Profesor MIROSLAV ZEMAN patrí k svetovej špičke v oblasti fotovoltiky. Laureát Medzinárodnej ceny SAV za rok 2024 pôsobí vyše 30 rokov práve v Holandsku, ktoré má ambíciu stať sa európskym lídrom v solárnej energii.
V súčasnosti sa čoraz viac hovorí o hľadaní technologických riešení, ktoré sú ekologickejšie, udržateľnejšie, lacnejšie. Aká je situácia v oblasti fotovoltiky?
Fotovoltická technológia natoľko pokročila, že cena za elektrickú energiu zo solárnych panelov začína byť v porovnaní s inými technológiami na mnohých miestach na svete najlacnejšia. Čo sa týka použitých materiálov, 95 percent všetkých slnečných článkov, ktoré sa v súčasnosti vyrábajú, funguje na báze kryštalického kremíka. Ide o piesok, ktorého spracovanie síce predstavuje náročný proces, ale dostupnosť kremíka nie je problém.
Na výrobu slnečného článku sú však potrebné aj ďalšie materiály a tie z hľadiska udržateľnosti obsahujú elementy, ktoré nie sú bežne dostupné – napríklad indium. Takisto elektródy, ktoré používame, aby sme slnečný článok spojili s vonkajším svetom, sú zo striebra a jeho zásoby sa môžu v budúcnosti ľahko minúť. Aj v našej skupine preto robíme výskum, aby sme tieto materiály buď minimalizovali, alebo nahradili inými. Napríklad striebro skúšame nahradiť meďou, ktorá predstavuje oveľa dostupnejší materiál.
Ďalšou z výziev budúcnosti je recyklácia týchto materiálov.
Momentálne sú vo svete nainštalované štyri miliardy slnečných modulov. Je ich teda už takmer trikrát viac než áut. Ako v prípade áut, aj pri slnečných moduloch na konci ich životného cyklu vzniká otázka, čo s nimi. Už teraz existujú technológie, ktoré dokážu recyklovať plast alebo sklo zo solárnych modulov na 95 percent, ale výzvou ostáva, ako vďaka recyklácii získať späť aj spomínané vzácne prvky, ktoré sú ich súčasťou. Preto robíme výskum, ako navrhnúť slnečné moduly aj slnečné články tak, aby sa dali aj tieto vzácne prvky jednoducho recyklovať.
Je vôbec možné, aby boli všetky zložky solárnych panelov recyklovateľné a fotovoltika sa tak stala plne udržateľnou?
Na tom sa pracuje a skôr či neskôr sa podľa mňa tento problém vyrieši. Alebo sa bude využívať iný materiál, ktorý je možné jednoduchšie získať späť zo slnečného článku. Tu by som sa na chvíľu pozastavil – väčšina ľudí si totiž zamieňa obnoviteľný a udržateľný zdroj. Je v tom ale veľký rozdiel. Slnečná energia ako taká je obnoviteľná aj udržateľná, ale my ju využívame len ako primárny zdroj energie, ktorý následne premieňame na elektrinu ako užitočnú formu energie. Faktom však je, že momentálne táto technológia ešte stále nie je stopercentne trvalo udržateľná, pokiaľ o 10 rokov minieme všetko striebro alebo indium.
„Dospeli sme do bodu, keď musíme prejsť na obnoviteľné zdroje energie.“
V roku 2006 ste sa podieľali na založení Slovenskej organizácie pre obnoviteľné zdroje energie, ktorej cieľom je podporiť realizáciu solárnej energie na Slovensku. Na webovej stránke organizácie sa spomína, že „okrem priamej podpory výroby z obnoviteľných zdrojov energie je nutná jej bezpečná integrácia do energetického ekosystému krajiny“. Aké má Slovensko podmienky na využívanie solárnej energie?
Momentálne je dosť veľkým problémom integrovať elektrickú energiu z fotovoltiky do elektrizačnej siete, pretože jej výstavba bola nielen na Slovensku, ale aj v celej Európe ukončená pred 50 rokmi. Vtedy ešte nik netušil, že príde fotovoltická technológia alebo budeme využívať veterné turbíny. Elektrifikácia v spoločnosti prirodzene pokračuje ďalej a bude potrebné pracovať na prebudovaní elektrizačnej sústavy tak, aby sme mohli naplno využívať obnoviteľné zdroje energie.
Problém spočíva v tom, že slnečný panel vyrobí elektrickú energiu, ktorá je jednosmerná, v sieti však máme striedavý prúd. Potrebujeme preto medzičlánky, aby sme jednosmerný prúd konvertovali na striedavý a mohli ho tak dodať do siete. Čím viac slnečných modulov budeme mať, tým viac týchto prvkov budeme musieť do siete zapojiť, pretože skôr či neskôr začnú dominovať. Aj to je súčasť energetickej premeny k trvalo udržateľnej energii. Doteraz sme využívali hlavne fosílne palivá, ale dospeli sme do bodu, keď musíme prejsť na obnoviteľné zdroje energie.
Existujú aj iné dôvody, prečo na Slovensku nenarábame lepšie s príležitosťami, ktoré ponúka solárna technológia?
Slovensko momentálne vyrába až 60 percent elektrickej energie z jadrovej energie. Tá podľa smerníc EÚ predstavuje čistú energiu, hlavným argumentom je, že neprodukuje emisie CO2. Osobne si ale nemyslím, že jadrová energia je obnoviteľná, pretože zásoby uránia sú vyčerpateľné. Ďalších 15 percent energie vyrábajú na Slovensku vodné elektrárne. Čo sa týka smerníc EÚ, Slovensko spĺňa limity podielu energie z obnoviteľných zdrojov, ktoré by mali spĺňať členské krajiny. Tak tu nevzniká tlak, aby sa začala využívať slnečná a veterná energia.
V Holandsku, kde pôsobím, je situácia úplne iná. Je tam jedna jadrová elektráreň, ktorej podiel vo výrobe elektrickej energie predstavuje štyri percentá. Je to teda krajina, ktorá ak má splniť smernice na výrobu čistej elektrickej energie, neostáva jej nič iné, len sa zamerať na slnečnú a veternú energiu. A to aj robíme. Práve Holandsko je jedným z pionierov v zavádzaní technológií, ale aj riešení problémov, ktoré výroba elektrickej energie z týchto zdrojov so sebou prináša.
Je pravda, že trh s fotovoltikou na Slovensku takmer 10 rokov stagnoval. Rok 2023 však zaznamenal zmenu a oproti roku 2022 priniesol sektor s obnoviteľnými zdrojmi energie nárast až o 400 %. Na celom území Slovenska bolo pripojených vyše 21 000 nových obnoviteľných zdrojov, pričom najväčší podiel na tomto prírastku mali práve malé fotovoltické rezidenčné zdroje (až 92 % inštalácií). Aj keď na rozdiel od domácností komerčný sektor v tomto ohľade naďalej zaostáva, je zjavné, že trh sa opäť rozbieha.
Dôležitú úlohu tu zohráva viacero aspektov. Osobne si myslím, že fotovoltika bude v budúcnosti úspešná aj na Slovensku. Pretože skôr či neskôr bude dodávať najlacnejšiu elektrickú energiu, čo je veľmi dôležitý aspekt. Spoločenská akceptácia inovácií nejde zo dňa na deň, treba sa tomu vytrvalo venovať, pracovať s verejnosťou, spomínať výhody.
Ste zástancom toho, aby rozvoj fotovoltiky reagoval na lokálne potreby trhu s elektrickou energiou oproti stavbe veľkých elektrární. V čom najviac spočíva výhoda tohto prístupu?
Nie som úplne proti tomu, aby sme stavali aj väčšie solárne elektrárne, ale plochy v mestách a na dedinách sú také veľké, že ak ich zmysluplne využijeme týmto spôsobom, veľkú časť elektrickej energie, ktorú domácnosti spotrebujú, budeme môcť cez slnečné moduly vyrobiť lokálne. Napríklad náš dom v Holandsku je relatívne malý, no šesť modulov umiestnených na streche nám vyrobí za rok viac elektrickej energie, než doma spotrebujeme. Zvyšok energie dodávame do siete, takže namiesto toho, aby som platil za elektrickú energiu, ešte na tom zarobím.
„Natlačiť na slnečný panel napríklad vzor tehly dnes už nie je žiadny problém.“
Mnohým ľuďom prekáža „nevzhľadnosť“ slnečných panelov. No v súčasnosti už existujú špeciálne potlače na panely, ktoré by tento pohľad mohli zmeniť. Potlačou však solárne panely prichádzajú o 10 percent svojej energetickej účinnosti. Dalo by sa povedať, že aj napriek tomu splní táto nepatrná strata svoj účel a viacero ľudí bude vďaka dizajnovej variabilite ochotných ísť do fotovoltiky?
Spomínaných 10 percent neznamená, že ak má váš solárny panel účinnosť 20 percent, tak umiestnením potlače so vzorom na vrchné sklo bude mať odrazu účinnosť len 10 percent. Strata bude len dvojpercentná. Preto treba ľuďom vysvetľovať, ako to funguje, a možno im aj vypočítať, že to aj napriek malej strate má zmysel. Veď koľko ľudí si kúpi auto nie na základe parametrov, ale preto, lebo sa im páči dizajn, farba. To isté platí pre solárne panely a estetická časť má dodatočnú hodnotu, ktorú ani nedokážeme dostatočne ohodnotiť.
Určite som teda zástancom toho, aby solárne moduly boli estetické a ľudia tak ľahšie prekonali istú bariéru. Dnes je už trendom inštalovať ich na strechy aj na fasády budov spôsobom, aby boli neviditeľné. Natlačiť na slnečný panel napríklad vzor tehly dnes už nie je žiadny problém. Vzor môže byť skutočne akýkoľvek.
Venujete sa tiež výskumu rozsiahlej implementácie fotovoltickej technológie v mestskom prostredí. Vaša skupina vyvinula program Solar Urban, ide o najpokročilejší modelovací súbor nástrojov na umiestnenie solárnych panelov na strechách a fasádach budov a na výpočet energetických výnosov týchto systémov v zložitých mestských oblastiach.
Tento počítačový program je výsledkom projektu s mestom Amsterdam, ktoré má relatívne veľké historické jadro s množstvom monumentálnych stavieb. Práve tieto budovy sú citlivou témou. A keďže v Holandsku majú mestá tiež určené podmienky, kedy a v akom množstve musia vyrábať energiu z obnoviteľných zdrojov, mestské zastupiteľstvo v Amsterdame sa rozhodlo zistiť, či dokážeme navrhnúť inštaláciu slnečných panelov tak, aby získali prehľad o maximálnom potenciáli inštalovania panelov.
Náš program dokáže zmapovať budovy kdekoľvek na svete, pokiaľ sú dostupné dáta. Na základe algoritmu vieme jednotlivé solárne panely v programe na plochy umiestňovať, vypočítať, koľko elektrickej energie by boli za rok schopné vyrobiť, pričom sa berie do úvahy aj dynamické tienenie.
Podieľali ste sa aj na projektoch nabíjania elektrických bicyklov a áut na solárnu energiu. V akom štádiu sú tieto inovácie?
V areáli kampusu našej univerzity sme postavili demo nabíjačky na bicykle a fungujú veľmi dobre. Čo sa týka áut – mali sme doktoranda, ktorý vyvinul úspešný produkt, vďaka ktorému priamo z fotovoltického systému možno jednosmerným prúdom nabíjať batériu v aute, čím sa dokážeme úspešne vyhnúť premene jednosmerného prúdu na striedavý a opačne. Je to významné kvôli tomu, že pri každej takejto premene vznikajú straty. Druhá zložka produktu je zaujímavá hlavne pre ľudí, ktorí vlastnia elektrické autá, pretože táto batéria umožňuje, aby sa priamo z batérie čerpala energia aj pre domácnosť. A do tretice – keď je batéria plná a systém naďalej vyrába elektrickú energiu, môžete ju ďalej dodávať do siete. Na Slovensku to ešte nie je bežne dostupné, no v Holandsku už existuje firma, ktorá tento produkt vyrába.
Ako by spotreba, resp. úspora energie z vlastnej batérie vyzerala v číslach?
Obyčajne majú batérie kapacitu od 50 do 70 kWh, pričom priemerná denná spotreba elektrickej energie v dome alebo v byte je počas leta 7 kWh, v zime od 12 do 14 kWh. Pokiaľ máte doma elektromobil s takouto kapacitou a z nejakého dôvodu by ste získanú elektrickú energiu neprejazdili, batéria by bola schopná pokryť spotrebu elektriny v domácnosti na celý týždeň. Keďže fotovoltika produkuje energiu len počas dňa, takisto večer a v noci je takto možné využívať energiu priamo z batérie namiesto toho, aby ste ju kupovali od dodávateľa za vyššiu cenu.
Na čom pracuje momentálne vaše oddelenie, ktoré patrí medzi najlepšie na svete v oblasti vývoja solárnych článkov?
Na oddelení máme štyri skupiny, jedna z nich sa venuje fotovoltike a otázkam, ako zvýšiť účinnosť solárnych článkov, cirkularite, umelej inteligencii a aj tomu, ako navrhnúť fotovoltický systém pre rôzne aplikácie. Vízia, ktorú máme, je umiestniť solárny panel na každý štvorcový meter, ktorý je na to vhodný, a tiež zvýšiť účinnosť premeny slnečnej na elektrickú energiu. Pretože čím bude účinnosť vyššia, tým tá istá plocha vyrobí viac elektrickej energie.
Pracujeme tiež na platforme, kde by sa prvýkrát v histórii vývoja energetického systému spojili všetky tri nosiče užitočnej energie – elektrina, plyn a teplo, ktoré mali doteraz vlastné siete. Toto miesto nazývame Energy Hub a venujeme sa nielen otázkam, ako ho realizovať, ale aj ako ho riadiť.
Od roku 1998 spolupracujete so SAV. Ako a akým spôsobom sa táto spolupráca začala?
Ako doktorand som pracoval na amorfnom kremíku. Ide o komplexnú materiálovú štruktúru, takže aby ste vedeli vyrobiť účinný článok, musíte dokonale poznať vlastnosti tohto materiálu a potrebujete mať k dispozícii aj množstvo meracích techník, ktoré vám povedia viac o vlastnosti materiálu. V SAV v tom čase vyvinuli niektoré meracie techniky, ktoré mi umožňovali získať tieto poznatky. Následne u mňa v skupine pôsobil v rokoch 2002 až 2004 kolega Vojtech Nádaždy z Fyzikálneho ústavu SAV, ktorý pracoval na príprave slnečných článkov a bol prvý z našej skupiny, ktorý na amorfnom kremíku ako slnečnom článku dosiahol účinnosť 10 percent, čo bolo v tom čase unikátne. Bola to teda vzájomne dobrá spolupráca.
Spoluprácu s akadémiou sme nadviazali aj pred pár rokmi. Šlo o materiál prerovskit, ktorý pripravujú aj vedci v SAV. Ten je momentálne novým trendom v oblasti tandemových slnečných článkov, teda kombinovaní slnečného článku na báze kremíka s iným slnečným článkom.
Ktorú krajinu by sme v súčasnosti mohli označiť za lídra vo výskume solárnych článkov?
Najväčší rozvoj v tejto oblasti je, samozrejme, v Číne. Vyrábajú tam takmer všetky slnečné články aj panely a solárne panely sa tam aj v najväčšom množstve inštalujú. Je im jasné, že treba ísť týmto smerom.
Ako hodnotíte svoju vedeckú cestu?
Svoju kariéru volám aj cesta za slnkom. Keď som začínal, myslel som si, že musím vynájsť niečo veľmi špeciálne. Až neskôr som si uvedomil, že to nie je také jednoduché. Musíte mať na to podmienky. Ak ste v priemernom tíme, aj výsledky sú priemerné. Aby sa vám podarilo dosiahnuť niečo veľké, musíte mať top tím. A ja som rád, že sa mi ho podarilo vytvoriť. Vieme pripraviť slnečné články, ktoré lámu svetové rekordy v účinnosti (teoretická účinnosť solárneho článku s jedným absorpčným materiálom, napríklad kremíkom, je dnes cca 30 percent). Po čase tiež zistíte, že nie vaša osobná kariéra je najdôležitejšia, ale to, že dokážete vytvoriť čosi prospešné aj pre spoločnosť. A ja verím, že fotovoltika bude v budúcnosti jednou z najdôležitejších technológií v oblasti energie.
Profesor MIROSLAV ZEMAN je odborník na fotovoltiku. Od roku 1990 pôsobí na Delft University of Technology v Holandsku, kde 12 rokov viedol Katedru trvalo udržateľnej elektrickej energie. Vo svojom výskume sa zameriava na vývoj nových konceptov na zlepšenie výkonu kremíkových a tandemových solárnych článkov. V roku 2006 spoluzakladal Slovenskú agentúru pre obnoviteľné zdroje energie (Slovak Renewable Energy Agency), v roku 2020 sa stal členom poradného výboru CEMEA SAV. Viedol viac ako 30 holandských a šesť európskych projektov zaoberajúcich sa vývojom tenkovrstvových solárnych článkov a technológiami ich výroby. V roku v 2019 bol v Holandsku kráľom vymenovaný za rytiera Rádu holandského leva, v roku 2023 mu pri príležitosti 30. výročia vzniku Slovenskej republiky bolo udelené štátne vyznamenanie od prezidentky Zuzany Čaputovej.
Stanislava Longauerová
Foto: Martin Bystriansky