του 2010 και μία δημοσίευση στο επιστημονικό περιοδικό Ρhysica Status Solidi: Ερευνητές του Βoston College μετέφεραν σε νανοκλίμακα τον σχεδιασμό των ομοαξονικών καλωδίων- όπως αυτά της κεραίας της τηλεόρασής μας- και κατασκεύασαν κυλινδρικά νανο-φωτοστοιχεία. Η απόδοσή τους είναι γύρω στο 8%, αλλά οι διαστάσεις τους είναι τόσο απειροελάχιστες που τους ανοίγουν... όλους τους δρόμους.
Με το φως της νύχτας!
Από τον Ιανουάριο του 2008, τέλος, εκκρεμεί η πρακτική εφαρμογή μιας εφεύρεσης η οποία υπόσχεται να φέρει πραγματική επανάσταση στα φωτοβολταϊκά: Ο ερευνητής Steven Νovack, των Εθνικών Εργαστηρίων του Αϊντάχο (ΗΠΑ), επέδειξε μια εύκαμπτη μεμβράνη η οποία αξιοποιεί το... 80% του ηλιακού φωτός, ακόμη και τη νύκτα! Το κατορθώνει αυτό με την εκτύπωση πάνω στη μεμβράνη μυριάδων νανο-κεραιών μικροκυμάτων που συλλαμβάνουν όλο το φάσμα υπέρυθρης ακτινοβολίας. Ο Νόβακ όμως έχει κολλήσει σε ένα πρόβλημα: Για να αντλήσει τη συλλαμβανόμενη από τις κεραίες ενέργεια πρέπει να ενσωματώσει σε αυτές έναν νανοπυκνωτή. Αλλά τέτοια διάταξη που να δρα αποτελεσματικά και αδιατάρακτα σε νανοκλίμακα δεν έχει κατασκευαστεί ακόμη. Οπότε θα περιμένουμε απνευστί τις κραυγές θριάμβου που θα διακηρύσσουν πλέον αδιαμφισβήτητα ότι «ο Ηλιος μάς φτάνει και μας περισσεύει».
ΜΙΚΡΑ ΜΥΣΤΙΚΑ
Ποιο είναι το καλύτερο πάνελ;
Βάσει απόδοσης, τα καλύτερα διεθνώς είναι τα πάνελ της Spectrolab και της ΕΜCΟRΕ: Επιτυγχάνουν απόδοση 40%, με φωτοστοιχεία τριπλών ενώσεων (γάλλιο, ίνδιο και φωσφίδιο, πάνω από γάλλιο, ίνδιο, αρσενίδιο, πάνω από γερμάνιο).Το κόστος τους όμως είναι περίπου 300 δολάρια/ βατ! Για να διαλέξει κανείς από τα υπόλοιπα- που κοστίζουν εκατό φορές λιγότερο- το μυστικό είναι να μην κοιτάζει απλώς την «quantum efficiency» (δηλαδή πόσα τα εξαγόμενα ηλεκτρόνια από τα εισαγόμενα φωτόνια), αλλά τη διαφορά δυναμικού (τα πόσα βολτ παίρνει). O λόγος είναι ότι η ισχύς ισούται με αμπέρ επί βολτ και, δυστυχώς, εκεί όπου πάσχουν τα περισσότερα φωτοβολταϊκά δεν είναι στα αμπέρ αλλά στα βολτ!
Μπορούμε να φτιάξουμε όσα πάνελ θέλουμε;
Τα φωτοβολταϊκά μεμβρανών λεπτού φιλμ χρειάζονται πολύ λιγότερα υλικά από εκείνα του κρυσταλλικού πυριτίου.
Ωστόσο τα περισσότερα και νεότερα από αυτά- τα thin-film CΙGS- βασίζονται σε ένα όχι και τόσο άφθονο συστατικό, το ίνδιο. Καθώς μάλιστα το ίνδιο είναι επίσης βασικό συστατικό των οθονών και λυχνιών LCD και LΕD,η ζήτησή του θα αυξηθεί. Οι γεωλόγοι εκτιμούν ότι τα παγκόσμια αποθέματα ινδίου ανέρχονται σε 6.000 τόνους,που μας φτάνουν μόλις για 13 χρόνια. Αρα για ένα φωτοβολταϊκό αύριο θα πρέπει να βρούμε σύντομα υποκατάστατό του.
Ενδιαφέρον και για τη χώρα μας είναι το ότι το ίνδιο δεν εξορύσσεται αυτούσιο,αλλά εξάγεται μέσω ηλεκτρόλυσης από τη λάσπη των ορυχείων ψευδαργύρου(!..).
Η «καλή μπαταρία»
Μπορεί οι ειδικοί να προβλέπουν ότι ως το 2030 το 14% των ενεργειακών αναγκών του πλανήτη θα έχει καλυφθεί από ηλιακή ενέργεια, αλλά η συχνότερη γκρίνια των αμφισβητιών της επικεντρώνεται στο ότι «όσο ρεύμα και να βγάζεις,δεν ξέρεις τι να το κάνεις όταν έρχεται η νύκτα».Η ρήση αυτή απηχεί τη δυσαρέσκεια εκείνων οι οποίοι θέλουν ενεργειακή αυτονομία για τα υπάρχοντα συστήματα συσσωρευτών αποθήκευσης της ενέργειας. Το πρόβλημα είναι κοινό,τόσο για τα φωτοβολταϊκά συστήματα όσο και για τις μεμονωμένες ανεμογεννήτριες. Ωστόσο από τη δεκαετία του ΄70 υπάρχει εργαστηριακά η λύση: Δύο υγράηλεκτρολύτες με ιόντα μετάλλου- ρέουν από δεξαμενές σε μία φωτοκυψέλη.Από αυτή τη ροή γεννιέται χημική ενέργεια.Η αρχή λειτουργίας ονομάζεται «redox-flow battery» και μπορεί επίσης να αναστραφεί: Οταν υπάρχει περίσσευμα ηλιακής ή αιολικής ενέργειας,η μπαταρία μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική και την αποθηκεύει στις δεξαμενές.
Εφέτος στη βιομηχανική Εκθεση του Ανόβερο (Γερμανία),το ινστιτούτο χημικής τεχνολογίας ΙCΤ, του γνωστού ιδρύματος καινοτομιών Fraunhofer, επέδειξε πρωτότυπα τέτοιων μπαταριών redox-flow, έτοιμα για μαζική παραγωγή. Μολονότι η ενεργειακή πυκνότητα αυτών των μπαταριών είναι ανάλογη εκείνων από μόλυβδο,το μεγάλο τους πλεονέκτημα είναι ότι έχουν δεκαπλάσια διάρκεια ζωής.
Εκείνο όμως που δεν γνωρίζουν πολλοί,εντός και εκτός Ελλάδος,είναι ότι ένα παρόμοιο σύστημα μπαταριών έχει ήδη εξετασθεί από το εργαστήριο του καθηγητή Ξενοφώντα Βερύκιου (Τμήμα Χημικών Μηχανικών,Πανεπιστήμιο Πατρών) και έχει διακριβωθεί ότι παρέχει ενεργειακή πυκνότητα 2-3 φορές υψηλότερη των άλλων μπαταριών! Πρόκειται για προϊόν της ελληνικών συμφερόντων εταιρείας Lion Αlternative Εnergy (http://www.lionhellas.com/), με ερευνητικά εργαστήρια στην Καλιφόρνια.
ΟΙ ΚΙΝΕΖΟΙ ΔΕΙΧΝΟΥΝ ΤΟΝ ΔΡΟΜΟ
Σε έναν κόσμο όπου τα μισά σχεδόν φωτοβολταϊκά είναι κινεζικής προέλευσης, οι Αμερικανικοί της First Solar θεώρησαν μέγιστη επιτυχία τους το συμβόλαιο εγκατάστασης ηλιακού πάρκου μεμβρανών στην πόλη Οrdos της κινεζικής ερήμου της Μογγολίας. Αξίζει όμως να δει κανείς το όλο σκεπτικό των Κινέζων: Η φωτοβολταϊκή φάρμα των 2.000 Μεγαβάτ που ανέθεσαν στους Αμερικανούς είναι μέρος μόνο του συνολικού έργου 11.950 Μεγαβάτ που θα έχουν ολοκληρώσει ως το 2019. Τα υπόλοιπα μεγαβάτ θα προέλθουν κυρίως από ανεμογεννήτριες. Επίσης,με δέλεαρ το χαμηλότερο κόστος κατασκευής,οι Κινέζοι διασφάλισαν όχι απλώς εκπαίδευση και μεταφορά τεχνογνωσίας στους τεχνικούς τους,αλλά και επιτόπια κατασκευή του εργοστασίου το οποίο θα φτιάξει τα πάνελ του ηλιακού πάρκου.Για την απρόσκοπτη,τέλος,σύνδεση του πάρκου με το ενεργειακό δίκτυο της Κίνας,οι Αμερικανοί θα συμβάλουν στην αναβάθμιση της υποδομής του δικτύου.
Η αναγωγή στα καθ΄ ημάς είναι δυσθεώρητη και εύκολα μπορεί να την απορρίψει κανείς λόγω κλίμακας.Ωστόσο απέναντι στην ευχέρεια μιας ερήμου την οποία δέρνει ο ήλιος και ο άνεμος,μπορούμε να σκεφθούμε τον ενεργειακό πλούτο μιας...θάλασσας γεμάτης ερημονήσια: Οι 2.000 ανεκμετάλλευτες βραχονησίδες μας μπορούν να γίνουν ηλιακά πάρκα και πάρκα ανεμογεννητριών,ενώ οι ανεμοδαρμένοι κάβοι τους μπορούν να φιλοξενήσουν γεννήτριες ρεύματος από κύματα,που θα κάνουν και αφαλάτωση! Η τεχνολογία όλων αυτών είναι πλέον αρκετά ώριμη και το ερευνητικό δυναμικό μας μπορεί να στραφεί στη βέλτιστη δικτύωση.Φαντασθείτε κάθε ένα από τα 150 κατοικημένα νησιά μας να γίνεται ενεργειακό κέντρο,που θα συγκεντρώνει την ενέργεια των βραχονησίδων γύρω του και θα στέλνει το περίσσευμα στην ηπειρωτική μας χώρα ή και στο εξωτερικό! Από τον διστακτικό κομπασμό του ενεργειακού κόμβου ως «μεταπράτη φυσικού αερίου» μπορούμε να αποδυθούμε στο όραμα μιας ενεργειακής αυτάρκειας από τις θάλασσές μας.
Είναι απλώς ένα όνειρο...Αλλά όταν όλες οι άλλες παραγωγικές μας επιλογές έχουν στερέψει,ίσως οφείλουμε να το κάνουμε μοναδικό μας όραμα και στόχο!
Πηγή: ΤΟ ΒΗΜΑ
