Saulės energija tampa tokia pigi, kad ima lenkti iškastinį kurą – ir netgi be naujos kartos fotovoltinių technologijų ir dirbtinės fotosintezės

„Kai devintojo dešimtmečio viduryje buvau studentas, viso pasaulio fotovoltinių (FV) įrenginių galia siekė kelis megavatus“, sako Harry Atwater. Tiek pakaktų prekybos centrui ar panašiai. Dabar saulės technologijos tiekia apie 500 gigavatų.“ Tiek pakaktų patenkinti 50 Manhattanų elektros poreikius. Ir Saulės energija dar tik įsibėgėja.

Atwateris, Jungtinio dirbtinės fotosintezės centro prie Kalifornijos technologijos instituto direktorius, FV technologijoms skyrė visą savo karjerą. Matė, kaip ji augo iš įdomybės, randamos gal tik keliose laboratorijose iki didžiulės pramonės, lenkiančios plokščiaekranių televizorių rinką. Vien 2018 metais į šią pramonę buvo investuota $131 milijardas. Bet Atwaterio nuomone, per kelis artimiausius metus įvyksianti pažanga netgi tokį progresą užgoš.

Saulės energija (SE) taip atpigo, kad netrukus užims iškastinio kuro vietą pasaulio pageidaujamų elektros šaltinių sąraše. O nebrangios SE gausa itin svarbi, norint turėti bent menką galimybę apriboti globalinį atšilimą iki 1,5°C

„Tai neįtikėtinai nuostabus laikas,“ sako Jenny Chase, Bloomberg NEF analitikė, sekanti švarios energijos kainas. „Mane pribloškė saulės energijos sektoriaus pažanga.“

Finansų kompanija Lazard kasmet pateikia „sulygintas“ įvairių energijos šaltinų kainas – tai yra, kainą, atsižvelgiant į visą jėgainės gyvenimo ciklą, įskaitant gamybą ir utilizavimą ir atmetant vyriausybių subsidijas. Jos 2018 ataskaita parodė, kad didelio masto SE ir sausumos vėjo jėgainės vidutiniškai buvo pigiausios energijos formos. Kartais galėjo būti pigesnės dujos, bet dažniau – ne. Lazard išsiaiškino, kad tarp 2017 ir 2018, vieno megavato SE kaina sumažėjo nuo maždaug $50 iki maždaug $43, tai yra 14 % pigimas per vienerius metus. Nuo 1976 metų, jos kaina sumažėjo ~99,9 %.

Dėl to įspūdingai išaugo jos naudojimas. „Dirbu analitike 13 metų,“ sako Chase. „Kai pradėjau, maniau, kad SE gali, geriausiu atveju užimti 1 procentą pasaulio elektros gamybos. 2018 metais ši dalis sudarė ~2,3 %. Kinijoje ši dalis yra 2,5 %, kas neatrodo daug, bet Kinija naudoja daug elektros. O tokiose vietose kaiip Kalifornija, 8 % energijos gaunama iš Saulės.“ Pernai Bloomberg NEF pranešime prognozuota, kad iki 2050 metų FV elementai atpigs dar dviem trečdaliais, o SE sudarys 24 % visos gaminamos energijos.

Tai yra pribloškiama pažanga – ir jokiu būdu ji nėra per sparti, nes padangėn kylančios anglies dioksido emisijos kaitina pasaulį iki 125 000 metų neregėto lygio. SE, išgaunama sena, bet patikima silicio FV elementų technologija, bus svarbiausia kovos su prasčiausiais klimato kaitos padariniais priemonė.

Taip pat savo vaidmenį vaidins naujos technologijos, kurių atsiradimo galima tikėtis per ateinančius metus ir dešimtmečius. Pirmiausia bus patobulinti FV elementai, paskui – SE saugojimas, kurio įtaką pajusime po dešimtmečio ar poros. Ir galiausiai, gal pavyks išvysti įgyvendinamas daug spekuliatyvesnes, ilgalaikes idėjas, tokias, kaip elektros iš Saulės šviesos gamybą kosmose ir elektros perdavimą į Žemę. Tokie pasiekimai galėtų sukelti visos energijos ekonomikos revoliuciją.

Greičiausiai bus įgyvendinamos naujų FV elementų technologijos. Dabar daugiausiai gaminama silicio FV elementų. Pirmas praktiškas fotovoltinis elementas, kurį Bell Labs pagamino 1954, elektra vertė vos 6 procentus patenkančios šviesos. 1959 metais konkuruojanti firma pasiekė 10 procentų efektyvumą. Po ketvirčio amžiaus, 1985 m., Australijos komanda pasiekė 20 procentų efektyvumą. O 2016, Naujojo Pietų Velso universiteto mokslininkai pasiekė beveik 35 procentus, lig šio išsilaikiusį pasaulio rekordą. Daugumos komercinių FV elementų efektyvumas siekia maždaug 20 procentų.

Galia

Silicis – antras pagal paplitimą elementas Žemėje (~28%), bet gryno jo gamtoje nėra. „Siliciniai elementai gaminami iš kvarcinio smėlio (SiO₂), įkaitinant jį iki tūkstančių laipsnių ir redukuojant iki gryno silicio,“ pasakoja medžiagotyrininkas Lance Wheeler iš www.nrel.gov (Nacionalinės atsinaujinančios energijos laboratorijos – NREL). „Tam reikia daug energijos ir visas procesas labai jautrus – tam būtinos idealios sąlygos.“ Dėl to Vakaruose juos gaminti yra pernelyg brangu. Dauguma FV elementų gaminama Kinijoje, stipriai remiant vyriausybei ir kur aukštos kvalifikacijos darbo jėga nėra brangi. Masto ekonomika gamybos kaštus sumažino, bet yra tam tikra energijos taupymo riba.

Tačiau pastaraisiais metais vis patrauklesne tampa naujo tipo FV elementai. Vietoje silicio juose naudojamos įvairių tipų mineralai, perovskitai.Pirmasis perovskito FV elementas buvo sukurtas 2009. Jo efektyvumas tebuvo 3,8%, tai yra, mažiau, nei pirmojo silicio elemento 1954 m. Bet jei silicio elementams 20 procentų efektyvumas net laboratorijose tapo prieinamas tik po 30 metų, perovskitiniai FV elementams 23 procentų efektyvumą pasiekti neprireikė nė dešimtmečio. „Jie efektyvumu [įprastiems] FV elementams vis dar nusileidžia 2–4 procentais, bet nuo siaubingų iki fantastiškų jie pagerėjo per dešimtmetį.“ pažymi Wheeler.

„Saulės energija užims iškastinio kuro vietą pasaulio pageidaujamų elektros šaltinių sąraše“

Kas dar svarbiau, perovskitas taip pat plačiai paplitęs ir pigus, kaip ir silicis, o dirbti su juo – nepalyginamai lengviau. „Galima paimti stiklainį skysčio ir atspausdinti bet kokiu spausdintuvu, kambario temperatūroje,“ sako Wheeler. Ji paminėjo vieną kompaniją, nusipirkusią seną Kodak gamyklą Niujorke ir pertvarkiusią jos spausdintuvus plastiko juostos dengimui plonu perovskito sluoksniu ir taip gaminti FV elementus. „Tam galėtų būti pritaikyta ir sena laikraščių spaustuvė,“ pastebėjo Wheeler.

Tačiau yra problema. Silicio FV elementai neįtikėtinai atsparūs. Sumontavus juos ant stogo, galima būti tikram, kad 25 metus jie veiks. Tuo tarpu dar visai neseniai perovskitiniai elementai išbūdavo stabilūs vos kelias valandas. Bet NREL sukūrė elementus, 90 procentų pradinio efektyvumo išlaikiusius 250 dienų. „Aiškėja, kad perovskitas nėra nestabilus iš prigimties,“ sako Wheeler. „Problemas kelia šalia jo esančios medžiagos. Jas sureguliavus, stabilumas būna geras.“

Chase įspėja nedžiūgauti pernelyg anksti. „Komercinio produkto dar nėra,“ sako ji. Bet sutinka, kad ilgainiui perovskitas gali būti įdomia galimybe. Ji ir Wheeler deda viltis į hibridinius FV elementus, kuriuose perovskito sluoksnį dengia silicio sluoksnis, nes jie absorbuoja skirtingo ilgio bangas, tad galėtų dar labiau padidinti efektyvumą.

Kita fundamentali problema – konkrečioje vietoje Saulė nešviečia visą laiką. Vidurdienį šviesiau nei vidurnaktį, o vidutinėse platumose vasarą daugiau šviesos nei viduržiemį. Bet energijos reikia visą dieną ir visus metus. Tad, kiti mokslininkai aiškinasi, kaip Saulės energiją ne tik išgauti, bet ir kaupti.

Kaupimo problema

„Artėjančiame tvarios energijos pasaulyje – su aukštu elektrifikacijos lygiu – kils rimtų kaupimo problemų,“ sako Atwateris. „Baterijos bus sprendimo dalis, bet įsivaizduokite, esate Norvegijoje ar Švedijoje, kur vasarą saulės dešimteriopai daugiau nei žiemą. Nepavyks sukaupti energijos šešiems mėnesiams baterijoje.“ Tuo tarpu iškastinis kuras Saulės energiją išsaugojo milijonus metų. „Naudojame jį, nes jo didžiulis energijos tankis, laikyti ir pervežti jį nebrangu. Šios cheminės medžiagos yra puikiausia energijos kaupimo forma,“ sako jis.

Siekiama panaudoti šviesą cheminio kuro gamybai. Atwaterio laboratorijoje kuriama dirbtinė fotosintezė: Saulės energija inertiškos cheminės medžiagos verčiamos kupinomis energijos.

Bazinėje versijoje fotovoltinis elementas sukuria elektros srovę, kuri, iš teigiamai įkrauto anodo į neigiamą katodą tekėdama per vandenį, skaido jį į deguonį ir vandenilį. Deguonies jonai kaupiasi prie anodo, vandenilio jonai – prie katodo. „Laboratoriniu prototipu pasiektas 19,3 procento efektyvumo rekordas,“ sako Atwateris: tai yra, beveik 20 procentų FV pasiekiančio šviesos energijos gali būti saugoma kaip panaudojamas vandenilio kuras. „Tai yra nepigus įrenginys, bet juo demonstruojamos galimybės“.

Vandenilį iš vandens išgauti santykinai nesunku. „Atlikome tai vidurinėje mokykloje, naudodami vario vielą ir platinos vielą,“ prisimena Atwateris. „Žaliava nėra brangi.“ Reikalus komplikuoja, kad vanduo turi būti gėlas, kad neužsiterštų katodas, bet galima gaminti labai gryną vandenilį, puikiausiai tinkantį naudoti kuro elementuose.

„Dirbtine fotosinteze galima saulės energiją išlaikyti per žiemą”

Sudėtingiau pagaminti angliavandenilinius degalus iš atmosferos anglies dioksido, sako Atwateris. „Ir tai sudėtingiau dėl fundamentalių priežasčių. Anglies chemija labai plati: deimantai, grafitas, polimerai, metanas – visa tai paremta anglimi.“ Anglies dvideginis gali būti paverstas į daugelį įvairiausių formų. „Sudėtingiausia sukurti procesą, kuriuo būtų gaunamas tik vienas produktas. Jei nusprendžiama gaminti etanolį, nesinori išskirti dar ir anglies monoksido.“ Bet nors toks energijos kaupimo būdas ir sudėtingesnis už vandens skaidymą, jis turi du pranašumus: iš atmosferos šalinamos šiltnamio efektą sukeliančios dujos ir sintetinamas kuras, kuriame esanti anglis gali būti naudojama daugybės sudėtingų molekulių gamybai, tarp jų ir plastikų.

Kol kas Atwaterio laboratorijoje maždaug 70 procentų atmosferos CO₂ verčiama į etanolį, kurą ir eteną – daugelio plastikų pagrindą. Likusius 30 procentų sudaro vandenilis, kuris irgi naudingas. Šis procesas gerokai mažiau efektyvus už vandens skaidymą, bet progresas vyksta.

Gamtos kopijavimas

Bėda, kad dirbtinė fotosintezė remiasi katalizatoriais, bet esamiems reikia išorinės energijos ir jie dažnai būna toksiški. Tad, kitos grupės alternatyvų žvalgosi gamtoje. Erwin Reisner ir jo komandai iš Kembridžo universiteto pavyko pasistūmėti „pusiau dirbtinės“ fotosintezės srityje, kaip katalizatorius naudojant natūralius fermentus. Šie baltymai yra daug efektyvesni katalizatoriai ir geriau kuria būtent reikiamus produktus be papildomos energijos. Tik bėda, kad jie per kelias valandas ar dienas suyra. „Organizmuose jie nuolat taisomi ir pakeičiami,“ sako Reisneris. Jis tikisi, kad ši pusiau dirbtinė technologija gali būti panaudota visiškai dirbtinių katalizatorių tobulinimui, ar, žvelgiant toliau į ateitį, kad reikiamus angliavandenilius galėtų gaminti bioinžineriškai pakeisti dumbliai, panaudodami natūralius fermentus, kurie būtų taisomi tradiciniu būdu.

Dirbtine fotosinteze Saulės tiekiamą energiją būtų galima laikyti per žiemą ir palengvinti naudojimą sunkiai elektrifikuojamose sistemose, tokiose, kaip sunkioji technika ir oro transportas, sako Atwateris. Jis įsitikinęs, ši technologija, nors dar nauja, gali sparčiai tobulėti. Savo studentams jis pasakoja apie tai, koks fotovoltinis sektorius buvo, kai jis dar tik pradėjo juo užsiimti. „Dabar tai yra subrendusi, visiškai integruota pramonė,“ sako jis. „Manau, dirbtinė fotosintezė dabar yra tokioje pat stadijoje, kokioje buvo fotovoltinė pramonė mano studentavimo laikai.“

Be dirbtinės fotosintezės, Chalmers technologijos universiteto Švedijoje mokslininkai kuria skystį, kuris gali kaupti saulės energiją ir išskirti ją kaip šilumą. Jau dabar efektyvumas, matuojant džauliais kilogramui, maždaug prilygsta ličio jonų baterijai ir energija gali būti saugoma mėnesius. Tai ne taip efektyvu, kaip Saulės skydeliai, bet komandos vadovas Kasper Moth-Poulsen tikisi patobulinti. „Norint sukaupti energiją, tereikia jį padėti atokaitoje,“ sako jis. O kai prisireikia išlaisvinti šilumą, pridedamas katalizatorius. Efektyvi, kiaurus metus veikianti Saulės šilumos kaupimo sistema galėtų gerokai sumažinti emisijas.

Jei pasiseks, komercinę dirbtinę fotosintezę ir Saulės energijos kaupimo skysčius išvysime per artimiausius porą dešimtmečių. Be to, Atwateris įsivaizduoja tobuliausią energijos iš Saulės gavimą: FV baterijas kosmose (žr. „Orbitinės jėgainės“).

Kad ir kaip žaviai toks vystymasis atrodo, naudotis vien Saulės energija nepakanka. „Turime būti efektyvesni,“ teigia Chase. „Turime daugiau naudotis viešuoju transportu, dviračiais.“ Tačiau, kaip bebūtų, saulės energetikos augimas suteikia pagrindą atsargiam optimizmui. „Šios srities pažanga verčia mane pradėti manyti, kad tam tikrą išsivysčiusio pasaulio gyvenimo būdą galima išlaikyti, naudojant saulės energetiką,“ sako jis.

Komentarai (7)