Rozhovor s profesorom Zemanom o výskume fotovoltiky, o výzvach do budúcnosti aj o tom, že energetická transformácia sa týka každého z nás.
Profesor Miroslav Zeman a ESP laboratórium. Zdroj: SAV a TU Delf
Profesor Miroslav Zeman patrí medzi svetových odborníkov na oblasť fotovoltiky. Fotovoltika je technológia na priamu premenu slnečnej energie na elektrickú. Od roku 1990 sa venuje výskumu solárnych článkov na Technickej univerzite v Delfte, kde bol v roku 2009 vymenovaný za profesora.
Vyučuje na fakulte elektrotechniky, matematiky a informatiky a vedie katedru trvalo udržateľnej elektrickej energie. Svoju kariéru označil v rozhovore pre časopis Academia ako „cestu za Slnkom“. Verí, že solárna fotovoltická technológia bude v roku 2030 dodávať najlacnejšiu elektrickú energiu.
Slnko je pre nás zdrojom tepla, svetla a energie a jeho význam pre život na Zemi nám každý rok 3. mája pripomína Deň Slnka. Cieľom tohto dňa je upriamiť pozornosť na Slnko ako na udržateľný a obnoviteľný zdroj energie. V súčasnosti je téma solárnej energie aktuálnejšia než kedykoľvek predtým.
S profesorom Zemanom sme sa zhovárali o solárnej technológii, trendoch v tejto oblasti, výzvach do budúcnosti aj o začiatkoch v Holandsku.
Viac ako tridsať rokov sa venujete výskumu fotovoltiky v Holandsku. Keď ste začínali, bola táto oblasť výskumu ešte len v zárodku. Čo sa odvtedy zmenilo?
Pred tridsiatimi rokmi, keď som začínal, som sa venoval hlavne materiálom, ktoré sú vhodné na prípravu solárnych článkov. Samozrejme, materiály sme skúšali aj v slnečných článkoch. Jednou z charakteristík, či je článok dobrý, alebo zlý, je meranie účinnosti premeny energie slnečného článku. V tom čase účinnosti boli relatívne malé. Treba ešte možno povedať, že materiálov, ktoré tvoria hlavnú zložku slnečných článkov, je viac. Ja som sa zameral na materiály, ktoré sú na báze kremíka či kryštalického kremíka a amorfného kremíka.
Svetový rekord účinnosti slnečného článku na báze kremíka je 27,8 percenta.
Takým míľnikom je rozvoj slnečných článkov a to, ako sa účinnosť slnečných článkov zvyšovala. Len pre zaujímavosť, v roku 2024 uplynulo sedemdesiat rokov odvtedy, čo bol po prvý raz v praxi predstavený slnečný článok na kremíku s účinnosťou premeny slnečnej energie šesť percent. Teraz je svetový rekord účinnosti slnečného článku na báze kremíka 27,8 percenta. Ide teda o neuveriteľný nárast. Keď si ešte predstavíme, že teoretický limit pre tento typ článku je 29,4 percenta, tak sa naozaj dotýkame teoretického limitu.
Čo považujete za najväčšie míľniky vo svojej kariére v oblasti fotovoltiky?
To, čo sa vede podarilo tým, že našla vhodné materiály, vhodný a lacný spôsob, ako tieto materiály na seba deponovať, ako zachytávať svetlo v týchto slnečných článkoch, je v podstate neuveriteľné a pre mňa to je míľnik. Verím, že o niekoľko rokov sa účinnosť tohto článku ešte zvýši. Z môjho pohľadu ide o naozaj neuveriteľný pokrok, ktorý sa podarilo dosiahnuť.
Slnečná energia dodáva najlacnejšiu užitočnú energiu na mnohých miestach na Zemi.
Míľnikov je však oveľa viac. Jedna vec je, že ja robím vedecký výskum, ktorý je zameraný na to, ako slnečný článok funguje. Keď som začínal, bol výskum slnečných článkov pre mňa skôr také exotické hobby, kým teraz sú slnečné články vyrábané vo veľkých množstvách a inštalované v moduloch, ktoré dodávajú najlacnejšiu elektrickú energiu na mnohých miestach zemegule. Toto považujem za ďalší míľnik: že sa fotovoltická technológia dokázala prepracovať na technológiu, ktorá momentálne dodáva zo slnečnej energie najlacnejšiu užitočnú energiu na mnohých miestach na Zemi.
Perspektíva je, že v priebehu zopár rokov, v roku 2030, slnečná energia bude vďaka tejto technológii dodávať najlacnejšiu elektrickú energiu.
Profesor Zeman so solárnym simulátorom. Zdroj: archív Miroslav Zeman
Na niektorých miestach na Zemi, napríklad v Číne, sa budujú obrovské solárne farmy. Myslíte si, že toto je smer, akým by sa mala technológia uberať?
Som zástancom toho, aby sme fotovoltické moduly aplikovali tak, aby spĺňali aj estetické kritériá. Ak máme púšť, kde nikto nežije, ako napríklad púšť Gobi v Číne, a tam sa vybudujú veľké slnečné elektrárne, je to v poriadku. Ak však chceme túto technológiu využiť aj v mestskom prostredí, určite by sme nemali narušiť vzhľad budov, pokaziť estetický dojem.
Slnečné moduly sa dajú aplikovať tak, že prispejú ku kráse okolitého prostredia.
Nachádzame sa v historickom centre Bratislavy, historické budovy sú krásne. Viem si predstaviť, že v budúcnosti budú fasády budov tvoriť slnečné moduly a že ľudia, ktorí okolo nich budú chodiť, ani nezistia, že tam je vlastne namiesto omietky slnečný modul.
Som za to, aby sme slnečné moduly a fotovoltickú technológiu aplikovali tak, aby ju spoločnosť akceptovala.
Takým príkladom je napríklad hlavná stanica v Rotterdame.
Áno, existujú už príklady, ako sa slnečné moduly dajú aplikovať spôsobom, že len prispejú k dobrému pocitu a ku kráse okolitého prostredia.
Určite by sa to dalo aplikovať na bežné obytné domy. Nie je to však príliš drahé?
Ako som spomenul a opäť to zdôrazním, táto technológia už dodáva na mnohých miestach cenovo dostupnú elektrinu zo slnečnej energie. Znamená to, že slnečné moduly a ich inštalácia sú lacné. Ak by to totiž bolo drahé, všetky tieto aspekty sa premieňajú, pretavujú do konečnej ceny elektrickej energie.
Z môjho pohľadu to drahé nie je, určite nie v Holandsku, pretože či je inštalácia fotovoltického systému viac alebo menej finančne náročná, závisí aj od konkrétnych štátov, ako podporujú alebo nepodporujú zavádzanie fotovoltickej technológie.
Hlavná stanica v Rotterdame je spojením moderného pôsobivého dizajnu a udržateľnej architektúry. Využíva nové technológie a je navrhnutá s ohľadom na životné prostredie a energetickú úspornosť. Na streche má nainštalovaných viac ako 130 000 solárnych panelov. Z celkovej plochy strechy, ktorá zaberá 28 000 štvorcových metrov, tvoria solárne panely približne 10 000 štvorcových metrov. Zdroj: rotterdamcentrum.nl
Vaším snom je vraj nainštalovať fotovoltické moduly na každý povrch. Kde všade to podľa vás má zmysel?
Áno, je to taký sen, aby sme zabezpečili čistú energiu pre všetkých. Neformuloval by som to tak, že na každý štvorcový meter na Zemi, ale na každý, ktorý je na to vhodný. Ako som spomenul, myslím si, že veľké plochy fasád budov sú okrem iného vhodnými plochami, kam by sa slnečné moduly dali nainštalovať.
Spomínali ste, že keď ste začínali, bol novinkou amorfný kremík. V súčasnosti je novým materiálom perovskit, ktorý je považovaný za veľmi perspektívny. Aký je medzi materiálmi rozdiel? Je to pre laika komplikované na vysvetlenie?
Nie je to komplikované, lebo keď sa rozprávame o slnečnom článku ako takom, v podstate princíp premeny energie žiarenia je ten istý vo všetkých slnečných článkoch. Rozdiel spočíva v optických a elektronických vlastnostiach spomínaných materiálov.
Kryštalický kremík má vhodné vlastnosti, preto sa viac ako 95 percent všetkých slnečných článkov vyrába na báze kryštalického kremíka. Máte pravdu, perovskitový materiál sa ukazuje veľmi perspektívny.
Samozrejme, má svoje výzvy. Jednou z nich je ukázať, že slnečný modul na báze perovskitu je stabilný. Kremíkové slnečné moduly majú životnosť tridsať rokov, takže treba ukázať, že aj perovskitové moduly budú mať podobnú životnosť. To je najväčšia výzva v súvislosti s týmto materiálom a týmito slnečnými článkami.
Aké sú aktuálne trendy v oblasti fotovoltiky?
Ako som spomínal na začiatku, v prípade dominantného článku na báze kremíka už v podstate teoreticky atakujeme limit účinnosti premeny slnečnej energie na elektrickú. Trendom je, samozrejme, zvýšiť účinnosť slnečných článkov. Dá sa to dosiahnuť tak, že skombinujeme viaceré slnečné články s rôznym absorpčným materiálom do jedného takzvaného tandemového článku. To znamená, že tandemový článok dokáže absorbovať slnečné žiarenie efektívne v širšej časti slnečného spektra než jednotlivé články.
Trendom je zvýšiť účinnosť slnečných článkov.
Výhodou tohto prístupu je, že napríklad kryštalický kremík absorbuje slnečné žiarenie v určitej časti spektra a perovskitový kremík v inej časti spektra. Kombináciou týchto dvoch materiálov a slnečných článkov na báze týchto materiálov dostaneme tandemový slnečný článok, ktorého účinnosť môže byť vyššia, ako je teoretický limit pre slnečný článok zhotovený iba z jedného absorpčného materiálu.
Na trhu už sú firmy, ktoré ukázali, že s týmto tandemovým slnečným článkom môžete naozaj prekročiť teoretický limit pre článok s jedným absorpčným materiálom. U nás v laboratóriu pracujeme na vývoji tandemových článkov.
Na jednej fotografii držíte v rukách flexibilný solárny modul. Z čoho sa vyrába?
Práve v tom bol zaujímavý amorfný kremík, na ktorom som začal pracovať počas svojej vedeckej kariéry. Amorfný kremík má zaujímavé optické vlastnosti. Stačí veľmi tenučká vrstva tohto materiálu, aby absorbovala veľkú časť slnečného spektra. To znamená, že vrstvička je taká tenká, že keď ju dáte na flexibilný substrát, vytvoríte flexibilný solárny článok. Táto technológia sa vyvíja a firma v Holandsku ide produkovať takýto solárny článok.
Perovskitový materiál je veľmi podobný amorfnému kremíku, tiež stačí tenučká vrstva tohto materiálu, aby sa pohltila dosť veľká časť slnečného žiarenia. To znamená, že keď sa nanesie materiál a urobí sa slnečný článok na flexibilnej podložke, vytvoríme flexibilné perovskitové moduly.
Ako je to so samotnou výrobou solárnych panelov? Nevyžaduje si príliš veľa vody? Nie je preto málo ekologická?
Toto je dobrá otázka. Slnečná energia ako taká je udržateľná, veď ju aj nazývame obnoviteľný zdroj. No či slnečné články, ktoré v súčasnosti vyrábame určitým spôsobom a z určitých materiálov, dodávajú elektrinu, ktorú by sme mohli označiť za trvalo udržateľnú, zatiaľ asi nie je stopercentne pravda.
Výziev pri fotovoltickej technológii je do budúcnosti dostatok.
Toto sú aspekty, ktoré predstavujú pre fotovoltickú technológiu výzvu do budúcnosti. Nahradiť určité vzácne prvky, ktoré teraz používame pri výrobe slnečných článkov, inými, dostupnejšími. Procesy, ktoré sa používajú, urobiť šetrnejšími k životnému prostrediu. Výziev pri tejto technológii je zatiaľ aj do budúcnosti dostatok. Máme teda ešte na čom pracovať.
V súčasnosti sa hovorí o potenciáli plávajúcich solárnych panelov na morskej hladine. Ako to vidíte vy ako odborník? Má to podľa vás budúcnosť?
Určite to je perspektívne, lebo voda pokrýva dve tretiny zemského povrchu, takže keď hovoríme o využití každého vhodného štvorcového metra na dodanie elektrickej energie, bolo by to vhodné. Samozrejme, má to veľké výzvy. Prostredie, hlavne na mori, je veľmi agresívne. Na základe toho predpokladám, že taký obyčajný modul, ktorý teraz používame na inštaláciu na strechy, by v tomto agresívnom prostredí neprežil príliš dlho.
Je však už veľa demonštračných projektov inštalácie fotovoltických systémov na vode, čiže táto možnosť existuje. Znova treba ukázať, že vieme moduly urobiť tak, že vydržia v takom agresívnom prostredí dostatočne dlho pracovať. No a potom aj konštrukcie, na ktorých sú inštalácie na mori postavené, musia vydržať aj dvoj-trojmetrové vlny. Toto je veľká výzva najmä pre našich kolegov inžinierov stavbárov, aby také niečo vedeli navrhnúť a skonštruovať.
Pohľad z výšky na plávajúci panel projektu Merganser spoločnosti SolarDuck. Zdroj: SolarDuck
Po revolúcii v roku 1989 ste odišli do Holandska. Aké boli začiatky v cudzej krajine?
Dostal som ponuku ísť na pol roka na pozíciu research fellow, teraz je to postdoc position, na Technickú univerzitu v Delfte. Vtedy mi nenapadlo, že tam zostanem dlhšie ako pol roka. Ako ste spomenuli, je to už viac ako tridsať rokov, čo tam pôsobím.
Zrejme som taký typ, že keď idem niekam do cudziny, snažím sa pochytiť miestny jazyk. Keď som prišiel do Holandska, začal som sa učiť holandčinu. Nakoniec som to využil, pretože keď mi predlžovali pobyt, mal som čoraz viac času aj na štúdium jazyka. Teraz ju ovládam, aj keď, samozrejme, nie perfektne. Viem sa dohovoriť a v holandčine aj prednášam.
Dnes sa už bez znalosti cudzích jazykov nezaobídeme. Spomínali ste, že ste sa museli naučiť po holandsky, predpokladám, že ovládate aj angličtinu.
Keď chcete robiť vedu, najrozšírenejší jazyk je angličtina. Takže každému, kto chce robiť vedu a chce sa dostať do svetového top tímu, by som určite poradil, nech sa učí po anglicky. Popri angličtine som sa v Holandsku naučil aj holandčinu. Kto by išiel do Nemecka, bude potrebovať nemčinu, kto do Brazílie, portugalčinu. Miestny jazyk má zmysel aj pre sociálny život. Takže moja skúsenosť a z toho plynúce odporúčanie znie, aby sa mladí ľudia snažili naučiť cudzích jazykov čo najviac.
Moje odporúčanie znie, aby sa mladí ľudia snažili naučiť cudzích jazykov čo najviac.
Taká zaujímavosť, z tohto okna v Primaciálnom paláci v Bratislave vidíme budovu, do ktorej som chodil na základnú školu. Tie dve okná, ktoré vy nevidíte, ja však áno, patrili mojej triede. Bola to anglická škola, takže už zamlada som mal možnosť učiť sa po anglicky v škole na Nedbalovej ulici. Myslím si, že to prispelo, možno najviac, k mojej úspešnej kariére.
Odborník na fotovoltiku Miroslav Zeman a predseda SAV Pavol Šajgalík počas odovzdávania Medzinárodnej ceny SAV v roku 2024. Zdroj: archív Miroslav Zeman
Študentov technických smerov je stále málo. Čo by ste im odkázali, prečo ísť študovať technické smery?
Teraz žijeme v dobe takzvanej energetickej transformácie (Energy transition). Tá predstavuje výzvu pre všetkých, lebo jeden z argumentov, prečo robíme túto energetickú transformáciu, je, aby sme začali využívať obnoviteľné zdroje energie, ako sú slnečná a veterná energia, a aby sme nespaľovali uhlie alebo plyn.
Energetická transformácia sa týka každého z nás.
Čiže, energetická transformácia sa týka každého z nás. Výzva úspešne urobiť túto transformáciu je nekonečne veľká a vyžaduje si každého. Potrebujeme nové technológie, komponenty a bolo by výborné, keby sme nejakým spôsobom inšpirovali aj mladú generáciu, aby sa zaujímala o tieto technológie a komponenty.
Minulý rok ste získali ocenenie SAV, ste aj členom SAV. Čo pre vás toto ocenenie znamená?
Keď mi oznámili, že Vedecká rada Slovenskej akadémie vied mi udelila cenu, bolo to pre mňa neuveriteľné prekvapenie, pretože Medzinárodná cena SAV je významná aj v zahraničí. Bola to teda pre mňa veľká pocta a beriem to ako prejav uznania môjho príspevku práve k budovaniu trvalo udržateľnej spoločnosti v oblasti energetiky.
(zh)
