Του Peter Diamandis*… Στα επόμενα 20 χρόνια, ανάμεσα στο 50% και το 100% της παγκόσμιας παραγωγής ενέργειας μπορεί να προέρχεται από την ηλιακή.
Σήμερα, η παγκόσμια βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου είναι επιχείρηση που ανέρχεται στα 4 τρισεκατομμύρια δολάρια. Πρόκειται για πολύ χρήμα, και στις Ηνωμένες Πολιτείες, το 67% του ηλεκτρισμού που παράχθηκε το 2015 προήλθε από ορυκτά καύσιμα (κάρβουνο, φυσικό αέριο και πετρέλαιο).
Αυτό πρόκειται να αλλάξει.
Είμαστε στα πρόθυρα μιας επανάστασης στην ηλιακή ενέργεια, όπου το κόστος των φωτοβολταϊκών θα μειωθεί, η αποτελεσματικότητα θα αυξηθεί δραματικά και τα κίνητρα για την ευρεία υιοθέτησή της θα είναι πειστικά.
Αυτό το άρθρο είναι το πρώτο από τα 2 μέρη του που σχετίζεται με τις συναρπαστικές εξελίξεις που συμβαίνουν στην ηλιακή ενέργεια.
Σήμερα, θα επικεντρωθούμε σε ένα υλικό που ανακαλύφθηκε πρόσφατα ονόματι περοβσκίτης, και τις τεράστιες συνέπειές του για την κοινωνία.
Η ηλιακή ενέργεια σήμερα: το γενικό πλαίσιο
Στη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, η πιο διαδεδομένη μορφή της ηλιακής ενέργειας έχει προέλθει από ένα υλικό που ονομάζεται πυρίτιο.
Η ηλιακή κυψέλη από πυρίτιο ανακαλύφθηκε το 1923.
Μετά από μερικά χρόνια, άρχιζαν να εμφανίζονται τα πρώτα εμπορικά φωτοβολταϊκά.
Δυστυχώς, αυτά τα πρώτα εμπορικά φωτοβολταϊκά ήταν πολύ ακριβότερα για τον μέσο καταναλωτή και ήταν, επίσης, σχετικά αναποτελεσματικά στην παραγωγή ενέργειας.
Στο πέρασμα των δεκαετιών, τα φωτοβολταϊκά από πυρίτιο έχουν γίνει όλο και πιο προσιτά στην τιμή και αποτελεσματικότερα, με τα περισσότερα από αυτά να είναι αποτελεσματικά κατά 14%-18% (μια αύξηση σε σχέση με το 6% του 1954), και με κόστος μόλις 3 δολάρια/watt (πολύ χαμηλότερα σε σχέση με το εκπληκτικό ποσό των 300 δολαρίων/watt το 1956).
Αν και η ηλιακή ενέργεια καταλαμβάνει αυτή τη στιγμή μόλις 0,4% του ηλεκτρισμού που παράγεται στις Ηνωμένες Πολιτείες, η παραγωγή ηλιακής ενέργειας αναμένεται να αυξηθεί σημαντικά κατά την επόμενη δεκαετία.
Η αγορά αυτή αναμένεται να αναπτυχθεί, εγχώρια, από 25% έως 50% φέτος, και οι παγκόσμιες εκτιμήσεις είναι γύρω στο 30%.
Η γραφική παράσταση από κάτω απεικονίζει πώς η παγκόσμια ανάπτυξη και οι δυνατότητες των φωτοβολταϊκών έχουν αυξηθεί με την πάροδο του χρόνου.
(λεζάντα: Τοπική Ανάπτυξη Φωτοβολταϊκών, Διεθνής Ενεργειακή Υπηρεσία)
Οι συνέπειες αυτής της ανάπτυξης είναι εκπληκτικές, τόσο σε οικονομικό όσο και περιβαλλοντικό επίπεδο.
Και για αυτούς που θέλουν να κάνουν τους υπολογισμούς, με 30% ετήσιο επίπεδο ανάπτυξης, τα πράγματα θα είναι κάπως έτσι: σε 5 χρόνια, πάμε από το 0,4% στο 1,5%. Σε 10 χρόνια, φτάνουμε στο 5,5%. Σε 15 χρόνια, θα είμαστε στο 20%, και σε 21 χρόνια θα φτάσουμε στο 98%.
Αλλά αυτό που είναι ακόμα πιο ενδιαφέρον είναι ένα νέο υλικό που είναι έτοιμο να αλλάξει τελείως το πρόσωπο της ηλιακής ενέργειας… και σε αυτό το σημείο, ας μπούμε στα βαθιά.
Τι είναι ο περοβσκίτης;
Στο φετινό συνέδριο Abundance 360, ο Jeff Carbeck, διευθυντής των Ανεπτυγμένων Υλικών στην Deloitte Consulting, μας έφερε σε επαφή με ένα απίστευτα συναρπαστικό υλικό που ονομάζεται περοβσκίτης.
Ο περοβσκίτης είναι ένας ελαφρός και ευαίσθητος κρύσταλλος που έχει τη δυνατότητα να γίνει αποτελεσματικότερος, φθηνότερος, και πιο ευέλικτος από όλες τις άλλες λύσεις για την ηλιακή ενέργεια που είναι διαθέσιμες ως σήμερα.
Τα τελευταία χρόνια, η αποτελεσματικότητα μετατροπής του περοβσκίτη έχει αυξηθεί δραματικά –από 4% σε σχεδόν 20%, καθιστώντας τον την ταχύτερα αναπτυσσόμενη τεχνολογία στην ιστορία των φωτοβολταϊκών.
Οι επιστήμονες άρχισαν να πειραματίζονται με τον περοβσκίτη το 2009, χρησιμοποιώντας τον ως βαφή για την απορρόφηση φωτός και τη δημιουργία φορτίων, τα οποία έπειτα μπορούσαν να αποσπαστούν και να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ενέργειας με έναν ημιαγωγό.
Το 2012, όμως, οι επιστήμονες αντιλήφθηκαν ότι ο ίδιος ο περοβσκίτης μπορούσε όντως να λειτουργήσει ως ημιαγωγός και άρχισαν να πειραματίζονται με αυτόν, χρησιμοποιώντας τον σε φωτοβολταϊκά.
Λόγω του τρόπου δημιουργίας του περοβσκίτη, τα φωτοβολταϊκά από περοβσκίτη έχουν αρκετά σημαντικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα σε σχέση με τα φωτοβολταϊκά από πυρίτιο.
Τα κυριότερα πλεονεκτήματα
- Κόστος: Τα συστατικά που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή περοβσκίτη είναι ευρέως διαδεδομένα και φτηνά στον συνδυασμό τους, καθώς μπορεί να παραχθεί σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες (περίπου 100 βαθμοί Κελσίου). Οι κυψέλες από πυρίτιο πρέπει να θερμανθούν σε υψηλές θερμοκρασίες (μπορεί και 900 βαθμούς Κελσίου) για να αφαιρεθούν οι ατέλειες, το οποίο αποτελεί μια ακριβή διαδικασία. Οι εκτιμήσεις δείχνουν ότι τα φωτοβολταϊκά από περοβσκίτη θα μπορούσαν να κοστίζουν μόλις 10-20 σεντς/watt, συγκριτικά με τα 75 σεντς/watt για τα παραδοσιακά φωτοβολταϊκά πυριτίου –περίπου 3 με 8 φορές μεγαλύτερη οικονομία- καθιστώντας τα φωτοβολταϊκά πολύ πιο προσιτά για τον μέσο καταναλωτή.
- Ευελιξία: Οι δεσμίδες περοβσκίτη έχουν μια λεπτή, ευέλικτη και ελαφριά δομή λόγω αυτής της επεξεργασίας, εν αντιθέσει με τις κυψέλες πυριτίου, οι οποίες τείνουν να είναι πυκνές, βαριές, και άκαμπτες. Χάρη σε αυτή την ευελιξία, ο περοβσκίτης θα μπορούσε θεωρητικά να τοποθετηθεί σε στέγες, παράθυρα, ή γενικότερα σε όποια επιφάνεια μπορεί να φανταστεί κανείς. Αυτή η ευελιξία είναι εκείνο το χαρακτηριστικό που θα επέτρεπε στην ηλιακή ενέργεια να φτάσει σε μια κλίμακα που τελικά θα εξαλείψει την εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα.
- Αποτελεσματικότητα: Όπως προαναφέρθηκε, η αποτελεσματικότητα μετατροπής του περοβσκίτη έχει αυξηθεί με εκπληκτικό ρυθμό τα τελευταία 5 χρόνια –από 4% σε σχεδόν 20%. Και αυτό είναι απλά η αρχή –το θεωρητικό όριο της αποτελεσματικότητας της μετατροπής του περοβσκίτη είναι περίπου 66%, εν συγκρίσει με το θεωρητικό όριο του πυριτίου που είναι 32%.
Τα κυριότερα μειονεκτήματα:
- Ασφάλεια: Ένα από τα δομικά στοιχεία του περοβσκίτη είναι ο μόλυβδος –ένα ιδιαίτερα τοξικό μέταλλο. Κατά συνέπεια, οι όποιοι ηλιακοί δίσκοι από περοβσκίτη θα πρέπει να υποβάλλονται σε εκτεταμένους ελέγχους για να επιβεβαιωθεί ότι ο μόλυβδος δεν θα αποτελούσε παράγοντα κινδύνου. Οι ερευνητές έχουν επισημάνει, όμως, ότι η ποσότητα του μολύβδου είναι σχετικά χαμηλή και θα είχε πολύ μικρή επίδραση στο περιβάλλον. Επίσης, δύο εργαστήρια έχουν καταφέρει να παραγάγουν κυψέλες περοβσκίτη χωρίς μόλυβδο αντικαθιστώντας τον μόλυβδο με κασσίτερο, ο οποίος θα μπορούσε να αφαιρέσει εντελώς τυχόν ανησυχίες.
- Ανθεκτικότητα: Πρόκειται για ένα ιδιαίτερα προβληματικό σημείο –ο περοβσκίτης φθίνει σε διάστημα ωρών όταν έρχεται σε επαφή με την υγρασία- εν αντιθέσει με τις κυψέλες που έχουν βάσει πυριτίου, οι οποίες φέρουν και 25ετή εγγύηση. Η νέα έρευνα, όμως, είναι πολλά υποσχόμενη. Ερευνητές έχουν δημιουργήσει νέα φωτοβολταϊκά από περοβσκίτη τα οποία, στην πραγματικότητα, αφαιρούν το στρώμα που έχει την τάση να φθίνει, δημιουργώντας ένα υλικό που έχει αποδειχτεί ότι αντέχει για τουλάχιστον 1.000 ώρες λειτουργίας (μετά από τις οποίες οι ερευνητές σταμάτησαν τις δοκιμές!).
Συνδυασμένα φωτοβολταϊκά
Μια ενδιαφέρουσα λύση είναι ο συνδυασμός του περοβσκίτη με άλλα υλικά για φωτοβολταϊκά ώστε να δημιουργήσουμε πιο αποτελεσματικά συστήματα.
Επιστήμονες στο Χονγκ Κονγκ ανέφεραν πρόσφατα ότι έχουν συνδυάσει με επιτυχία τον περοβσκίτη με το πυρίτιο για να δημιουργήσουν συνδυασμένα φωτοβολταϊκά με το μεγαλύτερο ποσοστό αποτελεσματικότητας που έχει αναφερθεί ποτέ -25,5%!
«Καθώς παρατηρούνται διαφορετικά μήκη κύματος για την ηλιακή ενέργεια, ένας συνδυασμός διαφορετικών υλικών για τη δημιουργία φωτοβολταϊκών θα ήταν πιο επιτυχημένος ως προς την απορρόφηση ενέργειας», σύμφωνα με ένα δελτίο τύπου του Πολυτεχνείου του Χονγκ Κονγκ.
«Για παράδειγμα, ο περοβσκίτης με μεθυλαμμώνιο τριαλογονίδιο του μολύβδου και οι ηλιακές κυψέλες από πυρίτιο μπορούν να φτιάξουν ένα ζεύγος που αλληλοσυμπληρώνεται. Με τις ηλιακές κυψέλες από περοβσκίτη να λειτουργούν ως το επάνω στρώμα, μπορούν να συγκεντρωθούν τα φωτόνια βραχέος μήκους κύματος ενώ το κάτω στρώμα, που έχει στρώση πυριτίου, είναι σχεδιασμένο να απορροφά τα φωτόνια μακρού μήκους κύματος».
Οι συνέπειες για την ηλιακή ενέργεια
Ο κόσμος είχε για πολλά χρόνια προσδοκίες για την ηλιακή ενέργεια, και φαίνεται ότι αυτές οι προσδοκίες είναι κοντά στην πραγματοποίησή τους.
Για άλλη μια φορά, υπάρχει τουλάχιστον 5.000 φορές παραπάνω ηλιακή ενέργεια που αγγίζει την επιφάνεια της γης από όση χρησιμοποιείται από το ανθρώπινο γένος σε έναν χρόνο.
Τα εμπόδια στην εμπορική ανάπτυξή της, όμως, είναι ακόμα σημαντικά.
Πολλοί επιχειρηματίες και επενδυτές είναι επιφυλακτικοί απέναντι στην ηλιακή ενέργεια μετά τις αποτυχίες που βίωσαν στις αρχές της δεκαετίας του 2010, όταν μια σειρά εταιρειών ηλιακής ενέργειας πήραν σημαντικά κεφάλαια πριν βάλουν λουκέτο.
Εν τούτοις, έχει παρατηρηθεί μια αναζωπύρωση πολλά υποσχόμενων νεοσύστατων εταιρειών που δημιουργούν βιώσιμες εμπορικά λύσεις για την ηλιακή ενέργεια –και πιστεύουμε ότι θα δούμε φωτοβολταϊκά από περοβσκίτη σύντομα, κατά το επόμενο έτος.
Νέες εξελίξεις συμβαίνουν κάθε μέρα, οι οποίες δείχνουν ένα μέλλον με άφθονη ενέργεια, άφθονο καθαρό νερό, και άφθονες δυνατότητες.
Αυτή είναι μια απίστευτα συναρπαστική εποχή για την επιστήμη των υλικών, και μια απίστευτα συναρπαστική εποχή για να ζούμε.
