Światło zamienione w prąd

Z prof. Janem Olchowikiem, dyrektorem Instytutu Fizyki Politechniki Lubelskiej, rozmawia Adam Kruczek

Fotowoltaika to dość tajemniczo brzmiące słowo, a baterie słoneczne bardziej się kojarzą z podbojem kosmosu niż świecącą w pokoju żarówką. Czy mógłby Pan Profesor sprowadzić to zjawisko bardziej na ziemię?
– Najprościej mówiąc, fotowoltaika to sposób uzyskania energii elektrycznej ze słońca. Służą do tego konwertery w postaci ogniwa i baterii słonecznych. Konwersja fotowoltaiczna wykorzystuje zjawisko zamiany energii optycznej na energię elektryczną, która – jak powszechnie wiadomo – jest najbardziej uniwersalną dla współczesnego człowieka formą energii, ponieważ można bez problemów uzyskać z niej np. światło, ciepło czy energię mechaniczną.
Fotowoltaika to również dział nauki zajmujący się konwersją energii promieniowania słonecznego na prąd elektryczny. Sam efekt fotowoltaiczny nie jest wynalazkiem ostatnich lat. Został zaobserwowany przez francuskiego fizyka Antoine”a C. Becquerela już w 1839 roku. Jednak praktyczne uznanie znalazł w związku z podbojem kosmosu.

Dlaczego okazał się przydatny w kosmosie, a nie na ziemi?
– Ziemia obfituje w inne źródła energii, natomiast satelity muszą przez długi czas przebywać w przestrzeni kosmicznej praktycznie odcięte od dostaw tradycyjnych surowców energetycznych. Stąd powstał problem zaopatrzenia ich na dłuższy czas w źródło energii. Na orbicie ponad atmosferą ziemską jest dostateczna ilość energii słonecznej, dlatego zasilanie satelitów już od kilkudziesięciu lat dokonuje się za pomocą baterii słonecznych wykorzystujących zjawisko konwersji fotowoltaicznej.

Jednak obecnie ta kosmiczna technologia znajduje zastosowanie na ziemi. Dlaczego?
– Większe zainteresowanie tego rodzaju energią nastąpiło w obliczu pojawiających się – na razie głównie z powodów geopolitycznych – okresowych braków czy ograniczeń tradycyjnych źródeł energii, takich jak ropa naftowa, gaz ziemny czy węgiel. Faktem jest również ograniczoność zasobów tych surowców, a także negatywne skutki dla środowiska wynikające z ich spalania. To wszystko zapoczątkowało energiczne poszukiwania rozwiązań alternatywnych mogących zabezpieczyć ludzkość w energię w dłuższej perspektywie. Sięgnięto wówczas między innymi do rozwiązań stosowanych dotąd w kosmosie.

Jak wygląda fotowoltaika od strony technicznej?
– Samo zjawisko jest stosunkowo proste i w nauce dobrze opisane. Oczywiście, technologia nie jest taka prosta, ale w zasadzie jest już rozwiązana. Fotowoltaika nie znajduje się obecnie w fazie odkryć, ale raczej w fazie rozwoju technologii, jej doskonalenia, upraszczania. Teraz chodzi o to, żeby zmniejszyć cenę konwertera, tak aby cena jednostkowa wata energii uzyskanej ze słońca była konkurencyjna z ceną energii wytwarzanej klasycznie. Jest to możliwe, ponieważ krzem jako materiał stosowany powszechnie w fotowoltaice do zamiany światła w prąd jest bardzo tani. Wiadomo, jest to składnik piasku, materiał zupełnie niestrategiczny, o nieograniczonym wprost dostępie. Z oczyszczonego i stopionego w temperaturze ok. 1400 st. C krzemu wytwarza się płaskie moduły, które poprzez ekspozycję na słońce zamieniają energię optyczną na prąd elektryczny.

Taka kosmiczna technologia musi sporo kosztować.

– Na początku rzeczywiście było to bardzo drogie, jak wszystko, co jest przeznaczone do celów specjalnych. Do dziś kwestia ceny stanowi istotną barierę dla upowszechnienia baterii słonecznych. Jednak jest to bariera w dużej mierze psychologiczna, a nie technologiczna. Surowca jest przecież pod dostatkiem, a technika wytwarzania opanowana. Brakuje tylko produkcji na skalę masową. Ponieważ jeszcze to nie nastąpiło, odbiorcy mają do czynienia z faktycznym monopolem i płynącymi stąd niedogodnościami, choćby takimi jak wysokie ceny. Niektóre instytucje wykorzystują monopol na produkcję konwerterów, stąd cena światowa jest jeszcze wysoka.

Ale światowe trendy w tej dziedzinie są obiecujące…

– Rzeczywiście, od kiedy świat dostrzegł widmo braku energii i potrzebę wytwarzania energii czystej, odnawialnej, zaczął się rozwijać przemysł fotowoltaiczny. Przede wszystkim pojawiło się więcej producentów i w efekcie cena baterii słonecznych zaczęła radykalnie spadać. W ciągu ostatnich kilkunastu lat spadła aż 10-krotnie!
Obecnie cena takiej energii jest ok. 2-3 razy wyższa niż energii pozyskiwanej ze spalania węgla czy ropy naftowej, a więc już nie 10-krotnie, jak było jeszcze nie tak dawno temu. Można przypuszczać, że za kilkanaście lat te ceny się zrównają. A warto też zauważyć, że cena energii wytworzonej ze światła słonecznego sprowadza się w zasadzie do kosztów wyprodukowania baterii słonecznej. Po zainstalowaniu nie potrzebuje praktycznie żadnej obsługi i dalszych nakładów. Nie istnieją też fizyczne ani chemiczne procesy, które by istotnie degradowały sam proces zamiany światła w prąd w konwerterze. Takie baterie w zasadzie nie „starzeją się” ani nie zużywają. Zachodzący w nich proces może trwać bardzo długo, trudno podać jakąś granicę czasową. Mówi się ostrożnie o 30 latach gwarancji żywotności, ale eksploatacja tych urządzeń trwa raptem kilkadziesiąt lat i na dobre nie wiemy jeszcze, jak długo będą one działały. Satelity wystrzelone w latach 60. ubiegłego stulecia jeszcze korzystają z energii produkowanej z tych ogniw.

Czy to wielki problem techniczny sprawić sobie taką domową elektrownię?
– Potrzeba trochę powierzchni dachowej od strony południowej, aby umieścić 20-30 m kw. takich urządzeń i w zasadzie jest to już powierzchnia dostateczna, aby być samowystarczalnym w energię elektryczną. Jest to inwestycja na pokolenia, gdyż dopóki baterii ktoś mechanicznie nie zniszczy, to energia będzie mogła być generowana przez dziesiątki lat.

Ale prąd płynie tylko wtedy, gdy na ogniwa pada światło słoneczne. Co się dzieje w nocy albo przy dużym zachmurzeniu?
– Aby zapewnić ciągłość dopływu energii elektrycznej, trzeba poszukiwać rozwiązań hybrydowych. Najczęściej system modułów słonecznych łączy się z systemem akumulatorów. Energia wytwarzana w ciągu dnia jest gromadzona w akumulatorach i w nocy może być oddawana. Innym rozwiązaniem jest podłączenie do sieci energetycznej. Gdy baterie słoneczne pracują, nadwyżkę oddają do sieci, a w nocy i przy zachmurzeniu odbiorcy przechodzą na zasilanie „ze słupa”. W przypadku obiektów trudno dostępnych, np. schronisk górskich czy boi nawigacyjnych, baterie słoneczne w połączeniu z akumulatorami stanowią zwykle jedyne źródło zapewniające ciągłość dostaw energii elektrycznej.

Brzmi to bardzo zachęcająco, dopóki nie usłyszy się ceny. A koszt instalacji baterii słonecznych do jednego domu, jak słyszałem, wynosi ok. 20 tys. dolarów.
– Rzeczywiście, tyle to obecnie kosztuje. Ale proszę zauważyć, że jest to koszt samochodu średniej klasy. Jednak sporo ludzi w Polsce kupuje te samochody, więc mogą się zastanowić nad montażem baterii słonecznych. Nie potrzeba do nich paliwa, są inwestycją na pokolenia, czego o samochodzie nie można powiedzieć.

Cena jest dziś jednak barierą nie do pokonania dla zwykłego Kowalskiego.
– Może przez jednego nie. Gdyby jednak Kowalski z Nowakiem i jeszcze kilkoma sąsiadami się porozumieli i połączyli wspólną autonomiczną siecią energetyczną tak, aby wykorzystywać całą energię wygenerowaną w konwerterze, to wtedy, jak wyliczyliśmy, rzeczywisty koszt inwestycji może się zwrócić po 5-7 latach. Ponadto po tym czasie korzysta się w zasadzie już z darmowej energii. I to przez dziesięciolecia!

Które państwa są najbardziej zaawansowane w rozwoju energetyki solarnej?

– Przoduje z pewnością Japonia, potem Stany Zjednoczone i dopiero Europa. W Europie bardzo zaawansowani są Niemcy. Jako pierwsi w Europie wprowadzili specjalne prawo energetyczne, które daje preferencje tej czystej energii. Posiadacze baterii słonecznych są traktowani jako producenci energii elektrycznej. Są podłączeni do sieci energetycznej, a wygenerowane nadwyżki elektryczności są od nich kupowane. Początkowo koncerny energetyczne miały obowiązek skupowania tej energii po cenie 3-4 razy wyższej niż obowiązująca. Niemcom chodziło o upowszechnienie energetyki solarnej, co im się w dużej mierze udało. Jednak niektórzy potraktowali to jako dochodowy biznes i teraz zmniejszono prawie o połowę tę preferencyjną taryfę. Ale i tak domowe wytwarzanie prądu z energii słonecznej jest nadal opłacalne. Bogatych Niemców na to stać, ale jest to preferencja bardzo racjonalna, która stymuluje rozwój energetyki alternatywnej. Warto, aby o podobnych rozwiązaniach pomyślał polski rząd.

Gdzie w Polsce możemy zetknąć się z energią solarną?

– Widać to zwłaszcza w infrastrukturze drogowej w postaci niektórych oświetleń, znaków, radarów, pomiarów kontroli prędkości. To wszystko jest już zasilane ze słońca. Tych urządzeń jest coraz więcej.

Ale wykształconego rynku na te produkty i usługi jeszcze chyba nie ma.

– Właśnie mamy nadzieję, że rozwinie się w ślad za pierwszą fabryką ogniw słonecznych w Polsce, jaka ma powstać już niedługo w Lublinie. Pojedyncze przedsiębiorstwa produkują już takie baterie w Czechach i na Węgrzech. Za dwa lata ma do nich dołączyć i nasz kraj.

Fabryka ogniw słonecznych w Lublinie to inwestycja wartości ok. 50 mln euro. Ma być realizowana przy pomocy specjalistów z Politechniki Lubelskiej…

– Cieszę się, że ktoś zauważył naszą uczelnię, grupę, którą mam zaszczyt kierować, i zwrócił się do nas o pomoc. Zawsze uważałem, że badania nad upowszechnieniem i zwiększeniem wydajności pracy konwerterów słonecznych mają ogromną przyszłość. Cieszę się, że te plany zaczynają się realizować jeszcze w czasie mojej aktywności zawodowej. Dysponujemy grupą naukowców, którzy potrafią to robić, więc wydaje mi się, że ten nasz potencjał doświadczalny może się przydać.

Politechnika Lubelska ma szersze plany związane z energią odnawialną.

– Rzeczywiście, ogłoszona w ubiegłym roku przez rząd inicjatywa powołania w Lublinie wielkiego centrum energetycznego oraz realne perspektywy budowy fabryki baterii słonecznych skłoniły nas do wyjścia z propozycją utworzenia kierunku studiów, który by kształcił inżynierów na te potrzeby. Dlatego już od nowego roku akademickiego będziemy przyjmować pierwszych studentów na kierunek fizyka techniczna o specjalności: konwersja energii odnawialnej, żeby przyszłemu przemysłowi tzw. zielonej energii dostarczyć profesjonalistów. Z pewnością nie będą narzekać na brak ofert pracy. Już za 6 lat każdy kraj Unii Europejskiej, w tym Polska, ma wytwarzać 12 proc. energii odnawialnej. Jest więc nad czym popracować.

Dziękuję za rozmowę.