Najväčším zdrojom energie je bezpochyby Slnko. V súčasnosti však stále existuje veľká medzera medzi globálnou spotrebou energie (priemerne 16 TW v roku 2010 [1 – 2]) a nevyužitým potenciálom Slnka, hlavne kvôli nedostatočným možnostiam skladovať slnečnú energiu. Vodík má skvelé vyhliadky plniť požiadavky udržateľného a uhlíkovo neutrálneho energetického média alebo paliva. Na túto tému sme sa porozprávali s fyzikom Petrom Čendulom pri príležitosti vytvorenia výskumnej skupiny na Inštitúte Aurela Stodolu v Liptovskom Mikuláši, Elektrotechnologická fakulta, Žilinská univerzita v Žiline v rámci Podpornej schémy na návrat odborníkov zo zahraničia [3].
S. CIGÁŇOVÁ: Čo bolo vašim prvotným motívom venovať sa problematike solárnej energie?
P. ČENDULA: V rámci mojej doktorandskej práce na Leibnitzovom Inštitúte pre výskum pevných látok v Drážďanoch (Nemecko) som sa venoval problematike nanomateriálov a nanoelektroniky a pre tzv. PostDoc som si chcel rozšíriť obzory o inú problematiku. Ako veľmi fascinujúca a perspektívna ma priťahovala oblasť solárnych článkov a obnoviteľných zdrojov energie (OZE), takže ponuka práce na projekte solárnych článkov pre výrobu vodíka na univerzite ZHAW vo Švajčiarsku ma veľmi oslovila. Napriek tomu, že Slnko nám dodáva mnohonásobne viac energie ako ľudstvo spotrebúva, je tento zdroj energie len veľmi málo využívaný.
S. C.: Prečo je stále veľká medzera medzi reálnym využívaním Slnka ako zdroja energie a jeho skutočným potenciálom?
P. ČENDULA: Existujú ekonomické, politické a technické dôvody a všetky sú navzájom úzko spojené. Preto sú aj praktické zmeny v tejto oblasti citeľné omnoho pomalšie (za desiatky rokov) v porovnaní so zmenami v oblasti internetu alebo IT (za pár rokov). Z hľadiska technického je zatiaľ problém s uložením veľkého množstva solárnej energie medzi dňom a nocou alebo letom a zimou. Znamená to, že keď svieti slnko, musíme si časť vyrobenej energie uložiť na neskôr, keď energiu budeme potrebovať, ale Slnko svietiť nebude. Môžete si kúpiť batérie pre elektroniku, domácnosti a elektromobily, ale veľkokapacitné batérie alebo iné úložiská energie zatiaľ na trhu absentujú. S touto problematikou sa ľudstvo začalo intenzívne zaoberať len nedávno s rozmachom OZE. V rozvinutých krajinách bola vybudovaná elektrizačná sústava relatívne dávno s veľkými nákladmi za účelom centralizovanej distribúcie energie z elektrární ku spotrebiteľom. Denné a ročné kolísanie spotreby elektrickej energie je pokryté variabilnou produkciou na strane elektrární – veľkokapacitné ukladanie energie nebolo potrebné. Avšak decentralizovaná produkcia OZE vyžaduje inú technológiu elektrizačnej sústavy, ktorá umožní väčšine doterajších spotrebiteľov stať sa zároveň jej producentmi. Preto sa distribučné závody stále bránia zapájaniu OZE do elektrizačnej sústavy – spôsobuje im to technické prenosové problémy, na ktoré elektrizačná sústava nebolo stavaná a je potrebné do jej prestavby investovať. Čiastkovým riešením tohto problému sú úložiská energie u spotrebiteľov, aby si každý z nich bol schopný pokryť výkyvy medzi vlastnou produkciou a spotrebou. V chudobných rozvojových krajinách, kde elektrizačná sústava nebola vybudovaná, sa slnečná energia využíva veľmi rýchlo a je aj veľmi lacná v porovnaní s inými zdrojmi energie, lebo neexistujú iní lokálni dodávatelia energie (India, Indonézia a ďalšie krajiny…).
S. C.: Vysvetlite prosím, akým spôsobom môže vodík H2 získaný zo Slnka fungovať ako palivo?
P. ČENDULA: Najjednoduchšia odpoveď na túto otázku je, ak si vodík predstavíme ako alternatívu k fosílnemu palivu, k rope. Ropa sa dá využívať mnohými spôsobmi: v doprave ako palivo, na výrobu plastov, je to základná komodita, ktorá prechádza rôznymi priemyselnými sektormi; jej formy sa menia, využíva sa na rôzne účely. Aj vodík sa dá používať rôzne, ako palivo pre palivový článok, môžeme ho premeniť na ďalšie uhľovodíky (tzv. obnoviteľné palivá), môžu sa vyrobiť plasty a iné komodity. Ak si zoberieme palivový článok na vodík, jeho najväčšia výhoda je v tom, že na rozdiel od spaľovacieho motora neprodukuje žiadne emisie (prvé autá sa už predávajú [4]) . Ten názov trocha mätie, no v palivovom článku neprebieha spaľovanie. Vodík sa chemickou reakciou za účasti kyslíka (v opačnom smere R ako eletrolýza vody) premieňa na elektrickú energiu, pričom sa produkuje len voda, vodná para. V tomto zmysle tvorí ´vodíkové energetické hospodárstvo´[5] ideálny cyklus, kde vyrábame vodík pomocou slnečnej energie, a naspäť ho premieňame na elektrickú energiu prakticky bez emisií. Možno vodíkové hospodárstvo znie pre veľa ľudí utopicky, pre mňa je však podobným technologickým „zázrakom“ aj bezdrôtový prenos internetu, ktorý som si ako dieťa nevedel predstaviť. Batérie budú mať v energetickom hospodárstve ale tiež nezastupiteľnú úlohu v aplikáciách, kde sa vyžaduje menšia energetická kapacita alebo krátkodobé uloženie energie.
S. C.: Popíšte, v čom konkrétne spočíva váš výskum?
P. ČENDULA: Počas dizertačnej práce v Nemecku som sa venoval polovodičovým a metalickým kovovým nanotrubičkám, ich mechanickým a optickým vlastnostiam. Tieto nanosúčiastky sme skúmali za účelom použitia v medicíne ako malé raketky na dopravu liekov, na elektronických čipoch v polovodičovom priemysle alebo v biológii pre tzv. laboratórium na mikročipe. Následne som prešiel na postdoktorandskú pozíciu do Švajčiarska, kde som tieto poznatky z polovodičov ďalej rozvíjal a rozširoval na aplikáciu a použitie v solárnych fotoelektrochemických článkoch (angl. PEC články), ktoré premieňajú slnečnú energiu priamo na vodík. PEC články spájajú funkciu klasického fotovoltaického článku, ktorý vyrába elektrickú energiu, s funkciou elektrolýzy, ktorá štiepi vodu na vodík a kyslík. Moje skúsenosti a výskum boli doteraz zamerané na teoretické a počítačové modelovanie fyzikálno-chemických procesov vo fotoelektrochemickom článku, v spolupráci s experimentálnymi partnermi na EPF Lausanne pod vedením profesora Grätzela – jedného z najvýznamnejších chemikov súčasnosti. Zaujímali nás oxidy kovov, ktoré sú na jednej strane jedny z najčastejších a najstabilnejších materiálov na Zemi, na druhej strane si však ich polovodičové vlastnosti vyžadujú veľké zlepšenia na dosiahnutie vysokej účinnosti premeny slnečnej energie pri produkcii vodíka. S ďalšími kolegami v Španielsku, Nemecku a Veľkej Británii sme sa snažili porozumieť týmto materiálom a zlepšiť ich vlastnosti, ktoré ovplyvňujú účinnosť premeny slnečnej energie na vodík a tomu sa chcem venovať aj pri návrate domov.
Laboratórny fotoelektrochemický článok Cu2O produkujúci vodík; Zdroj: EPF Lausanne, Švajčiarsko
S. C.: Aké máte ciele v oblasti fotoelektrochemických článkov?
P. ČENDULA: Hlavným cieľom celosvetovej výskumnej komunity fotoelektrochemických článkov je dosiahnuť súčasne tieto tri ciele – 15 % účinnosť premeny slnečnej energie na vodík, životnosť viac ako 10 rokov a cenová dostupnosť. Potom by sa táto technológia výroby mohla široko rozšíriť medzi spotrebiteľov a šikovne vykrývať ročné kolísanie medzi dopadajúcou slnečnou energiou a spotrebou domácností.
S. C.: V akom štádiu sa momentálne nachádzate?
P. ČENDULA: Znova budem odpovedať za tím alebo komunitu, ktorá sa venuje tejto problematike. Tieto aktivity sú silne podporované v Amerike, Nemecku, Číne, je to celosvetová vedecká spolupráca. Povedal by som, že sme na polceste ku konceptu solárneho článku pre výrobu, ktorý bude mať účinnosť 10 – 15 % a životnosť 10 rokov. Je potrebné investovať úsilie a finančné prostriedky na zlepšenie a dosiahnutie týchto cieľov. Znova použijem paralelu s inou oblasťou – oblasť polovodičov a počítačov po druhej svetovej vojne. Tie obrovské kroky, ktoré sa dosiali v Amerike a Sovietskom zväze boli zapríčinené aj tým, že vlády investovali veľké prostriedky do výskumu týchto technológií za účelom vesmírnych aplikácií. Výsledky sa dostavili, no boli to obrovské sumy peňazí. Keby sa teraz toľko investovalo do výskumu obnoviteľných energií, som si istý, že výsledky sa dostavia. Som rád, že EÚ, Čína, USA a ďalšie vyspelé krajiny výrazne podporujú vývoj v tejto oblasti.
S. C.: S kým všetkým v rámci výskumu spolupracujete?
P. ČENDULA: Spolupracujem s univerzitou ZHAW v Zürichu, EPF Lausanne, ďalej mám kolegov v Španielsku na Univerzite Jaume I, v Helmholtzovom Centre v Berlíne a na Imperial College London v Anglicku.
S. C.: Čo bude obsahom vašej práce na Žilinskej univerzite?
P. ČENDULA: V prvom roku sa chceme v mojom tíme sústrediť na počítačové modelovanie a elektrochemické merania fotokatód z oxidu meďného. V máji príde pracovať do môjho tímu skúsená zahraničná odborníčka, ktorá sa bude podieľať na vytvorení elektrochemického laboratória a zodpovedajúcich meraniach. Budeme využívať aj výborné existujúce zázemie na štandardné fotovoltaické merania na Inštitúte Aurela Stodolu v Liptovskom Mikuláši. Bude to spolupráca s kolegami, ktorí sa výskumu fotovoltaiky venujú. Chceme zakúpiť modul mikroskopu pre hrotový Ramanov rozptyl, ktorý umožňuje sledovať chemické reakcie na povrchu vzorky. Detailným numerickým modelom fotoelektród a ich charakterizácii sa v priebehu roka začne venovať doktorand – na túto pozíciu stále hľadám voľných kandidátov [7]. Vývojom užívateľského rozhrania k našim počítačovým modelom sa bude zaoberať Erasmus stážista z Portugalska, ďalšia stážistka z Iránu nám bude pomáhať pri predkladaní medzinárodných výskumných projektov (Horizon 2020 a iné). Z hľadiska dlhšej perspektívy sa bude môj tím zaoberať oblasťou obnoviteľných palív a nízkouhlíkovej ekonomiky [6]. Z vodíka pri spojení s CO2 dokážeme produkovať uhľovodíky, ktoré sa dajú spaľovať alebo premieňať na plasty a iné komodity. Táto tematika je veľmi aktuálna aj v európskom výskumnom programe Horizont 2020.
S. C.: Aké skúsenosti ste si odniesli z pôsobenia v Nemecku a vo Švajčiarsku?
P. ČENDULA: Ako hovorí príslovie, lepšie raz vidieť ako dvakrát počuť. Práve preto väčšina svetových univerzít k akademickej kariére vyžaduje dlhšie pobyty na zahraničných univerzitách. Okrem odborných vedomostí a kontaktov, tímovej práce a príkladu zanietenia uznávaných vedeckých osobností, by som vyzdvihol aj skúsenosti z fungovania a financovania vedy a výskumu. Naučil som sa, ako veľmi si v zahraničí cenia nápady a kvalitu a že vo vedeckom svete tiež vládne zdravá, ale tvrdá konkurencia. Žiaľ, aj v ospevovanom ale malom Švajčiarsku so 6 miliónmi obyvateľov som sa stretol s problémom hodnotenia predkladaných vedeckých projektov len na národnej úrovni, čo viedlo k stretu záujmov hodnotiteľov a žiadateľov a zaujatým rozhodnutiam. V Nemecku s 80 miliónmi obyvateľov som na podobné problémy nenarazil. V tejto oblasti máme aj na Slovensku veľké problémy (kauza štrukturálnych fondov na výskum a vývoj [8], hodnotenie výziev APVV [9]) a posudky od nezávislých zahraničných hodnotiteľov ešte nie sú štandardom.
S. C.: Prečo ste sa rozhodli pre návrat na Žilinskú univerzitu v Žiline?
P. ČENDULA: Sú to súkromné aj profesijné dôvody. Cítim veľké spojenie s rodným regiónom. Svoj dlhý pobyt v Čechách, Nemecku a Švajčiarsku som bral ako naberanie skúseností v zahraniční, ktoré sa pokúsim poskytnúť Slovensku. Boli tam aj dôvody obmedzenej možnosti profesijného rastu na mojej univerzite vo Švajčiarsku, ktoré ma k návratu viedli.
S. C.: Ako hodnotíte možnosti pre prácu výskumníkov na Slovensku?
P. ČENDULA: V porovnaní s vyspelými krajinami EÚ a sveta je podpora vedy a výskumu na Slovensku len štvrtinová (0,8 % oproti 3 % HDP) a môže sa nám to čoskoro vypomstiť, keď prestaneme byť „montážnou halou Európy“ a skončí sa štedrá podpora zo štrukturálnych fondov EÚ. Ako najväčšie nedostatky vnímam nezávislé hodnotenie práce univerzít, projektov a výskumníkov medzinárodnými odborníkmi, nedostatočnú podporu talentovaných vedcov pri budovaní tímov a otvorenosť k zahraničným výskumníkom. Možnosti pre rozvoj vedy na Slovensku sú veľké a podmienky sa postupne zlepšujú, ale sú tu obrovské medzery v správnom nasmerovaní finančných prostriedkov k schopným a svetovo uznávaným vedeckým osobnostiam. Na tieto skutočnosti dlhodobo upozorňujú viaceré iniciatívy slovenských vedcov (Veda chce žiť, Nie je nám to ukradnuté, Žijem vedu) a pre systémovú zmenu sa stačí inšpirovať štandardnými a overenými postupmi z vedeckej legislatívy zo zahraničia.
Zhovárala sa: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR
Zdroje obrázkov:
úvodné foto: Zdroj: Materials Energy Research Laboratory in nanoscale, Australia
Foto Petra Čendulu: z archívu Petra Čendulu
foto v článku: Zdroj: EPF Lausanne, Švajčiarsko
Uverejnila: VČ
Referencie:
[1] http://www.wolframalpha.com/input/?i=worldwide+primary+energy+consuption
[2] N. S. Lewis and D. G. Nocera, Proceedings of the National Academy of Sciences 103, 15729 (2006)
[3] https://www.vedatechnika.sk/SK/o-scheme-navraty/Stranky/default.aspx
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_vehicle
[5] https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_economy
[6] https://ec.europa.eu/inea/en/horizon-2020/competitive-low-carbon-energy
https://en.wikipedia.org/wiki/Low-carbon_economy