Perovskitul – viitorul pentru panourile solare super-ieftine și eficiente

Suntem în plină revoluție a energiilor regenerabile, iar panourile solare pe bază de silicon sunt tehnologia de bază în acest moment. Se pare, însă, că un nou material, perovskitul, are șansa să schimbe fundamental industria panourilor solare, care ar putea deveni cu mult mai ieftine și mai eficiente. Despre ce este vorba, aflăm în continuare.

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 0

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 5Mineralul perovskit este un oxid de calciu și titan (CaTiO3), fiind descoperit încă din 1830 de către geologul Gustav Rose. Acesta a numit mineralul după contele Lev Aleksevici von Perovski, om de știință și politician rus despre care, mai în glumă, mai în serios, se considera că are cam aceleași caracteristici de duritate precum perovskitul.

Principial, perovskitul nu este la fel de comun precum siliciul, dar are marele avantaj că procesele de producție necesare pentru fabricarea celulelor fotovoltaice sunt mai simple, mai ieftine și mai eficiente. În plus, perovskitul permite o flexibilitate mult mai mare a aplicațiilor fotovoltaice decât actuala tehnologie bazată pe siliciu.

Tehnologia panourilor pe bază de silicon își atinge rapid limitele

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 15În cazul panourilor fotovoltaice cu silicon monocristalin sau policristalin, procesele de fabricație presupun temperaturi mari, de peste 800 de grade celsius. Apoi se utilizează și alte materiale scumpe și rare (precum galiul sau arseniul) pentru creșterea eficienței. După care, pentru a proteja celulele, e nevoie de o structură din sticlă și metal, rezultând un panou foarte limitat din punct de vedere al designului, cu o masă mare raportat la eficiență.

Rezumând, pentru producerea panourilor fotovoltaice se consumă destul de multă energie și materiale cu un preț deloc mic. Atât din punct de vedere financiar, cât și din punct de vedere al afectării mediului înconjurător (în principal din cauza proceselor miniere pentru obținerea materialelor rare).

În teorie, panourile fotovoltaice pe bază de silicon pot atinge o eficiență maximă de 30%. În realitate, însă, în condiții speciale de laborator se ajunge la circa 20%, iar în practică, fie că vorbim de ”ferme solare” sau de soluții rezidențiale, nu se depășește o eficiență maximă de 15%, cea medie învârtindu-se pe la 12-13%.

În ce privește prețurile pentru panourile fotovoltaice, acestea au coborât extrem de mult față de acum câteva decenii. Dacă în 1977 vorbeam de un preț de 76,67 USD/watt, în 2015 s-a ajuns la aproape 0,5 USD/watt – deci în 38 de ani prețul panourilor fotovoltaice a scăzut de 100 de ori.

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 1

Pare extraordinar, nu? Și este – dacă ne raportăm la industria carburanților fosili și nu luăm în seamă subvențiile acordate industriei panourilor fotovoltaice. Totuși, trebuie remarcat că scăderea accentuată a costurilor ține mai mult de scăderea costurilor materialelor datorită utilizării pe scară largă, a automatizării proceselor și a procesării mai eficiente.

După cum se observă și în graficul de mai sus, curba costurilor este foarte accentuată la începutul perioadei, dar acum tinde să se aplatizeze. Deci costurile din industria panourilor fotovoltaice bazate pe tehnologia cu silicon vor scădea insignifiant în viitor. Ceea ce este de rău augur, pentru că și subvențiile vor fi eliminate mai devreme sau mai târziu.

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 6Și din punct de vedere tehnologic se ating rapid niște limite ale panourilor fotovoltaice. Eficiența poate fi crescută doar în cazul concentratoarelor de lumină, dar acestea necesită costuri mult mai mari și o proiectare mult mai minuțioasă. Chestiuni care, din păcate, împiedică sau întârzie foarte mult popularizarea acestei tehnologii.

Apoi intervin costurile pentru montajul și întreținerea instalațiilor solare, care pot fi și de patru ori mai mari decât prețul panourilor. Principalul motiv ține de limitările de formă și montaj ale panourilor, deci, oricât de ieftine ar deveni acestea, per ansamblu instalațiile ar rămâne relativ scumpe.

În prima jumătate a lui 2015, Asociația Germană a Industriei Solare estimează că, pe plan mondial, au fost puse în funcțiune capacități solare cu o capacitate totală de 22 GW, iar până la sfârșitul lui 2015 se va ajunge la valoarea de 50 GW. Ceea ce sună destul de bine, mai ales dacă ne gândim că, până la finalul lui 2014 în întreaga lume erau instalate capacități solare de 178 GW. Iar până în 2020 valoarea se estimează că va ajunge la 400 GW, deci mai mult decât dublu.

Din păcate, în 2020 se estimează că necesarul de energie pe plan mondial va fi de aproape 25.000 GWh. Deci rata de dezvoltare a proiectelor solare este, de fapt, prea mică față de necesitățile reale, de a înlocui sursele poluante, bazate pe combustibilii fosili. Iar principalul impediment îl reprezintă tehnologia actuală, a panourilor fotovoltaice bazate pe silicon.

Avantajele panourilor solare bazate pe perovskit

1. Aplicații mai diversificate

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 7În primul rând, perovskitul necesită procese mai simple pentru procesare și realizarea de celule fotovoltaice. Față de siliciu, temperaturile pentru prelucarea perovskitului sunt mult mai mici, iar celulele sunt mult mai flexibile, ceea ce permite realizarea unor forme diverse, ba chiar plasarea acestor celule pe folii subțiri.

Deci se diversifică mult aplicațiile pentru utilizarea acestor celule fotovoltaice bazate pe perovskit: de la folii montate pe pereții clădirilor, caroseriile mașinilor sau chiar hainele oamenilor până la folii transparente lipite de geamuri sau integrate în displayurile dispozitivelor electronice.

Adică vorbim de o mare ușurință de montare și o varietate mult mai mare a locurilor unde pot fi plasate ”panourile” fotovoltaice pe bază de perovskit. Ceea ce ar putea fi hotărâtor pentru generalizarea mult mai rapidă a aplicațiilor solare, din moment ce și costurile de montaj și mentenanță vor deveni o fracție față de acum.

2. Utilizarea întregului spectru solar

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 8În al doilea rând, celulele fotovoltaice pe bază de perovskit pot fi create pentru a transforma în energie electrică diverse lungimi de undă ale luminii solare. O celulă cu mai multe straturi, fiecare gândit pentru câte un tip de lumină, poate lejer să ofere o eficiență de 40%.

Mai mult, aplicarea unei folii de celule fotovoltaice cu perovskit peste panourile actuale pe bază de siliciu le poate crește acestora eficiența chiar și până la 30% (deci de aproape trei ori mai mult!). Ceea ce presupune investiții minime, cu o rentabilitate foarte mare.

3. Eficiență crescută

În condiții de laborator, s-a ajuns la o eficiență a celulelor fotovoltaice pe bază de perovskit de 20,1% – adică o creștere de 5 ori în numai 3 ani. Prin comparație, celulele fotovoltaice pe bază de silicon s-au plafonat la o eficiență maximă de 25% (în condiții de laborator) după 25 de ani.

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 2

Este adevărat, vorbim de o eficiență obținută în condiții de laborator, pe perioade de numai câteva secunde, testând celule cu suprafețe de numai câțiva milimetri pătrați. Însă, recent, cercetătorii de la National Institute for Materials Science au obținut o eficiență de 15% pentru o celulă fotovoltaică având suprafața mai mare de 1 cm pătrat. Ceea ce deja reprezintă un mic pas în direcția aplicațiilor practice.

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 9Marele pas îl face, însă, compania australiană Dyesol, care a semnat un acord de cooperare cu Banca de Dezvoltare a Turciei pentru construcția unei fabrici de panouri fotovoltaice pe bază de perovskit.

Pentru început, va fi pusă la punct o facilitate pentru crearea și testarea prototipurilor. După care, în 2016, va fi creată o linie-pilot de producție, urmând ca în 2018 să înceapă producția în serie mare a panourilor care utilizează tehnologia cu perovskit, într-o uzină cu o capacitate totală de 600 MW, care va avea 2.500 de angajați.

4. Folosirea plumbului reciclat

Mai apare un avantaj interesant al celulelor fotovoltaice pe bază de perovskit. În principiu, poate părea un factor negativ faptul că e necesară utilizarea plumbului în componența celulelor. Plumbul este foarte poluant ajuns în mediul înconjurător – de aceea a fost eliminat din benzină, iar bateriile cu plumb nu trebuie aruncate la gunoi, ci duse la un centru de reciclare.

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 10Ei bine, ”reciclare” este chiar cuvântul magic de care aveam nevoie. De ce? Pentru că, în mod inspirat, celulele fotovoltaice pe bază de perovskit pot utiliza fără probleme plumbul deja existent. Cam cât plumb credeți că există deja în lume? Să facem un mic calcul.

O baterie obișnuită, de 60 Ah, cântărește aproape 15 kg, din care aproape jumătate reprezintă masa plumbului – deci în jur de 7-8 kg. În lume circulă aproape 2 miliarde de vehicule care utilizează baterii cu plumb (chiar și mașinile electrice folosesc astfel de baterii pentru circuitul de 12V), deci vorbim de un potențial de 14 milioane de tone – doar din sectorul transporturilor.

Dacă această cantitate de plumb, care poate fi obținută din reciclarea bateriilor (odată cu înlocuirea lor cu noile baterii litiu-ion sau cu alte materiale, mai puțin sau chiar non-poluante), vi se pare mică, greșiți. Conform cercetătorilor de la MIT, plumbul extras dintr-o baterie auto poate fi utilizat pentru panouri fotovoltaice pe bază de perovskit care să alimenteze cu energie electrică 30 de case.

Deci, în teorie, plumbul provenit din reciclarea unei baterii auto ar fi suficient pentru a crea panouri fotovoltaice pe bază de perovskit cu o suprafață cumulată de circa 700 de metri pătrați. Adică reciclarea tuturor bateriilor auto cu plumb (la care, oricum, se va renunța în câțiva ani) ar asigura producerea a 1,4 milioane de kilometri pătrați de astfel de panouri. Cam 0,4% din suprafața uscatului pe Terra, deci suficient pentru a asigura producția de panouri solare cu perovskit timp de câteva decenii…

Dezavantajele și impedimentele panourilor solare cu perovskit

1. Probleme chimice și fizice

Pe de o parte, perovskitul nu este suficient de stabil, proprietățile sale semiconductoare nefiind constante. Ceea ce presupune găsirea unor soluții pentru obținerea unui nivel cât mai scăzut de impurități. Soluții care sunt mai mult sau mai puțin viabile din punct de vedere comercial.

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 11Pe de altă parte, perovskitul este sensibil la umezeală, așa încât celulele fotovoltaice trebuie izolate și protejate foarte bine, dat fiind că vor fi expuse vicisitudinilor vremii. Deocamdată, este o provocare foarte mare, din moment ce aceste celule sunt extrem de subțiri (de ordinul micronilor).

Nu în ultimul rând, faptul că o celulă solară cu perovskit necesită în componență și plumb ridică problema riscului toxicității. Deci este necesară o izolație cât mai bună, pentru ca plumbul să nu ajungă în mediul înconjurător – lucru valabil în special la deteriorarea celulei.

Mai intervine un aspect: încă nu a fost testată suficient durabilitatea celulelor fotovoltaice pe bază de perovskit. Panourile convenționale, pe bază de silicon, sunt garantate circa 25 de ani, în medie, iar unele durează chiar și peste 30 de ani. În schimb, cercetările în domeniul celulelor cu perovskit sunt recente, așa încât nu sunt suficiente date concrete privind fiabilitatea lor.

2. Lipsa fondurilor pentru cercetarea intensivă

Trecând peste impedimentele de ordin tehnologic, mai intervin și bariere de altă natură. În primul rând, este vorba despre modelul de business aplicat în industria solară. Cei mai mulți bani sunt investiți în tehnologiile deja testate și care și-au dovedit viabilitatea. În timp ce acele tehnologii ”tinere”, care ar putea avea un potențial superior, dar necesită o muncă asiduă de cercetare, nu beneficiază de suficient sprijin.

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 12 (2)Așa încât, spre finalul lui 2010, piața solară a început să fie dominată de câteva mari companii, axate pe producerea de panouri solare pe bază de siliciu, mai mult sau mai puțin eficiente. Problema a venit din partea Chinei, care a ”inundat” piața cu panouri extrem de ieftine (dar și de o calitate îndoielnică). Lucru care a făcut concurența să se concentreze pe scăderea costurilor de fabricație, nicidecum pe investițiile serioase în inovație.

Este pur și simplu efectul ”modei” din lumea modernă capitalistă, în care accentul se pune pe creșterea marjei de profit. Care se obține prin creșterea rapidă a volumelor, în paralel cu scăderea costurilor – ceea ce, din păcate, are ca efect și o scădere a calității, deci, în cazul panourilor fotovoltaice, o scădere a eficienței și durabilității acestora.

3. Bucla de feedback negativă

Acest lucru înseamnă că, pe măsură ce prețul energiei solare scade, scad și marjele de profit, deci firmele nu mai sunt motivate să investească în noi facilități. Deocamdată, subvențiile guvernamentale rezolvă această problemă, dar, odată cu eliminarea lor, afacerile din domeniul solar își vor pierde atractivitatea pentru investitori.

4. Stocarea energiei

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 3Producerea energiei electrice din surse solare trebuie dublată de soluții de stocare a acestei energii, pentru momentele când panourile nu produc energie (fie că e noapte, fie că soarele e ascuns de nori). Deci e necesar un ”buffer” pentru a elimina intermitențele producerii energiei.

Până când stocarea pe bază de baterii sau de alte soluții nepoluante va lua amploare, autoritățile apelează la centrale termice. Deci mai multe instalații solare duc la creșterea necesității de stocare, adică la folosirea mai multor termocentrale sau generatoare alimentate cu gaz natural. Deci, de fapt, nu se reduce poluarea.

5. Accelerarea inovației

Deși poate părea un nonsens, modelul de business actual pe care se bazează investitorii și companiile nu favorizează un ritm alert al inovației. Cu toate că, principial, este de dorit să beneficiem de o tehnologie din ce în ce mai bună, mai eficientă, mai accesibilă, mai nepoluantă, în condițiile de acum acest lucru nu este posibil decât după o anumită perioadă de timp.

Pentru a aduce pe piață un anumit produs sau tehnologie, trebuie parcurse mai multe etape, fiecare cu gradul ei de risc.

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 4

Faza de cercetare este cea mai importantă, deoarece aici pot fi puse în aplicare ideile inovative, în condiții de laborator. Din păcate, criza economică a făcut cea mai mare parte a companiilor și guvernelor să reducă investițiile în acest domeniu.

Apoi vorbim de prima ”vale a morții” – faza de prototip a produsului sau tehnologiei, care presupune costuri mari de testare. Odată confirmate calitățile și rezolvate principalele probleme ale produsului sau tehnologiei, se trece în faza de pilot, unde, de regulă, banii sunt asigurați de investitori doar dacă aceștia sunt convinși de viabilitatea proiectului.

După care intervine a doua ”vale a morții” – faza de producție în vederea comecializării. Din nou, vorbim de costuri uriașe pentru producția de serie, pe care și le pot asuma doar marile companii. În timp ce micile companii trebuie să se bazeze fie pe investitori strategici, fie pe parteneriate cu bănci (de multe ori foarte restrictive), fie pe suport guvernamental.

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 13În ultimul caz există un exemplu negativ, în care guvernul american a asigurat un împrumut de circa o jumătate de miliard de dolari (!) companiei Solyndra, pentru conceperea și construcția de panouri fotovoltaice eficiente, la prețuri competitive.

Solyndra a intrat foarte rapid în faliment, principalul motiv fiind că banii nu au fost folosiți pentru a dezvolta tehnologii noi, disruptive, ci pentru aplicarea la scară largă a unora deja mature, care, din cauza evoluției galopante a tehnologiei, au devenit rapid îmbătrânite și necompetitive.

Conform cercetătorului și analistului Varun Sivaram, suma respectivă ar fi trebuit divizată în împrumuturi de maximum 50-100 de milioane USD, atribuite pentru cercetarea unor soluții diverse, atât pentru diminuarea riscurilor, cât și pentru creșterea șanselor de a găsi o tehnologie viabilă.

Altfel, rămânem într-o situație în care pariurile celor care au puterea financiară se pun exclusiv pe o tehnologie care îmbătrânește rapid, iar noile tehnologii, care au un potențial mult mai mare, rămân nebăgate în seamă ori sunt tergiversate investițiile în acestea.

6. Timpul pentru recuperarea investiției

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 13Perioada necesară recuperării investiției crește odată cu dimensiunea investiției. O companie care a construit o fabrică mare pentru panouri fotovoltaice va avea nevoie de ani buni de zile pentru a obține profit din vânzare. Iar, dacă între timp piața și concurența dictează scăderea prețurilor, perioada de amortizare se va prelungi, în paralel cu întârzierea investițiilor în noi tehnologii.

Cu alte cuvinte, domeniul panourilor fotovoltaice funcționează și el pe cunoscutul principiu ”business as usual”, care presupune existența unui monopol în aproape orice sector al industriei actuale. Ceea ce înseamnă că dominația tehnologiei panourilor solare pe bază de siliciu nu poate fi întreruptă decât prin intervenții foarte riscante, fie ale guvernelor, fie ale investitorilor privați.

CONCLUZIE

panouri fotovoltaice perovskit - ecoprofit 14În principiu, tehnologia bazată pe perovskit este considerată de mulți dintre cercetătorii din domeniul panourilor fotovoltaice drept cea mai mare descoperire din ultimii 60 de ani (de când se poate vorbi de existența acestui domeniu). Însă potențialul ei uriaș rămâne, deocamdată, blocat la nivelul recordurilor de laborator.

Pe lângă problemele prezentate mai sus, mai intervine și un anumit comportament al cercetătorilor. Aceștia sunt mult prea orientați spre obținerea unor rezultate în laborator, care le aduc rapid recunoașterea pe plan mondial, dar și fonduri pentru laboratoarele de cercetare.

Din păcate, cei mai mulți dintre cercetători au devenit prea puțin interesați de aplicabilitatea în condiții reale a tehnologiilor pe care le testează în laborator, scăpând din vedere chiar scopul final al muncii lor: acela de a oferi societății soluții cât mai bune pentru probleme ori pentru îmbunătățirea vieții.

Momentan, un lucru devine din ce în ce mai clar: pentru a diminua cât mai mult efectele încălzirii globale, este nevoie de o reducere cât mai rapidă a poluării. Iar înlocuirea combustibililor fosili cu surse regenerabile nu se face suficient de rapid, în primul rând din cauza factorilor de decizie prea legați (încă) de interesele industriei poluante.

Totuși, discuțiile pe care le naște perovskitul sunt din ce în ce mai aprinse și se îndreaptă spre schimbarea paradigmei consumeriste pe care se bazează societatea actuală. Dacă vrem o societate sustenabilă, nu avem altă soluție: trebuie sacrificat consumerismul și tot ceea ce implică acesta. Iar eforturile să le îndreptăm realmente spre sprijinirea soluțiilor care ne vor ajuta să evoluăm. Panourile fotovoltaice bazate pe perovskit sunt un bun exemplu că această schimbare e necesară.