Domácí zelená

Fotovoltaika s razítkem Czech made. Hezká pohádka, nebo myslitelná realita? „Pokud urychleně nezačneme s výrobou větších objemů vlastních solárních panelů, zůstaneme totálně závislí na externích dodavatelích, zejména na Číně. Přitom se stále více ukazuje, že tyto závislosti nejsou zdravé a představují energetický hazard,“ popisuje současnou situaci Martin Ledinský, vedoucí skupiny tenkých vrstev pro fotovoltaické apli­kace z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR. Za jak dlouho a nakolik se Česko, potažmo Evropa mohou stát „solárně soběstačnými“?

Evropa dnes vyrábí jen asi jedno procento světové produkce solárních článků, ale zároveň instaluje více než pětinu globální fotovoltaické kapacity. Přitom cílem Evropské unie do roku 2030 je, aby téměř jedna třetina (32 procent) energie pocházela z obnovitelných zdrojů. Česko je v tomto ohledu skromnější a vytklo si k danému roku cíl 22 procent. Nyní je instalovaná kapacita našich fotovoltaických elektráren zhruba tři procenta – za sedm let bychom tedy měli výkon zněkolikanásobit a současně co nejvíce posílit vlastní výrobu. Klíčovou roli hraje projekt Pilatus podpořený evropským grantem Horizon Europe ve výši 10,5 milionu eur, na němž se podílí i tým z Fyzikálního ústavu AV ČR pod vedením Martina Ledinského společně s kolegy z Belgie, Itálie, Německa, Nizozemska, Norska, Švýcarska a Velké Británie.

„V současnosti probíhá v Evropě více podobných projektů, jejichž cílem je snížit dosavadní závislost na externích dodavatelích a zároveň získat technologický náskok,“ popisuje aktuální situa­ci Martin Ledinský. A dodává: „Nejen projekt Pilatus, na kterém se aktivně podílíme, ale i několik dalších jako třeba německý Pepperoni zabývající se tandemovými články na bázi inovativní technologie, i když jde zatím o čistě vědecký projekt, který má ještě daleko k průmyslovému využití. Do budoucna jsou ale nové technologie a materiály tím, co nám může zajistit významnou konkurenční výhodu.“

Náhrada čínské výroby

Co se týče snížení závislosti, jsou mnohem blíž cíli právě projekt Pilatus nebo projekt IBC4EU německé Kostnické univerzity. V rámci Technology Readiness Level (úroveň technologické připravenosti, TRL) jsou prakticky na samém vrcholu, na úrovni osm až devět, což znamená pilotní projekty aplikovatelné v širší průmyslové praxi. „Výroba monokrystalu křemíku pro fotovoltaické články je poměrně choulostivý a technologicky náročný proces založený na Czochralského metodě, kdy se z taveniny za pomalé rychlosti a zároveň pozvolné rotace ‚vytahuje‘ monokrystal křemíku, který nakonec dosáhne ve své tloušťce/průměru 30 centimetrů a v délce až čtyř metrů,“ popisuje výrobu výchozího materiálu Ledinský.

Pilotní linka na produkci těchto monokrystalů bude v Norsku, aby se při energeticky náročné výrobě využily místní vodní elektrárny. Tato fáze výroby nepředstavuje nic nového, ale jde především o to, aby měla co nejnižší emise oxidu uhličitého. Aby se výchozí materiál pro výrobu „zelené energie“ také vyráběl „zeleně“. Jedině tím jsme schopní se výrazně odlišit od současné masové zahraniční výroby, kde je bilance ušetřené uhlíkové stopy v porovnání s tou vynaloženou při výrobě monokrystalů pro fotovoltaické články výrazně horší.

„Je jasné, že se výslednou cenou výroby Číně nevyrovnáme, ale o moc dražší nebudeme. Navíc razantní snížení environmentálních dopadů je jedním z atributů, na které zákazníci při volbě produktů pozitivně reagují. A nejen na ně. Například Panasonic kdysi vyráběl celočerné články, které byly sice o dost dražší než konkurence, ale byly designově unikátní, takže se velmi dobře prodávaly,“ vzpomíná Ledinský. A pokračuje: „Podobně to může fungovat i u nás. Navíc jsme vyvinuli unikátní technologii s umístěním vodivých kontaktů na zadní straně panelu, takže přední strana je naprosto čistá a hladká. To otvírá široké využití i tam, kde jsou tradiční fotovoltaické články nepoužitelné.“

Díky této české technologii lze články využít oboustranně, mohou se instalovat i v kolmé pozici, ideálně v severojižní orien­taci. Sluneční záření tak budou zachycovat z jedné strany dopoledne, z druhé odpoledne, čímž se částečně vyhladí polední fotovoltaická špička, kdy panely standardně generují nejvíc energie. Největší využití se předpokládá v agro­fotovoltaice – panely se umístí na polích v optimální vzdálenosti, aby se tam zároveň mohly pěstovat plodiny nebo pást užitková zvířata. Jak velkou roli ale může hrát fotovoltaika v našem budoucím energetickém mixu, nakolik se na ní bude v realistickém pohledu podílet čistě česká výroba a jak to bude se surovinovou závislostí?

„Předně nejsem proti jádru, ale foto­voltaika může z mého pohledu fungovat jako významný doplněk energetického mixu. Technologický potenciál v Česku bezpochyby máme, nyní jde hlavně o rentabilitu. Malé, jakkoli nadějně vypadající projekty jsou dnes ekonomicky nerentabilní. Továrna na výrobu křemíkových solárních článků musí mít roční produkci tři až pět gigawattpeaků (GWp je špičkový finální výkon ve wattech – pozn. red.), aby se dalo mluvit o ekonomické únosnosti. To znamená zdesetinásobit dosavadní evropskou produkci během několika následujících let,“ vypočítává Ledinský. Pro srovnání, dnes se celosvětově vyprodukuje asi 300 GWp fotovoltaických panelů ročně.

Při pohledu na tato čísla je jasné, že čínskou výrobu není možné ze dne na den zcela nahradit. Jenomže to ani není cílem – nejdůležitější je co nejvíce oslabit dosavadní, téměř totální světovou závislost na asijské produkci a mít kapacitu na vykrývání výpadků klíčových komponentů, jak jsme to zažívali při covidové krizi, s níž bylo spojeno i uzavírání čínských továren a mezinárodní dopravy. „Zásadní je proto co nejvíc posílit výrobu. Ačkoli se nikdy ani jako celá Evropa nestaneme stoprocentně nezávislí, můžeme si alespoň zajistit stabilní základ a zároveň rozvíjet stávající a vytvářet nové technologické know-how,“ říká Ledinský.

Vědecko-technologický vývoj

Mnohem palčivější otázkou do budoucna jsou suroviny nezbytné pro výrobu fotovoltaických článků. „Největším problémem dnes není ani tak výchozí surovina křemík, třebaže se u nás významné množství křemičitých písků netěží. Ale limituje nás aktuálně hlavně stříbro coby nejpoužívanější surovina pro výrobu kontaktů – to jsou ty tenké lesklé čárky na vršku nebo spodku panelu,“ vysvětluje Ledinský.

A dodává: „Tento prvek je dobře vodivý a dá se tvarovat do tenkých linek, čili je to ideální materiál pro fotovoltaiku. Jenomže s nárůstem poptávky po těchto zařízeních se již dnes dostáváme ve spotřebě stříbra na úroveň téměř jedné třetiny celosvětové těžby, přitom stříbro se stále více využívá v mnoha dalších moderních technologiích. Budeme tedy muset začít používat něco jiného.

Pravděpodobně se přejde na měděné kontakty, které jsou levnější. Ale také méně vodivé, takže mohutnost kontaktů bude muset být větší, aby se neprojevily odporové ztráty, což znamená potřebu vyššího stínění – tedy i vyšší spotřebu nezbytných materiálů.“

V surovinové dostupnosti tedy žádnou nadějnou perspektivu nemáme, zato se můžeme uplatnit ve vědecko-technologickém vývoji. „Dosavadní křemíková fotovoltaika už svým způsobem končí, ve vědeckém smyslu už není kam jít dál. Účinnost solárních panelů je dnes s 26,7 procenty téměř na limitu – teoretický je 29,4 procenta, praktický se započtením kontaktovacích a odporových ztrát zhruba 27 procent. Proto je nezbytné soustředit se na další vývoj, byť je to z dnešního pohledu běh na dlouhou trať,“ vysvětluje Ledinský.

A pokračuje: „Velmi slibně vypadají tandemové články, kdy se na článek nanese další fotovoltaicky aktivní vrstva – my konkrétně zkoumáme halidové perovskity, které dokáží zvýšit účinnost článku přes 31 procent. Sice jde z hlediska připravenosti technologie o první ‚laboratorní‘ fáze, ale slibné zejména je, že prvky potřebné k výrobě těchto vrstev jsou běžně dostupné na rozdíl od stříbra, lithia či kovů vzácných zemin, které nejsou po světě rozesety úplně ‚spravedlivě‘, a pro jejichž zpracování stačí teplota 80 stupňů Celsia, takže odpadá i energetická náročnost – například ve srovnání s křemíkem, který se taví při 1 500 stupních Celsia.“ Premianty jsme nejen ve vývoji nových technologií.

„Málokdo to možná ví, ale právě u nás byl kdysi vynalezen klíčový krok pro výrobu fotovoltaiky. Obrovský křemíkový krystal je totiž třeba oříznout do takzvaného pseudočtverce a ten pak precizně nakrájet na plátky jako salám. Z nich se poté vyrábějí solární články. Řezání se provádí speciálními diamantovými pilami – a ještě nedávno, ve druhé polovině prvního desetiletí tohoto století, bylo Česko jejich největším výrobcem a vývozcem,“ upozorňuje Ledinský.

A dodává: „Ostatně tehdy bývala Evropa jednoznačným lídrem i v jiných zásadních oblastech fotovoltaických technologií, například firma Q Cells byla největším výrobcem/vývozcem fotovoltaických článků. Jenomže pak se všechen tento průmysl za podpory vládních dotací přestěhoval do Číny, a to jak z důvodů ekonomických, tak i co do restrikcí ohledně dopadů výroby na životní prostředí nebo pracovních podmínek zaměstnanců.“

Průmyslové pirátství

Nemůžeme ovšem žít jen úspěšnou minulostí, a ani jí nežijeme. Jedním z nejčerstvějších úspěchů týmu Fyzi­kálního ústavu AV ČR je vyvinutí rychlé a přesné metody k měření tloušťky zadních kontaktů, jejíž doba se z dosavadních desítek zkrátila pod jedinou sekundu, takže kontrola probíhá v reálném čase na výrobní lince, již když fotovoltaický článek vyjede z depoziční komory. „Jde o unikátní patentovaný způsob charakterizace kontaktů, který nám otvírá dveře do dalších projektů. Proti Číně nás to sice asi úplně neochrání, ale je to zlatá vstupenka pro uplatnění v industriálních aplikacích,“ říká Ledinský.

Patenty totiž v dnešní době již nepředstavují neprůstřelnou ochranu před krádeží průmyslových/autorských práv. Své by o tom mohla vyprávět německá společnost Meyer Burger, dlouholetý výrobce depozičních aparatur na tenkovrstvý křemík, která do projektů evropské fotovoltaiky investuje řádově více než programy EU. „Často se jim stalo, že prodali do Číny nějakou svou technologii – jeden, dva kusy zařízení. S příslibem odběru dalších desítek, jenže k tomu již nikdy nedošlo. Zato během krátké doby začala daná společnost ‚chrlit ve velkém‘ výrobky, které se nedaly v tak velkých objemech vyrábět jinak, než že dodané a patentem chráněné stroje okopírovali,“ uvádí Ledinský.

Boj proti „průmyslovému pirátství“ je proto další zásadní motivací EU pro co největší podporu domácí výroby. Pro zvýšení výroby budou ovšem vedle originálních technologií zapotřebí i kvalifikovaní pracovníci. Technické obory ve středním i vyšším vzdělávání u nás dlouhou dobu nebyly příliš v kurzu. Jak se to promítne do situace na trhu s fotovoltaickými instalacemi? „Co se týče samotné výroby, tak asi nijak zvlášť citelně. Výroba fotovoltaiky žádné velké množství lidí nepotřebuje, jde o vysoce automatizované procesy, kde lidská ruka nemůže ani na nic sáhnout, takže v tomhle ohledu žádný problém nevidím,“ říká Ledinský.

Ovšem v navazujících procesech je situace zcela jiná. „Vážný problém už nastal u montáží, zejména co se týče domácí fotovoltaiky. Kvůli rostoucím cenám energií a zároveň díky státním pobídkám se nebývale zvedá zájem o instalace na budovy, ale zároveň s tím nám citelně chybí dostatek kvalifikovaných montérů. V tomto ohledu zaostáváme snad za všemi zeměmi v Evropě – nejen za premian­ty, jako je Německo, ale třeba i za sousedním Polskem,“ vysvětluje Ledinský. Hlavní příčinou byl „solární tunel“, v jehož důsledku se zavádění fotovoltaiky výrazně zpomalilo.

Všude jinde se tato oblast rozvíjela kontinuálně podle poptávky, do oboru přicházeli noví pracovníci, kteří se mohli postupně učit přímo v praxi, a proto dnes mají v těchto zemích k dispozici solidní instalační základnu. Česko bude muset v tomto ohledu hodně šlápnout na plyn, abychom jejich náskok dohnali – protože vyrobit nebo dovézt fotovoltaické články není takový problém jako mít dostatečnou kapacitu na jejich rychlou, kvalitní a profesionální instalaci, která se v současnosti prodlužuje až na několik měsíců.

Recyklace

Vedle výroby je zde i další oblast, v níž by se mohl český průmysl uplatnit – recyklace. Standardní záruka na fotovoltaický článek je v současné době 30 let. Jelikož velká část solárních elektráren vznikala na konci prvního desetiletí tohoto století, mohlo by se zdát, že na plány ohledně recyklačních linek v Česku máme ještě dost času. Jenže štěstí přeje připraveným a recyklace solárních panelů není v podstatě žádná velká věda.

„Proč mají současné solární panely právě 30letou záruční lhůtu?“ ptá se Ledinský. A odpovídá: „Není to tím, že by fotovoltaický efekt přestal po této době fungovat. Vezměte si první fotovoltaický článek, který byl vyroben v roce 1952, tedy před 70 lety, a který má dodnes stejnou účinnost jako na svém začátku. Tehdy na něm udělali z dnešního pohledu naddimenzované, masivní stříbrné kontakty, jelikož se v pilotním projektu nikdo příliš nevzrušoval výslednou cenou.“

A svou odpověď doplňuje: „Pro komerční praxi se však solární články vyrábějí co nejekonomičtěji, to znamená, že kontakty jsou co nejvíc tenké. Časem ale vlivem okolního prostředí korodují, čímž se zvyšují odporové ztráty a klesá účinnost přeměny slunečního záření na elektrickou energii. Typicky o 0,5 relativního procenta ročně, až se za 25 až 30 let dostanou pod hranici rentabilní účinnosti.“ Právě stříbro používané na kontakty je v hledáčku recyklačních firem – dá se totiž velmi snadno separovat a díky své výkupní ceně, která navzdory krátkodobým výkyvům stabilně roste, zaplatí získaný materiál celý proces recyklace. S vysokou výtěžností se dají recyklovat také hliníkové rámy.

Poněkud složitější je recyklace kovů z „krabiček“ s jemnou elektronikou a nejsložitější je recyklace panelů. „Solární panel je chráněn umělohmotnými fóliemi, které je třeba odleptat, než se dostanete k tenké křemíkové vrstvě. Ten by se posléze dal zrecyklovat a použít na výrobu nových panelů, problém je ovšem s ‚dopanty‘ – z jedné strany je totiž destička obohacena atomy trojmocného prvku, například bóru, z druhé atomy pětimocného prvku, například arzenu. Recyklovat se dá i použité sklo – nejekonomičtěji tím, že se rozemele do stavebních hmot,“ říká Ledinský.

Materiálové využití vysloužilých fotovoltaických panelů je již od roku 2015 podle směrnice EU 2012/19/EU zákonem povinné – při jejich zpracování je nezbytná 70procentní recyklace a 80 procent dalšího využití, pouze zbylých 20 procent lze deponovat na skládku. U nás vyvinula jedinečnou technologii zpracování, mechanické separace skla, společnost Aquatest, která od roku 2015 zpracovala více než 300 tun „solárního odpadu“. Jak to bude s českou, potažmo evropskou výrobní základnou fotovoltaiky dál?

V Česku nebudeme nikdy soběstační, co se týče produkce fotovoltaických panelů, a to ani na nejnižší úrovni ekonomické rentability, tedy ve zmíněné minimální výrobní kapacitě pěti gigawattpeaků. Ale můžeme se stát významnou součástí evropského výrobně-dodavatelského řetězce.

Nejperspektivnější prostor se pro nás otvírá ve speciálních aplikacích, které mají smysl i v menších objemech výroby – nejen pohledově unikátní instalace jako zastřešené dopravní stanice, ale i fotovoltaické články umístěné nad vinicemi, ovocnými sady nebo malinovými poli, které budou zároveň vyrábět energii pro čerpadla závlahových systémů. To samé platí pro skleníky, které mohou fotovoltaické panely využívat jako zdroj energie a zároveň i jako stínění ve slunných dnech.

„Je zde ale poměrně úzké časové okno, kdy se můžeme se svými technologiemi do evropského výrobního procesu začlenit. Kvalifikovaných lidí máme dostatek, stejně jako se zkušenostmi s předchozími technologiemi a také hodně lidí ve výzkumných centrech – jde jen o to, aby se dostali až do průmyslových procesů. Projekt Pilatus se týká především toho, abychom do výroby přivedli účinnější solární články, než jsou ty současné standardní,“ uzavírá Martin Ledinský. A dodává: „Toto časové okno není neomezené, odhaduji to tak na čtyři až pět let, během nichž musíme zprovoznit pilotní linku a začít vyrábět ve větších objemech, díky nimž se nové technologie dostanou na rozumnou cenovou hladinu a uchytí se na trhu. Když to neuděláme teď, už se nám to zřejmě nikdy později nepovede.“