Půlnoční sluneční elektrárna

Většina inženýrů by se zhrozila, kdyby našla byť jen malý kousek rezu na elektrodách. Kenneth Hardee a Allen Bard z University of Texas v Austinu se však při svém výzkumu sluneční energie zaměřili právě na tento velmi levný materiál. V roce 1975 vystavili oxid železa viditelnému světlu a podařilo se jim vyrobit nepatrné množství elektrické energie.

Bylo to v době, kdy se při výzkumu sluneční energie začal používat i křemík. Zájem o rez se omezil spíše na technologie, jak se jí zbavit. I když oxid železa nemůže z hlediska účinnosti křemíku konkurovat, může se uplatnit tam, kde to křemík nedokáže – v oblasti skladování elektřiny. Malé vločky rezu tak pomohou řešit jinak neřešitelný problém sluneční energie, kterým je její využití i v noci.

Hledání energie

Výzkum sluneční energie se zaměřuje hlavně na účinnost. Běžné křemíkové sluneční články využijí jen asi 15-20 % dopadající sluneční energie. Tento nevyčerpatelný zdroj energie přispívá energetice nejméně ze všech obnovitelných zdrojů energie, je však dvacetkrát dražší než elektřina z fosilních paliv. Řešením by mohly být baterie. Ty ale mají nízkou energetickou hustotu a jsou velmi drahé. Lepším řešením se jeví výroba vodíku pomocí sluneční energie. Chemické vazby umožňují skladovat až 170krát více energie na kilogram, než je tomu u lithiových baterií. Nejjednodušším způsobem jak přeměnit elektřinu z fotovoltaických článků na vodík by bylo štěpení vody na vodík a kyslík. To by sice bylo jednoduché, ale neefektivní. Dalších asi 30 % energie by se při přeměně na vodík ztratilo. 

Pomůže obyčejná rez

Lepším řešením by byl levný elektřinu vodící materiál, který by obklopoval FV články a využíval sluneční fotony k elektrolýze vody. Aby daný materiál mohl přímo štěpit vodu, musí po zasažení fotony uvolňovat elektrony ze správné energetické hladiny. Když jsou elektrony dostatečně vybuzeny, aby opustily materiál, nechávají za sebou mezery zvané díry (holes). Molekula vody vyplní tyto díry jedním ze svých vlastních elektronů. Elektrony a díry pracují pak společně na oxidaci vody a její přeměně na vodík a kyslík. Křemík však není tím správným materiálem pro tyto účely, protože jeho atomy potřebují pouze 1,11 elektronvoltu (eV) k uvolnění elektronu, zatímco štěpení vody vyžaduje minimálně 1,23 eV. Existují sice i jiné materiály, ale jedná se hlavně o drahé, nedostatkové a navíc toxické prvky vzácných zemin. Z tohoto důvodu se výzkum opět zaměřuje na dlouho opomíjený oxid železa, který má vhodnou energetickou hladinu 2,1 eV, je netoxický, neobyčejně rozšířený a v provozním prostředí vydrží i řadu let. 

Jaké budou problémy?

První problém spočívá v tom, že oxid železa nevodí dobře elektřinu, takže nemůže vysílat dostatek elektronů a vyžaduje určitý počáteční impuls (kick). Musí například získat dodatečnou energii z tzv. tandemového článku (tandem cell). K zesílení absorpce fotonů a k výrobě elektřiny bez použití křemíku použil v roce 1991 Michael Graetzel ze Swiss Federal Institute of Technology v Laussane (EPFL) tenkou vrstvu oxidu titaničitého. Po dodání proudu do spodní vrstvy oxidu železa se podařilo vypudit správné elektrony z materiálu a díky tomu umožnit elektrolýzu vody. Aby bylo možné dostat elektrony na vyšší energetickou hladinu, vyžadovalo toto zařízení další dva tandemové články. Bez tohoto opatření by oxid železa absorboval elektrony zpět do své krystalické mříže. Aby elektrony mohly uniknout, bylo třeba vytvořit velmi tenké vrstvy oxidu železa o tloušťce několik desítek nanometrů. Vytvoření tak tenké vrstvy nebylo v roce 1975 možné, ani začátkem 90.let. Teprve na přelomu 21. století pokročily nanotechnologie do té míry, že umožnily manipulovat s fyzikální strukturou materiálů a získávat překvapivé výsledky.

Nanorez

Jordan Katz z Denison University v Ohio vytvořil velmi tenký nátěr, který se skládal z tyčinek oxidu železitého širokých jen několik nanometrů. Úzká šířka tyčinek má velikou povrchovou plochu a přitom umožňuje vodě pronikat do nanoštěrbin mezi tyčinkami. To dovoluje elektronům a dírám reagovat s okolní vodou. Katzovi se ale nepodařilo objevit materiál, který by měl vhodnou účinnost. To se podařilo až švýcarským výzkumníkům z EPFL. Kevin Sivula vytvořil nanorez s použitím „mlhového nanášení“ (cloud deposition), které spočívalo v nástřiku roztoku oxidu železitého ve formě mlhy. Tato metoda nanášení umožňuje pronikání oxidu železitého do „lesa“ mikroskopických stromů ve tvaru květáku s fraktálním povrchem. Výzkumníkům se podařilo vyrobit funkční zařízení o účinnosti 3,6 %, a to bez pomoci tandemových článků. Sivula se domnívá, že během několika let by bylo možné zvýšit účinnosti až na 10 %. 

Vrstva oxidu železitého musí být tenká, aby usnadila únik elektronů. Zároveň ale musí být dostatečně hustá, aby absorbovala co nejvíce fotonů. Vrstva tlustá 20 nanometrů absorbuje pouze 18 % fotonů. Při zvýšení tloušťky na 1 mikrometr lze zachytit téměř všechny fotony, ale je moc tlustá pro elektrony. K vyřešení tohoto problému se tým Avnera Rotschilda z Technion University of Haifa obrátil na pomoc ke kvantové fyzice. Jejich zařízení zachytí přicházející světlo na filmech oxidu železitého o tloušťce 30 nanometrů. Díky tomuto vylepšení lze zachytit až 71 % fotonů a současně umožnit elektronům uniknout z materiálu. I když rez nikdy nedosáhne účinnosti 16 %, je to tak levný materiál, že vykompenzuje i vyšší účinnost. Podle Sivuly není na prvním místě účinnost, ale náklady připadající na 1 watt. I při účinnosti 10 % by oxid železa mohl konkurovat FV článku s účinností až 50 %, protože by ho bylo možné nastříkat na jakýkoliv povrch. A to bylo právě cílem výzkumu. „Květákový“ železný nátěr bude možné nanášet například na tapety, tisknout na různé materiály pro sluneční články a vyrábět i vodík, kdekoliv to bude potřeba. Než ale bude možné uskutečnit tento sen, bude třeba ještě vyřešit samotný problém uložení a zpracování vodíku.

Problémy s vodíkem

Kyslík a vodík mohou reagovat explozivně, a proto po rozštěpení vody vzniká vlastně jakási bomba. K oddělení plynů se nabízejí dvě metody. U Sivulova systému se využívá membrána, která oba plyny vzájemně oddělí. Klaus Hellgardt z Imperial College London, který se zabývá výrobou vodíku na bázi oxidu železitého, aplikuje jinou myšlenku: když nechcete využívat kyslík, proč by se měl vyrábět? Jeho projekt využívá málo kvalitní odpadní vodu, v níž se kyslík spotřebovává. Místo, aby se stal plynem, reaguje kyslík s organickými sloučeninami ve vodě a nechává vodík bezpečně probublávat do skladovací nádrže. 

Skladováním vodíku

Problémem je i skladováním vodíku. Používají se k němu drahé nekorodující materiály, které představují určitou překážku i při realizaci vodíkového hospodářství. Výzkumníci to řeší několika způsoby. Například na australské University of New South Wales nedávno použili ke skladování vodíku borohydrid sodný v nanoměřítku. Pro uvolnění vodíku z chemických vazeb se v normálním případě musí tato sůl zahřát na 500 stupňů Celsia. Při použití nanomateriálů k tomu ale stačí teplota pouze 50 stupňů Celsia. Jak svědčí příklad z Keni, stejnou úlohu by totiž mohly splnit kanystry s vodíkem, který by byl spalován jako při kempování. Toto řešení vidí jako schůdné Brian Holcroft, ředitel společnosti Stored Solar v Keni. Tento ředitel spolupracuje se švýcarským ústavem EPFL při testování slunečního systému na bázi oxidu železitého a tandemových článků. Společnost dodává sluneční systémy do oblastí, kde neexistují elektrické sítě a uvažuje o dodávkách i na střechy ve vyspělých zemích, kde by jejich majitelé mohli získávat elektřinu i vodík. Možná, že se nakonec podaří splnit původní sen z roku 1975, aby fotovoltaické zařízení na bázi oxidu železitého nejen vyrábělo, ale i skladovalo elektřinu (a v případě potřeby vyrábělo i palivo ve formě vodíku). Podle Katze by zařízení mohlo vyrábět elektřinu ve dne během špičkové poptávky nebo palivo vyrábět při nízké poptávce. 

Nepatrné množství elektřiny vyrobené v roce 1975 díky výzkumu Hardeeho a Barda by mohlo být dalším východiskem pro zásobování planety energií. Možná, že již vstupujeme do „věku rzi“.

Podle: Naomi Lubick: Midnight Sun. New Scientist, 2013, č. 2901, s. 34-37.