Ogrzeją nas kwanty światła

W Teksasie – krainie ropy i gazu – znajduje się miasteczko Georgetown. Liczy ok. 50 tys. mieszkańców i położone jest ok. 60 km od śródmieścia Austin, stolicy stanu. To już właściwie przedmieścia tej półtoramilionowej aglomeracji, szybko się rozwijającej m.in. dzięki łupkom gazo- i roponośnym. Nieopodal znajdują się przebogate w te surowce formacje geologiczne Barnett Shale oraz Eagle Ford. A mimo to Georgetown postanowiło iść pod prąd modzie i wyruszyć na mniej pewny ocean zielonej energetyki. Uczyniono to wcale nie z altruistycznych powodów. Zdecydował rachunek ekonomiczny. Najpierw postanowiono wykorzystać wiatr. Rok temu miasto podpisało kontrakt z francuskim gigantem energetycznym EdF na zakup trzech czwartych prądu z elektrowni wiatrowej postawionej na zachodzie Teksasu. Następnie rajcy z Georgetown uznali, że trzeba iść za ciosem i poszukać jeszcze jednego alternatywnego źródła energii. Wiatr bowiem mógł zaspokoić tylko jedną trzecią potrzeb energetycznych miasta. Rozpoczęto poszukiwania potencjalnego dostawcy reszty prądu. Wybór padł na kalifornijską firmę SunEdison, największego w USA producenta energii słonecznej. Zobowiązała się ona postawić elektrownię słoneczną o mocy 150 megawatów (MW) pracującą wyłącznie na potrzeby Georgetown. W 2015 r. podpisano umowę na 25 lat. „Przeszliśmy na zieloną energię, bo wyliczenia pokazały, że tak będzie dla nas taniej – tłumaczył niedawno magazynowi „Slate” wiceburmistrz Jim Briggs. – Dzięki długoletnim porozumieniom miasto będzie kupowało prąd po cenach niższych niż oferowane przez tradycyjne elektrownie”. Przez ponad 100 lat Georgetown polegało na energii produkowanej z paliw kopalnych. Kiedyś miało nawet własną elektrownię, potem kupowało prąd od zewnętrznych dostawców. W 2012 r. zdecydowano się poszukać czegoś nowego. Magnes w postaci długoletniego kontraktu przyciągnął do miasta wielu chętnych. I okazało się, że na największe ustępstwa mogli pójść producenci prądu ze słońca i wiatru. Nie dziwi to wcale Christopha Reinharta, twórcy projektu MAPDWELL, który wykiełkował na MIT. Parę lat temu Reinhart opracował mapę promieniowania słonecznego dla miasta Cambridge pod Bostonem, w którym znajduje się siedziba tej słynnej politechniki oraz nie mniej znanego Uniwersytetu Harvarda. Mapa jest interaktywna, trójwymiarowa i bardzo dokładna. Dla każdego dachu w mieście określa, ile dokładnie energii słonecznej można za jego pośrednictwem wyprodukować. Z mapy korzystają firmy instalujące ogniwa słoneczne, które zgłaszają się do mieszkańców Cambridge, aby wynająć od nich dachy, postawić tam swoje urządzenia i zarabiać na sprzedaży prądu do sieci. Pomysł Reinharta spodobał się innym miastom. W 2015 r. taką słoneczną mapę zamówił sobie Boston. Naukowcy oszacowali więc łączny potencjał energetyczny jego 123 tys. dachów. Uzyskano wynik 2200 MW, co lekko licząc, wystarczyłoby do zasilenia co najmniej pół miliona mieszkań, przy założeniu, że ogniwa byłyby połączone w jedną, wspólnie zarządzaną, inteligentną sieć tworzącą rodzaj rozproszonej elektrowni, a znaczna część wytworzonej w ciągu dnia energii byłaby magazynowana w nocy. Reinhart twierdzi, że przy szybko spadających cenach paneli słonecznych oraz zaawansowanych pracach nad wydajnymi akumulatorami powstanie takich wirtualnych elektrowni dachowych, obejmujących najpierw dzielnice, a na końcu duże miasta, jest kwestią czasu, i to raczej niedługiego. Prąd z pakietów światła I pomyśleć, że wszystko to zaczęło się od eksperymentu przeprowadzonego w 1839 r. przez pewnego ciekawskiego dziewiętnastolatka w laboratorium jego ojca, zresztą znakomitego fizyka. Ów urodzony w Paryżu młodzieniec nazywał się Edmond Becquerel i bardzo interesował się fluorescencją, czyli emitowaniem światła przez rozmaite substancje oświetlane z zewnątrz. Eksperymentując z różnymi związkami chemicznymi zgromadzonymi przez ojca, młody Edmond odkrył efekt fotowoltaiczny. Dowiódł, że są takie substancje, w których pod wpływem światła następuje wzbudzenie prądu elektrycznego. (Dodajmy, że Edmond miał syna imieniem Henri, który także zajmował się fluorescencją, m.in. rud uranu, dzięki czemu odkrył promieniotwórczość). Na początku XX w. inny młody człowiek nazwiskiem Albert Einstein wyjaśnił, skąd bierze się ów efekt fotoelektryczny. W tym celu wprowadził pojęcie kwantów światła (niem. Lichtquanten), zwanych także fotonami. Ze światłem XIX-wieczni fizycy klasyczni mieli problem. Zakładali, że jest ono falą elektromagnetyczną, ale niektóre eksperymenty przeczyły temu. Dopiero Einstein, sięgając po sformułowaną kilka lat wcześniej przez Maksa Plancka teorię kwantów, dowiódł, że światło jest nie tylko falą, ale również strumieniem fotonów – pakietów energii. Padając na podatny grunt, czyli ogniwo fotowoltaiczne, generują one prąd elektryczny. Pierwsze ogniwa słoneczne z prawdziwego zdarzenia zbudowano na początku lat 50. XX w. w Bell Laboratories, przy okazji badań nad tranzystorami. Początkowo były ciekawostką – ich sprawność, czyli zdolność przetwarzania energii fotonów na energię elektryczną, wynosiła zaledwie 2 proc. Niektórzy jednak postanowili je poprawić. Wśród nich był elektronik H. Leslie Hoffman. W 1955 r. uzyskał ogniwo o sprawności 4,5 proc. Ponieważ wciąż nie nadawało się do praktycznego zastosowania, pracował dalej i kilka lat później osiągnął wynik 14 proc. To już było coś. Do Hoffmana zgłosili się naukowcy z amerykańskiego Komitetu Doradczego ds. Aeronautyki (poprzednik NASA). W 1958 r. w jego ogniwa wyposażono sondę kosmiczną Vanguard 1, pierwszego w historii satelitę zasilanego energią słoneczną. Rok później w kosmos wystrzelono sondę Explorer 6, na której znajdowało się już 9600 ogniw Hoffmana. W kolejnym roku naukowiec zbudował pierwsze radio tranzystorowe na baterię słoneczną. Nazwał je Hoffman Trans Solar Radio. Wciąż jednak ogniwa fotowoltaiczne były bardzo drogimi zabawkami, na które stać było tylko rządową agencję kosmiczną. Oczekiwała ona produktu niezawodnego i najwyższej jakości. Cena nie grała roli. Słońce dla każdego Zmiana nastąpiła dopiero po kryzysie paliwowym w 1973 r., kiedy Japończycy i Amerykanie zaczęli po raz pierwszy na poważnie rozważać ideę energetyki słonecznej. W Japonii uruchomiono Sunshine Project, a w Stanach powołano do życia Solar Energy Research Institute, znany dziś doskonale na świecie jako National Renewable Energy Laboratory (NREL). Kilka lat później do tej pionierskiej dwójki dołączyli Niemcy, tworząc instytut Fraunhofer-ISE we Freiburgu (dziś zatrudnia 1200 osób). Głównym zadaniem naukowców było opracowanie technologii masowej produkcji systemów energetyki słonecznej nadających się do skomercjalizowania. Poza ogniwami fotowoltaicznymi zajmowano się też kolektorami słonecznymi gromadzącymi ciepło oraz elektrowniami CSP (od ang. Concentrated Solar Power) składającymi się z luster i soczew koncentrujących energię słoneczną, która następnie wprawiała w ruch turbiny parowe wytwarzające prąd. Bez badań z lat 70. i 80. energetyka słoneczna nie weszłaby w okres tak intensywnego wzrostu, jaki trwa od początku obecnej dekady. Porównajmy: w 2000 r. łączna moc wszystkich ogniw fotowoltaicznych na świecie wynosiła około 1 gigawata (GW). W 2009 r. było to 20 GW, a w 2015 r. – jak wynika ze wstępnych danych – ponad 220 GW. Prognozy na najbliższe pięć lat mówią o rokrocznym podłączaniu do sieci co najmniej 50 GW słonecznej mocy. Jeszcze dalsze scenariusze, przedstawione ostatnio przez Międzynarodową Agencję Energetyczną w Paryżu, dość konserwatywną, jeśli chodzi o prognozowanie rozwoju odnawialnych źródeł energii, zakładają, że w 2050 r. jedna czwarta prądu na świecie będzie pochodziła z ogniw fotowoltaicznych oraz wielkich elektrowni CSP (ang. Concentrated Solar Power). Los tych drugich nie jest jednak pewny. Dekadę temu mocno w nie wierzono. Zgłaszano kolejne projekty budowy olbrzymich zakładów, które za pomocą tysięcy luster lub soczewek skupiałyby światło słoneczne, aby z jego pomocą uruchomić turbiny prądotwórcze. Użycie dużej liczby luster jest konieczne, jeśli chcemy uzyskać temperatury rzędu kilkuset stopni, potrzebne do uruchomienia turbin. Z lustrem po prąd Historia słonecznych termoelektrowni CSP zaczęła się w latach 80. na pustyni Mojave w południowej Kalifornii. Testowano tam dwa warianty techniczne. Jako pierwsza zaczęła działać elektrownia Solar One – jej głównym elementem była wieża otoczona wianuszkiem luster. Odbite przez nie promienie słoneczne trafiały na szczyt wieży, gdzie dzięki uzyskanemu z nich ciepłu wytwarzano parę wodną, która poruszała turbiną. Elektrownia działała z przerwami, a ostatecznie zamknięto ją w 1999 r. Lepszy los spotkał inną instalację uruchomioną na Mojave. Nie było tu wieży, lecz rzędy parabolicznych luster podobnych do rynien, które poruszały się wertykalnie, aby złapać jak najwięcej promieni słonecznych. Stopniowo dodawano do niej kolejne moduły i w rezultacie powstała działająca do dziś elektrownia Solar Energy Generating Systems (SEGS) składająca się z miliona luster. Dostarcza energię dla 500 tys. ludzi. Tyle że za tym sukcesem technologicznym nie poszły kolejne inwestycje. Ze względu na wysokie koszty wytworzenia prądu elektrownia, choć nigdy jej nie zamknięto, nie miała szans w starciu z tradycyjnymi. Była zabawką, której nie wróżono przyszłości. Moda na CSP niespodziewanie powróciła około dekady temu. Najpierw w USA otwarto niewielką elektrownię Nevada Solar One. Dzięki solankowym magazynom ciepła jej turbiny parowe mogą pracować całą dobę. Potem kilka podobnych zakładów postawili u siebie Hiszpanie, głównie w Andaluzji. Znaczną część potrzeb energetycznych Sewilli pokrywają wieże i lustra słoneczne stojące w pobliżu miasteczka Sanlucar la Mayor. Ich łączna moc wynosi 300 MW. Idea znalazła też zwolenników, ale wciąż jeszcze nie naśladowców, w kolejnych krajach: Australii, Izraelu, RPA, Maroku, Tunezji. Parę lat temu w Europie pojawiła się futurologiczna wizja wybudowania na zalanej słońcem Saharze setek słonecznych termoelektrowni, z których część prądu płynęłaby na nasz kontynent. Również amerykańscy naukowcy opracowali plan nakarmienia milionowych miast na północy USA prądem płynącym z lustrzanych zakładów zlokalizowanych na słonecznym południu kraju. W Kalifornii, Nevadzie, Arizonie wydano liczne pozwolenia na elektrownie CSP. Niektóre z nich miały być olbrzymami składającymi się z wielu milionów luster i z łączną mocą przekraczającą 1000 MW. Na razie niewiele wyszło z tych planów. Wiele projektów zawieszono, inne ograniczono. Okazało się bowiem, że lustra nie wytrzymują konkurencji z ogniwami fotowoltaicznymi, których ceny mocno spadły w ostatnich latach za sprawą Chińczyków, którzy zalali świat tanimi panelami słonecznymi. W rezultacie plany budowy elektrowni CSP pośpiesznie rewidowano, porzucając lustra na rzecz ogniw fotowoltaicznych. Różne sposoby ograniczania chińskiej dominacji na razie niewiele pomogły, a niskie ceny ogniw sprzyjają umasowieniu energetyki słonecznej. Cienkie jak włos Jeśli coś może położyć kres dominacji Chińczyków, to rozpowszechnienie się produkcji cienkowarstwowych ogniw słonecznych. Te tradycyjne, wytwarzane ze względnie ciężkich, grubych i sztywnych kryształów krzemu, nie nadają się do wielu zastosowań. Stąd poszukiwania nowych materiałów półprzewodnikowych, takich jak stopy CIGS wykonane z miedzi, indu, galu i selenu (CIGS). Mają one grubość kilku tysięcznych milimetra. Dlatego można je układać na elastycznych podłożach oraz powlekać nimi szyby okienne, dachy, ściany zewnętrzne, a także urządzenia elektroniczne, np. telefony komórkowe czy laptopy. W teorii wytwarzanie paneli cienkowarstwowych powinno być tańsze niż paneli krzemowych, ale w szczegółach różnie to wygląda. Choć badania nad pozyskiwaniem energii słonecznej przeżywają rozkwit, to gdy przychodzi do realizacji marzeń – zdarzają się porażki. Parę lat temu szerokim echem odbiło się bankructwo amerykańskiej Solyndry, która kosztem 800 mln dol. zbudowała w Kalifornii olbrzymią fabrykę paneli CIGS. Nie zraziło to jednak innych – setki innowacyjnych firm i instytutów naukowych na świecie pracują nad ceramicznymi, metalicznymi i polimerowymi podłożami, na których dałoby się ułożyć cieńsze od włosa moduły słoneczne wykonane z różnych materiałów. Jedną z propozycji jest arsenek galu. Wykonane z niego panele są bardziej wydajne niż zwykłe panele krzemowe i panele CIGS, a zarazem równie uniwersalne co te ostatnie. Niestety, koszt ich wytworzenia jest wciąż olbrzymi. Ale nadchodzą zmiany. Mała firma badawcza Alta Devices z Krzemowej Doliny ujawniła niedawno, że pracuje nad tanią metodą wytwarzania ogniw z arsenku galu. Jej autorem jest Eli Yablonovitch, szef Laboratorium Optoelektroniki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Jego panele mają grubość jednego mikrometra! Długa lista inwestorów, których urzekł nowy pomysł, obejmuje fundusze typu venture capital oraz wielkie koncerny, takie jak General Electric, Dow Chemical i ConocoPhillips. Jednak jako pierwszy wysiłki Yablonovitcha docenił Pentagon, który zamówił u niego słoneczne ładowarki do tabletów. Gdy urządzenie siada, otwiera się taką ładowarkę niczym książkę, a arsenek galu robi swoje. Sztuczna fotosynteza Wiele badań nad słonecznymi nowinkami finansuje od paru lat amerykańska rządowa Agencja ds. Zaawansowanych Badań nad Energią (ARPA-E). Jednym z bardziej futurologicznych pomysłów jest sztuczny liść. Jego zadaniem jest rozłożenie cząsteczki wody na tlen i wodór. Powinien więc robić to, co każdy zwykły liść,