Inimene tarbib üha enam energiat, üha enam Maad saastades. üks võimalusi vähendada saastamist ja ülekuumenemist on kasutada Päikesel toodetud energiat. Ka Eestis uuritakse Päikesest elektri tegemise võimalusi.
Päikeseenergia hulk, mis langeb maakera pinnale aasta jooksul, ületab ligikaudu 10 000 korda maakera kogu tänapäevase energiavajaduse. Prognoosi kohaselt ammenduvad tavapärased energiaallikad aastatel 2000-2010, ent enne aastaid 2040-2050 pole loota, et energia tootmiseks õpitakse juhtima termotuumasünteesi. Loodetavasti tuleb siin appi Päike.
Eriti tuntav on Päikeselt maapinnale jõudva kiirguse energia palavatel suvepäevadel, mil isegi soojalembesed inimesed otsivad varjulisemat kohta. Kuid ka külmal talvepäeval jõuab meieni aukartustäratav energiakogus. Vahest ainult suurte staadionide valgustusega tegelevad inimesed võiksid meile öelda, millist energiat oleks vaja, et pilkases pimeduses saavutada päikesevalgusega võrreldav valgustus. Ja seda vaid ühe staadioni jaoks...
Lihtne, ent kulukas
Kui veidi mälu pingutada, siis meenuks ehk paljudele kooli füüsikakursusest maagiline arv üks kilovatt. Just sellist maksimaalset võimsust annab meile päike 1 m2 suurusele pinnale.
Teeme nüüd väikese arvutuse. Oletame, et Eestis kasutatakse aasta jooksul inimese kohta keskmiselt 8 MWh elektrienergiat. (Selline oli tarbimine 10 aastat tagasi ka Soomes.) Et aastas on 365 päeva, tuleks iga päev toota 8/365 =3D 0,022 MWh ehk 22 kWh energiat. Jämedalt arvestades tuleks seega iga tund toota 1 kWh elektrienergiat. Võttes veel arvesse, et nn valget aega on meil keskmiselt 12 tundi, piisaks sellise energiakoguse tootmiseks iga inimese kohta vaid 2 m2 suurusest pinnast. Kui nüüd arvestada ka seda, et ainult umbes 10 protsenti kogu sellest energiast on võimalik muundada elektrienergiaks, oleks vaja umbes 20 m2 pinda.
Olgugi et meie arvutus oli väga ligikaudne, paneb see siiski mõtlema. Ja nagu selgub, on mõtlejaid kogu maailmas väga palju, sest absoluutselt kõikjal paistab päike ja absoluutselt kõikjal vajatakse energiat. On ju tõeliselt meeldiv meie pidevalt tõusvate elektrienergiahindade juures unistada päikesepatareidega kaetud katusest, sellest saadavast energiast ja mõnutundest, mis tekib mõttest, et selle eest ei pea midagi maksma. Tänapäeva reaalsus on aga kahjuks teine. Milles on siis asi?
Me usume, et nüüdseks on enamik vähemalt korra näinud päikesepatareid. Nendega on varustatud väga paljud kalkulaatorid, kellad ja teised madala energiakuluga seadmed. Päikesepatareide töö põhineb fotoelektrilisel efektil. Selle avastas juba 1839. aastal prantsuse füüsik Edmond Becquerel, kes pani tähele, et mõned materjalid olid suutelised valguse toimel andma nõrka elektrivoolu.
Albert Einstein sai hiljem Nobeli füüsikapreemia fotoelektrilise efekti teoreetilise põhjendamise eest. Esimene päikesepatarei ehitati siiski vaid aastal 1954 Belli laboratooriumis, ja tänu oma kohutavalt kõrgele hinnale oli see üldise nöökamise objekt. Ainsaks rakendusalaks nendele patareidele jäi pikka aega kosmonautika ja seda alates aastast 1958, mil esimene kosmosesse saadetud päikesepatarei ennast igati heast küljest näitas.
ülim puhtus maksab
Need olid ajad, mil kosmonautikasse minevaid rahasid keegi eriti ei lugenud. Nüüdseks on päikesepatareide hind tunduvalt alanenud, kuid endiselt on see liialt kõrge. Kui kasutada vaid päikesepatareisid, tuleks praeguste hindade juures keskmise suurusega eramajale vajaliku elektrienergia saamiseks investeerida umbes 180 000 krooni. Kuid paljud suvemajad on Põhjamaades juba varustatud päikesepatareidega ja Saksamaal on täitmisel rahvuslik programm "1000 päikesepatareidega kaetud katust". Kõik see annab teatud lootust nendele kompaniidele, kes päikesepatareisid valmistavad.
Miks on siis nende pealtnäha küllaltki lihtsate patareide hind nii kõrge? Peamine põhjus on päikesepatareides kasutatavate materjalide ja ka tehnoloogiate kõrge maksumus. Peaaegu kakskümmend aastat olid kõik päikesepatareid valmistatud kristallilisest ränist. Selliste patareide valmistamine oli väga keeruline. Päikesepatareides tuleb kasutada hästi puhast räni. Kuigi ka supelrandades laiuvad liivaväljad ei ole midagi muud kui ränidioksiid, tuli puhta räni saamiseks kasutada keerulisi ja kalleid keemilisi võtteid. Kui puhas räni oli käes, tuli see sulatada ja valada vormidesse, millesse siis jahtumisel kasvasid suurte mõõtmetega monokristallid. Selliste monokristallide kasvatamine on üsna aeganõudev ja kulukas protsess. Suured ränikristallid saeti seejärel õhukesteks liistakuteks, millest omakorda valmistati päikesepatareid.
Kuigi räni kui materjal on suhteliselt odav ja tema varud maakoores on ammendamatud, leiti üsna pea, et nii kalli tehnoloogia juures ei ole kristallilisest ränist valmistatud päikesepatareidel tulevikku. Algas maailmas uute materjalide ja tehnoloogiate otsimise buum, mis kestab täies mahus ka praegu. Asjal on tõepoolest mõtet, sest spetsialistide arvates polekski päikesepatareide omahinda vaja kohutavalt palju alandada, piisaks täielikult vaid mõnest korrast, et nad muutuksid võistlusvõimeliseks praeguste energiatootmisviisidega.
Otsitakse uusi lahendusi
Mitte kõike siin maailmas ei määra ju ainult hind. Ja päikesepatareidel on omadusi, mis teevad nad alati perspektiivikaks. Päikeseenergia on ammendamatu. Päikesepatareisid on odav hooldada ning need elavad kaua (praegu antakse garantii 10 aastaks, kasutusajaks loetakse vähemalt 20 aastat) ega saasta loodust. Nad asuvad tarbijale tavaliselt nii lähedal, et kaob ära vajadus kulukate elektriliinide ehitamiseks.
Praegu ei seata eesmärgiks luua päikesepatareid, mis oleks efektiivsem kui kristallilisest ränist valmistatu. Parimate ränil baseeruvate patareide kasutegur ulatub juba nüüd lähedale teoreetilisele piirile, mis on 25-30%. Tähtsamaks kui kõrget efektiivsust loetakse ikkagi valmistamise lihtsust ja saadava energia talutavat hinda. Võimalikud materjalid on järgmised.
Polükristalne räni . Tunduv kokkuhoid saavutatakse, kui suurte monokristallide kasvatamise asemel piirdutakse paljudest üksteisega kokkukasvanud kristallidest koosneva kihi moodustamisega. Praeguste hinnangute järgi võiksid polükristallilised patareid jõuda tulevikus kasutegurini 17 protsenti.
Amorfne räni . Sellised päikesepatareid valmistatakse vaakumkambrites õhukese ränikihi pihustamisega klaasist alusele. Nii hoitakse kokku ka palju ülipuhast materjali. ühtlasi võib saadud klaase kasutada kui poolläbilaskvaid pindu paikades, kus liigne päikesekiirgus tekitab probleeme.
Püriit (FeS2) . Viimastel aastatel on üheks võimalikuks kandidaadiks õhukesekihiliste päikesepatareide valmistamisel hakatud pidama püriiti. See on looduses laialt levinud mineraal, mida rahvasuus tuntakse nimega "kassikuld". Ta koosneb elementidest, mida on looduses rohkesti ja mis ei ole toksilised. Püriit omab väga suurt neeldumiskoefitsienti, mis tunduvalt ületab päikeseenergeetikas kasutatava räni neeldumiskoefitsiendi. Kahjuks on aga väga raske seda sünteesida ja omadusi kontrollida.
CulnSe2-CdS . Kolmikühenditel baseeruvate päikesepatareide väljatöötlused algasid 1974. aastal. Mõneski mõttes on CulnSe2 ja tema analoogid ränist palju sobivamad. Need materjalid neelavad päikesekiirgust palju efektiivsemalt kui kõik teised tuntud pooljuhid. See aga omakorda lubab valmistada veelgi õhemaid kihte ja vähendada sellega materjali kulu. Peale selle saab nende puhul rakendada hästi odavaid tehnoloogiaid.
CdTe-CdS . Kaadmiumtelluur on ammu tuntud kui üks parim pooljuhtmaterjal valguse muundamiseks elektriks. Ent siin tekitab raskusi kaadmiumi mürgisus. Kuigi nii kaadmiumtelluur kui kaadmiumsilfiid on mõlemad väga püsivad ühendid ja kaadmiumi eraldumine päikesepatareidest nende kogu eluea jooksul on rohkem teoreetilist laadi küsimus, tekitab see eriti Euroopas palju kõneainet. Seetõttu on juba enne nende päikesepatareide massilist tootmist mõeldud ka sellele, mis saab nende vananedes. See muidugi tõstab hinda.
Mida tehakse Eestis
Ka Eesti teadlased uurivad päikeseenergeetikas kasutatavaid materjale ja tehnoloogiaid. Uuringute keskuseks on Tallinna Tehnikaülikooli pooljuhtmaterjalide tehnoloogia õppetool, mille juures on palju aastaid tegeldud mitmete ülalmainitud materjalidega. Praegu osaletakse Euroopa Liidu finantseeritavates uurimisprogrammides. Koostöös ligi 20 Euroopa teadusrühmaga on viimased kaks aastat Euroopa Liidu JOULE programmi raames uuritud võimalusi õhukesekileliste CulnSe2 -l põhinevate päikesepatareide efektiivsuse tõstmiseks.
Tulemusena on välja töötatud seni efektiivseimad õhukesekilelised päikesepatareid kasuteguriga 18 protsenti. Meie teadlaste osa selles programmis piirdub kasutatavate materjalide fundamentaaluuringutega, vahetult muundurite loomisest ei ole suuda me osa võtta, sest puudub vastav seadmestik.
Koostöös Saksamaa teadlastega uuritakse ka võimalust elektrienergia tootmiseks elektrokeemiliste päikesepatareide abil. Seda projekti toetab Volkswageni fond. Projekt seab endale ülesandeks elektrokeemiliste päikesepatareide loomise eesti teadlaste väljatöötatud nn monoteraliste materjalide ja koostöös Saksamaa Juelichi Uurimiskeskuse teadlastega loodud uue päikesepatareide konstruktiivse lahenduse - monoterakihtide - põhjal.
Loodetavasti pole kaugel aeg, mil teostub unistus päikesepatareidega kaetud katustest, odavast ja puhtast energiast ja miks ka mitte Eestis toodetud päikesepatareidest. Et tutvustada päikeseenergia ja teiste alternatiivsete energiate kasutamise võimalusi Eestis, on koostöös Saksamaa Alternatiivsete Energiate ja Loodustsäästvate Tehnoloogiate Keskusega ja Taani Alternatiivse Energeetika Keskusega kavas luua Tallinna Tehnikaülikooli juures alternatiivse energeetika info- ja õppekeskus.
Keskus seab endale ülesandeks tuua Eestisse teadmisi alternatiivse energeetika ja tehnoloogiate kohta, toetada sellealast teadustööd ja tutvustada avanevaid võimalusi meie energiapoliitikat määravatele ametnikele. Lisaks sellele saavad Tehnikaülikooli õppejõud ja üliõpilased osaleda Saksamaa ja Taani spetsialistide poolt läbiviidavatel kursustel ja kasvatada tulevikuks insenere, kes oleksid võimelised päikeseenergia kasutusele võtma.
ENN MELLIKOV, JüRI KRUSTOK
Enn Mellikov on TTü professor, Jüri Krustok TTü vanemteadur
