Myslím, že to bude nakoniec slnečná energia, ktorá zabezpečí energiu pre celú planétu, hovorí ocenený vedec

Miroslav Zeman, ktorému prezidentka Zuzana Čaputová tento rok udelila štátne vyznamenanie, sa venuje výskumu fotovoltiky v Holandsku viac ako 30 rokov. Hovorí, že technológia, ktorú najskôr považoval za exotické hobby, dokáže dnes vyrobiť najlacnejšiu elektrinu.

Jeho snom je nainštalovať fotovoltické moduly na všetky povrchy, kde je to možné. „Často máme predstavu, že solárne moduly musia byť modré alebo čierne, ale už dnes sa vyrábajú moduly, ktoré viete zapasovať do fasády tak, že keď okolo nej prejdete, ani neviete, že vyrába elektrickú energiu.“

V rozhovore sa dozviete aj:

• ako sa dá využiť čo najviac energie prichádzajúcej zo Slnka;
• či dokáže solárna elektráreň vyrobiť toľko energie ako tá jadrová;
• prečo môže byť problém, že sa najviac solárnych článkov vyrába v Číne;
• ako sa Holandsku podarilo za pár rokov prejsť z plynu na obnoviteľné zdroje.

Tento článok si môžete prečítať vďaka ESET Science Award – oceneniu, ktoré podporuje výnimočnú vedu na Slovensku. 

S fotovoltikou sa väčšina z nás stretla, či už pri inštalovaní solárnych panelov na svoju strechu, alebo pri obzeraní striech v okolí. Ako by ste stručne vysvetlili princíp, na ktorom funguje?

Pre mňa je fotovoltika veľmi široká oblasť, ale ak sa rozprávame o fotovoltickom jave, tak ten premieňa svetlo na elektrickú energiu. A k tejto premene dochádza v solárnom článku.

Ako fotóny, ktoré prichádzajú zo Slnka, v solárnom článku zachytíme?

Solárny článok sa skladá z viacerých vrstvičiek. Tá najdôležitejšia je takzvaná aktívna vrstva, ktorá pohlcuje solárne žiarenie. Najčastejšie ňou býva kryštalický kremík.

Samotná však na úspech nestačí. Na to, aby sme získali vytvorené elektróny pre praktické použitie a napríklad nimi rozsvietili lampu, potrebujeme ďalšie podporné vrstvičky. Pretože tak, ako vieme zo svetla elektrické častice vygenerovať, pokiaľ rekombinujú (tzv. zánik párov – pozn. red.), môžeme ich aj stratiť. Tieto pomocné vrstvičky im v tom zabránia a zariadia, aby sa nabité častice presunuli k správnej elektróde.

Prvý fotovoltický článok s účinnosťou okolo 4 % sa vedcom podarilo vyvinúť pred takmer 70 rokmi. V súčasnosti sa táto účinnosť pohybuje na približne dvadsiatich percentách. Vďaka čomu sa násobne zväčšila?

Od tej 4-percentnej účinnosti solárneho článku sa urobilo neskutočne veľa krokov, ktoré zabezpečili, že vieme v aktívnej vrstve absorbovať viac a viac svetla. Ako som spomínal, keď chceme získať vysokoúčinný solárny článok, musíme dbať na to, aby sme absorpciu svetla maximalizovali, a zároveň sa snažiť zabrániť rekombinácii vygenerovaných elektrónov. Dnes dokážeme vyrobiť solárne články na báze kremíka, ktoré sa dokonca blížia k teoretickému limitu účinnosti premeny takéhoto článku. Ten je 29,4 %. V laboratóriu sú vyvinuté články s účinnosťou 26,8 %.

Vyššie sa nedá ísť?

Limit 30 % je len pre solárny článok, ktorý využíva jeden typ absorpčného materiálu. Napríklad kryštalický kremík. Ale sú aj iné materiály, ktoré sú schopné vstrebať inú časť slnečného spektra a premeniť ho na elektricky nabité nosiče. S účinnosťou teda môžeme ísť oveľa vyššie, ak na seba poukladáme viac solárnych článkov na báze rozličných materiálov.

Predmetom môjho výskumu sú práve inovácie v tenkých a viacvrstvových solárnych článkoch. Jedna oblasť výskumu sa týka vrstvičiek, ktoré pomáhajú zvýšiť pohltenie svetla, napríklad tým, že zabránia jeho odrazu od povrchu solárneho článku a rozptyľujú svetlo do aktívnej vrstvy. Druhá časť výskumu sa venuje solárnym článkom, ktoré majú rôzny absorpčný materiál. Predstavte si to ako lego modrej, zelenej, žltej a červenej farby. Modrá aktívna vrstva pohltí modré svetlo, zelená vrstva absorbuje zelené svetlo a tak ďalej. Keby sme vedeli naskladať solárne články na seba presne takto, tak účinnosť môže teoreticky dosiahnuť až 87 %.

Ako ďaleko od toho sme?

V laboratóriu napríklad vieme vyrobiť solárne články na báze zliatin špeciálneho polovodiča, ktoré po naukladaní na seba dosahujú vysoké účinnosti. Rekord v účinnosti takéhoto článku s piatimi rôznymi materiálmi je pri vysokej koncentrácii solárneho žiarenia 47 %.

Ako vlastne meriate účinnosť solárneho článku?

To je komplikovaná záležitosť. Predstavte si, že vyrobím v mojom laboratóriu solárny článok a chcem ho zmerať na parkovisku pred budovou. Ak vyjdem von a je slnečno, nameriam iné parametre, ako keď bude zamračené. A úplne iné budú, keď pôjdem s tým istým článkom do rovníkovej Afriky.

Takže aby sme účinnosť solárnych článkov mohli medzi sebou porovnávať, dohodli sme sa na presných podmienkach, pri ktorých ich budeme merať. Tie súvisia s určitým typom slnečného spektra, jeho dopadajúcim príkonom 1000 W/m² a teplote 25 stupňov Celzia. Tak vieme porovnať účinnosť premeny v solárnom článku, ktorý niekto vyrobí v Austrálii, Amerike či v Európe.

Aký bude podľa vás najbližší veľký prelom vo fotovoltických technológiách?

Jedným z nových trendov sú inteligentné solárne moduly. Napríklad mrakodrap má nesmierne veľký povrch, ktorý by sme vedeli využiť na výrobu elektrickej energie. Ale keď dáme články do fasád budov, treba rátať s tým, že Slnko sa po oblohe pohybuje a vytvára na povrchu budov tiene.

Keďže solárne články sú v moduloch zapojené v sérii, pokiaľ je jeden solárny článok zatienený a nedodáva elektrickú energiu, vyradí z prevádzky celý modul. Inteligentný modul by vedel rozlíšiť, na ktoré články svetlo dopadá a na ktoré nie. Podľa toho sa články prepoja tak, aby modul vždy dodával najvyšší výkon. Takýto modul momentálne vyvíjame v Holandsku.

Najväčším svetovým výrobcom fotovoltických panelov je momentálne Čína. Čo bráni tomu, aby sa ich produkcia preniesla o niečo viac aj do Európy?

Z môjho pohľadu nič. Sú to do veľkej miery politické rozhodnutia, ktoré umožnia spoľahlivé investície do fabrík vyrábajúcich solárne články a solárne moduly.

Takže to nemá nič s nerastným surovinami? Dá sa solárny článok vyrobiť viac-menej kdekoľvek?

V podstate áno, ak máte k dispozícii všetky potrebné materiály. Keď sa bavíme o solárnych článkoch na báze kryštalického kremíka, základ je vyrábať kremíkové plátky. Dôležité je mať prístup aj k materiálom, ako je striebro, ktoré sa používa na elektródy a indium, ktoré je súčasťou transparentných elektród. Solárny modul je, samozrejme, iba jedna časť celého fotovoltického systému. Potrebujeme k nemu aj takzvanú výkonovú elektroniku, čiže meniče prúdu, rôzne káble, konštrukcie pre inštaláciu a podobne. Najlepšie by bolo, keby sme v Európe mali fabriky na výrobu komponentov pre celý fotovoltický systém.

Plánuje sa niečo také?

Zatiaľ máme zopár fabrík na výrobu solárnych článkov v Európe, napríklad na Sicílii. Momentálne však prebieha viacero iniciatív, aby sa postavili fabriky v Nemecku, Francúzsku či Holandsku, takže uvidíme, ako to dopadne.

Jednou z hlavných výčitiek voči solárnym panelom je to, že zaberajú veľa miesta. Čo si o tom myslíte?

Na jednej strane je to pravda, lebo na produkciu dostatku elektriny potrebujeme veľkú plochu, no zároveň si myslím, že priestoru máme dosť a pri fotovoltických systémoch stále prevažujú ich benefity. Momentálne vieme solárne články vyrobiť veľmi lacno a v mnohých krajinách už solárne elektrárne dodávajú najlacnejšiu elektrickú energiu.

Vieme solárne panely efektívne recyklovať?

Je to veľká téma a veľa univerzít sa tomu venuje, lebo solárnych modulov budeme mať miliardy. Momentálne vieme v prípade kryštalického kremíka recyklovať veľkú časť modulu, ale chceme ho navrhnúť ešte lepšie, aby sme mohli recyklovať aj elektródy, do ktorých sa momentálne používa striebro. To začína byť kritickým materiálom. Zároveň sa snažíme vyvinúť články, v ktorých striebro buď nahradíme, alebo jeho použitie minimalizujeme. Ďalší kritický prvok je už spomínané indium. Kremík nie je problém, keďže je druhým najrozsiahlejším prvkom v zemskej kôre. Je to vlastne piesok.

Je problém, keď solárne články pokryje piesok, napríklad pri púštnej búrke?

Jasné, lebo potom do neho preniká menej svetla. Pri solárnych elektrárňach v púšťach je to veľký problém a prevádzkovatelia musia zabezpečiť pravidelné čistenie ich povrchu. V tom je napríklad výhoda Slovenska, ale aj Holandska. Ja sám mám nainštalovaný na streche fotovoltický systém a nemám s ním žiadnu starosť. Často prší, a tak je povrch solárneho modulu čistý.

Dokáže solárny článok zachytiť aj slnečné svetlo, ktoré je odrazené od Mesiaca, čiže takzvaný mesačný svit?

Dokáže, ale intenzita mesačného svitu je taká maličká, že z nej modul nevyrobí žiadnu elektrickú energiu.

Solárna energia je naším najväčším zdrojom energie. Prečo sa teda nedá vyhrať súboj o energetickú bezpečnosť iba s ňou?

Ja si práveže myslím, že to bude nakoniec slnečná energia a fotovoltika, ktorá zabezpečí energiu pre celú planétu. Lenže táto transformácia sa neudeje zo dňa na deň. Možno to bude storočie, možno dve a medzitým budeme budovať optimálny energetický mix primárnych energetických zdrojov. Ten bude závisieť od lokality. Kde je veľa vetra, treba využiť vietor. Kde je geotermálny zdroj, treba využiť čo najviac termálnu energiu. Čiže som zástanca optimálneho mixu primárnych energetických zdrojov.

Doplnili by ste solárnu energiu aj vodíkom alebo jadrom?

Keď sa rozprávame o primárnych energetických zdrojoch, tak ním vodík nie je. Ale v budúcnosti bude určite hrať dôležitú úlohu. Jedným z dôvodov je premenlivá dostupnosť solárnej energie. Napríklad cez deň máme hodiny, keď je jej veľmi veľa a vyrábame veľké množstvo elektrickej energie, ktorú v tom momente nevieme využiť. Tak ju môžeme použiť na výrobu vodíka. Takže táto kombinácia bude v budúcnosti určite veľmi dôležitá.

Jadrová energia je primárny zdroj energie, ktorý pri výrobe elektriny neznečisťuje emisiami ovzdušie. Ale možno ste zaregistrovali, že toto leto vo Francúzsku skoro všetky jadrové elektrárne vypli, pretože ich nedokázali chladiť. V čase, keď priemerná teplota našej planéty stúpa, môže chladenie jadrových elektrární predstavovať problém, ktorý budeme musieť riešiť. Napríklad výberom správnych lokalít pre nové jadrové elektrárne.

Oplatí sa mať veľké fotovoltické farmy, napríklad za polárnym kruhom, a využiť to, že prísun solárnej energie počas polárneho dňa dlho nekolíše?

Môže to byť jedna z možností. Problémom je, že za polárnym kruhom nežije veľa ľudí, ktorí by ju spotrebovali, a tak by ste vyrobenú elektrickú energiu museli prenášať. Jedna z najväčších krás fotovoltiky je v tom, že ju môžete nainštalovať priamo tam, kde elektrickú energiu z nej aj využívate.

Podľa Európskeho parlamentu bol podiel obnoviteľných zdrojov energie na spotrebe energie v Európskej únii v roku 2020 niečo vyše 22 %. Na Slovensku to pritom bolo len niečo viac ako 17 %. Čo je prekážkou toho, aby sa obnoviteľné zdroje presadzovali na Slovensku výraznejšie?

Ak si dobre pamätám, tak z tých 17 % tvorí výraznú časť vodná energia. Čiže solárna alebo veterná energia mala na Slovensku minimálny príspevok. Pre porovnanie, v Holandsku zaznamenala fotovoltika za posledné roky neuveriteľný nárast. Koncom roku 2021 bol v Holandsku nainštalovaný výkon 14 gigawattov (GW). Na Slovensku to bolo 0,5 GW, čiže skoro 30-krát menej. Pritom plocha Holandska je viac-menej rovnaká ako plocha na Slovensku. To ukazuje, že Slovensko je, čo sa týka fotovoltiky, veľmi pozadu.

Ale Holandsko podľa toho istého dokumentu v roku 2020 využívalo iba 14 % energie z obnoviteľných zdrojov, čiže menej ako Slovensko. Ako je možný taký rýchly obrat?

Dôvod je jednoduchý. Holandský energetický mix bol dlho založený na plyne, lebo ho krajina mala k dispozícii. No rôzne vplyvy, od klimatických zmien až po geopolitické napätie, prinútili aj Holandsko, aby sa zaoberalo využitím obnoviteľných zdrojov energie. V roku 2019 holandská vláda prijala klimatický dohovor, kde si jednoznačne dala za úlohu veľké využitie obnoviteľných zdrojov energie.

V roku 2021 sa obnoviteľné zdroje energie podieľali na výrobe elektrickej energie 25 percentami. V Holandsku prebieha veľký boom nielen v inštalácii fotovoltických systémov, ale aj veterných parkov, hlavne na mori. V súčasnosti je to aj krajina, ktorá je v Európe na prvom mieste, čo sa týka inštalovaného fotovoltického výkonu na hlavu obyvateľa. A druhá na svete.

Čo by teda mohlo zvýšiť používanie obnoviteľných zdrojov na Slovensku?

To, čo v Holandsku, čiže politické stimuly. Holandská vláda sa v spomínanom roku 2019 zaviazala zákonom aj k tomu, že v roku 2030 musí pochádzať až 80 % elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov. Keď sa na Slovensku rozprávam so známymi, sledujem pretrvávajúci názor, že táto technológia je drahá. Ľudia majú často pocit, že návratnosť ich investície je dlhšia ako životnosť solárnych modulov, no nie je to tak. Takže na Slovensku treba podporiť aj lepšie povedomie o fotovoltike.

Čo si má človek pri kúpe panelu všimnúť, aby si nekúpil technológiu, ktorá bude už o pár rokov zastaraná?

V súčasnosti je pri výrobe solárnych článkov dominantná technológia na báze kryštalického kremíka. Takže tu sa človek nemôže pomýliť. Napriek tomu by som sa vždy pozrel na reputáciu firmy, ktorá ho vyrobila, a skontroloval jeho parametre. V súčasnosti sa už 20-percentná účinnosť modulov považuje za štandard.

Obnoviteľnej energii sa venujete od roku 1989. Ako sa odvtedy zmenil pohľad na fotovoltiku?

Keď som sa začínal zaoberať materiálmi využiteľnými v solárnych článkoch, bolo to pre mňa skôr exotické hobby. V živote by mi vtedy nenapadlo, že by sme solárny článok mohli využiť v praxi. Až približne po dekáde som začal cítiť, že tam nejaká možnosť praktického využitia bude a dnes je to technológia, ktorá dodáva najlacnejšiu elektrinu.

Aj cena solárnych modulov bola pred rokmi úplne inde. Za približne 40 rokov sa znížila stonásobne. Čo sa týka účinnosti, v čase, keď som začínal, mal solárny článok s kryštalickým kremíkom účinnosť okolo 10 až 12 %. Teraz dokážeme vyrobiť solárne články na báze kryštalického kremíka s účinnosťou skoro 27 %. Je to ozaj neuveriteľný pokrok.

Nejde však len o technické parametre. Aj verejnosť si začína uvedomovať, že solárna energia je náš najväčší primárny energetický zdroj. Na študentoch vidím, že mladí ľudia majú veľký záujem čo najviac minimalizovať klimatické zmeny na planéte – aj inováciami v energetike.

Tento rok ste dostali od prezidentky Zuzany Čaputovej štátne vyznamenanie. Akú váhu má takéto vyznamenanie pre človeka, ktorý dlhodobo žije a pôsobí v zahraničí?

Bolo to pre mňa veľké prekvapenie a pocta. Momentálne sme vo fáze energetickej transformácie a myslím, že je to prejav uznania aj pre mnohých ďalších ľudí, ktorí prispievajú k vývoju udržateľného energetického systému pre budúcnosť.

Spolupracujete nejako so slovenskými vedcami?

Áno, veď som vyštudoval na Technickej univerzite v Bratislave. Spolupracujem aj so Slovenskou akadémiou vied, takže moje väzby so slovenskými vedcami pretrvávajú.

Aký prelom alebo akú inováciu by ste chceli v solárnej energetike zažiť?

Mojím snom je nainštalovať fotovoltické moduly na každý povrch, kde sa to dá. Často máme predstavu, že solárne moduly musia byť modré alebo čierne, ale už dnes sa vyrábajú moduly, ktoré sa dajú zapasovať do fasády tak, že keď okolo nej prejdete, ani neviete, že vyrába elektrickú energiu.

Vrátim sa ešte k Holandsku, kde sa za posledné dva či tri roky ročne nainštalovali fotovoltické systémy s výkonom medzi 3 až 4 gigawattov. V Holandsku vyrobia fotovoltické systémy s týmto výkonom počas jedného roka toľko elektrickej energie ako jediná holandská jadrová elektráreň za rok. Čiže je to, ako keby sme za jeden rok v Holandsku postavili „jadrovú elektráreň“, ibaže sú to fotovoltické moduly. Zoberte si, že na celom svete prostredníctvom fotovoltiky staviame teraz okolo 50 ekvivalentov jadrových elektrární, pričom plán je, že ich budeme inštalovať oveľa viac a budú ešte výkonnejšie.

Je niečo, čo by mohlo takéto plány zmariť?

Problémom môže byť práve to, že momentálne je najväčším výrobcom solárnych modulov Čína. Keď sa vzťahy s Čínou zhoršia a v Európe alebo v USA nepostavíme dostatočný počet fabrík, ktoré budú solárne články a moduly vyrábať, tak to bude problém.