Gymnázium Jana Nerudy Hellichova 3, Praha 1
Závěrečná práce studentského projektu Chemické a fotovoltaické zdroje energie
Vedoucí práce: RNDr. Jana Parobková
Vypracoval: Vladimír Lizák
V Praze, leden 2014
1
1. Obsah 2.Úvod 2.1 Definice chemického zdroje energie 2.2 Definice fotovoltaického zdroje energie 2.3 Porovnání zdrojů energie
3. Chemické zdroje energie 3.1 Galvanický článek 3.1.1 Funkce 3.1.2 Historie
3.2 Akumulátor 3.2.1 Funkce 3.2.2 Historie 3.2.3 Budoucnost
3.3 Palivový článek 3.3.1 Funkce 3.3.2 Historie 3.3.3 Budoucnost
3.4 Porovnání článků
4. Fotovoltaické zdroje energie 4.1 Fotovoltaický článek 4.1.1 Fotovoltaické články ”klasické” konstrukce 4.1.2 Vícepřechodové fotovoltaické články 4.1.3 Fotovoltaické články “nové” konstrukce 4.1.3.1 Organické a polymerní fotovoltaické články 4.1.3.2 Fotovoltaické články s barvivem 4.1.3.3 Fotovoltaické články s kvantovými tečkami 4.1.4 Srovnání technologií článků
4.2 Umělý list 4.2.1 Inspirace fotosyntézou 4.2.2 Dělení vody
4.3 Srovnání
5. Závěr
2
2. Úvod Chemické a fotovoltaické zdroje energie hrají klíčovou roli v našem světě. Fotovoltaické zdroje energie přestavují zajímavou možnost nahrazení fosilních paliv a chemické zdroje nutně potřebuje pro uchovávání energie v čím dál tím více zařízeních.
2.1 Definice chemického zdroje energie Chemický zdroj energie je takový zdroj energie, který přeměňuje energii chemickou na energii elektrickou. Takovýmito zdroji energie jsou elektrochemické články. Všechny tyto zdroje pracují na chemickém principu. Chemickou reakcí dochází k uvolnění elektrické energie a produkty takového procesu musí, podle zákona o zachování energie, nižší energii než výchozí látky. Elektrochemické články se ještě dále dělí na primární nedobíjecí články, sekundární dobíjecí články a palivové články. Pro zvýšení napětí se jednotlivé elektrochemické články umisťují do série.
2.2 Definice fotovoltaického zdroje energie Fotovoltaický zdroj energie se vyznačuje tím, že přeměňuje sluneční záření na elektrickou energii. K této přeměně dochází ve fotovoltaických článcích, které se dělí podle způsobu jakým zachycují a přeměňují energii ze slunečního záření - tedy fotony na elektrony. Díky tomu řadíme fotovoltaické zdroje mezi obnovitelné zdroje energie. Mezi fotovoltaické zdroje energie můžeme také zařadit i koncept “umělého listu” který napodobuje fotosyntézu a snaží se vytvořit palivo díky slunečnímu záření. Fotovoltaické zdroje energie známe nejčastěji jako solární panely, to jsou do série zapojení fotovoltaické články.
2.3 Porovnání zdrojů energie Největší rozdíl mezi těmito dvěma zdroji energie je jejich obnovitelnost. Fotovoltaické články poskytují obnovitelný zdroj energie, kdežto chemický proces obnovitelný není. Chemické zdroje energie však na rozdíl od fotovoltaických článků sloužit i jako úschovna elektrické energie. Oběma těmto technologiím se v poslední době dostává mnoho pozornosti. Zvýšená potřeba naší civilizace uchovávat energii, na které jsme závislí, se projevuje na ochotě vyvíjet chemické zdroje s větší kapacitou. Stejně tak produkce elektrické energie bez nežádoucích vedlejších efektů a s kladeným důrazem na obnovitelnost, ukazuje potřebu vyvinout levnější fotovoltaické články.
3
3. Chemické zdroje energie 3.1 Galvanický článek 3.1.1 Funkce Galvanický článek je jednorázový zdroj energie. V tomto elektrochemickém článku probíhá oxidace a redukce. Konstruován je ze dvou poločlánků, ten se vždy skládá ze vodivých elektrod a elektrolytu. Poločlánky jsou spojeny solným můstkem, který vede ionty a zachovává tak elektrickou neutralitu obou elektrolytů. Solný můstek může být nahrazen porézní přepážkou, která dva poločlánky odděluje, ale zároveň umožňuje přestup iontů z jednoho do druhého. Materiál elektrod musí být zvolen tak, aby na jedné mohla probíhat oxidace a na druhé redukce. Elektrodě na které probíhá redukce se říká katoda, anoda je elektroda na které probíhá oxidace. Oxido-redukční reakce v galvanickém článku je nevratná a článek tak nelze dobíjet. Během reakce se anoda spotřebuje a katoda narůstá na objemu.
Toto schema znázorňuje Daiellův článek, vynalezený v roce 1836. Zde jako anoda souží Zinek a jako katoda Měď. Taková baterie přestává fungovat ve chvíli kdy se buď celá zinková anoda oxiduje a nebo kdy se elektrolytu nemůže redukovat Cu2+. 3.1.2 Historie Ze všech chemických zdrojů elektrické energie byl galvanický článek objeven jako první. První článek sestrojil v roce 1800 Alessandro Volta. Tento článek byl konstruován z měděné a zinkové elektrody a jako elektrolyt posloužila kyselina sírová. V dnešní době se setkáváme s například s tužkovými bateriemi.
3.2 Akumulátor 3.2.1 Funkce Akumulátor dostal jméno podle své schopnosti akumulovat elektrickou energii. Funguje 4
na principu změny chemického složení elektrod, které je vratné. Platí stejně jako pro galvanický článek, že pro generování elektrické energie musí probíhat oxidační a redukční reakce na elektrodách. Během vybíjení probíhá reakce v přirozeném směru a generují proud. Pokud napojíme akumulátor na zdroj proudu, směr reakce otočíme. Na elektrodě, kde probíhala oxidace, bude nyní probíhat redukce a obráceně. Například olověný akumulátor, který se skládá z olověné elektrody, elektrody potažené oxidem olovičitým, které jsou ponořené v kyselině sírové má rovnici: Pro anodu: Pb + SO42 → PbSO4 + 2e Pro katodu: PbO2 + 4H+ + SO42 + 2e → PbSO4 + 2H2O Dohromady: Pb + PbO2 + 4H+ + 2SO42 → 2PbSO4 + 2H2O Toto je reakce vybíjení, během této reakce dochází ke zmenšování obou elektrod. Pokud by se akumulátor nabíjel, tak by reakce byla stejná jen otočená a elektrody by se tedy formovali zpátky. 3.2.2 Historie První akumulátor byl sestaven už roku 1802, ale neměl praktické využití. První olověná baterie byla sestrojena roku 1859 francouzským fyzikem R. G. Plantem. Akumulátor s olověnými elektrodami a ředěnou kyselinou sírovou jako elektrolytem se tak stal základem pro akumulátory které používáme dnes. V současnosti používáme v přenosné elektronice hlavně Li-Ion akumulátory díky své nízké váze a celkem vysoké kapacity. Dalším velmi rozšířeným typem je autobaterie. Jedná se o akumulátor na bázi olova, protože snese velký proud bez poškození, nevýhodou je vysoká hmotnost. 3.2.3 Budoucnost Současným největším problémem akumulátorů je malá kapacita a nízká účinnost při dobíjení a vybíjení. V budoucnu se počítá s mnohem masovějším nasazením v elektrických autech, než jak je známe teď. Již v dnešní době existuje čistě eleketrický sériově vyráběný automobil Model S od americké společnosti Tesla Motors, který ovšem používá technologii Lhitium-Iontových baterií. V budoucnu by s rozvojem akumulátorů mělo přicházet víc a víc elektromobilů.
3.3 Palivový článek 3.3.1 Funkce Palivový článek potřebuje na rozdíl od akumulátoru nebo galvanického článku palivo. Toto palivo je přivedeno na anodu kde se oxiduje. Na katodu je přiváděno okysličovadlo, které se redukuje. Palivové články se dělí zejména podle užitého elektrolytu, který ovlivňuje také konstrukci. Jednotlivé typy palivových článků se také dělí podle provozní teploty on 5
nízkoteplotních přes středněteplotní až po vysokoteplotní pracujících při teplotách okolo 1200°C.
Na obrázku vidíme schéma palivového článku s polymerním elektrolytem (PEM Polymer Electrolyte Membrane). Jako palivo je použit vodík a jako okysličovadlo kyslík. Produktem tohoto článku je voda, teplo a elektrický proud. Polymerová membrána je propustná pro ionty H+ a tím umožňuje následující reakci na elektrodách:
H2 → 2H+ + 2e O2 + 4H+ + 4e → 2H2O Mezi další typy článků patří například alkalický palivový článek, ten byl vyvinut jako jeden z prvních. Jedná se o nízkoteplotní palivový článek, tudíž může pracovat i při pokojové teplotě. Alkalický se jmenuje podle alkalického elektrolytu, který je použit, nejčastěji se jedná o KOH nebo NaOH. Přenos náboje v elektrolytu je zajišťován migrací iontů OH-. Na rozdíl od PEM článků mají větší účinnost 60 - 80% proti 50 - 60%. To je však kompenzováno krátkou životností. 3.3.2 Historie První palivové články byly vynalezeny v 19 století, ale měli velmi špatnou účinnost a byl drahý. Další milník v historii palivových článků byl rok 1956 kdy F. T. Bacon sestavil použitelný alkalický palivový článek s výkonem 5 kW. Díky dobrému poměru výkon/váha byli palivové články použity i v programu Apollo, zde bylo výhodou i to, že v raketách už byl kapalný vodík i kyslík a produkovaná voda se také dala využít. 3.3.3 Budoucnost V současné době se na palivové články dívá jako na možnou náhradu fosilních paliv. V kombinaci s levnou výrobou vodíku, to může být technologie, která by mohla hrát významnou roli zejména v dopravě. Již dnes existuje několik autobusů na vodíkový pohon a 6
to i v české republice, stejně tak masová produkce vodíkových automobilů je plánovaná na rok 2015. Masovému rozšíření ale stejně brání vysoká cena této “začínající” technologie a chybějící potřebná infrastruktura.
3.4 Porovnání článků Srovnání primárních sekundárních elektrochemických článků a palivových článků nás vede k tomu, že srovnat je vlastně nejde. Každý z článků má nějaké jiné využití. U galvanických článků je jejich využití limitováno jejich jednorázovostí. Tato nevýhoda je však kompenzovaná jejich velmi nízkou cenou. Jako opětovný generátor elektrické energie vychází tedy lépe akumulátor, ovšem i ten má své nevýhody. S narůstajícím počtem vybíjecích cyklů klesá účinnost až je nepoužitelný. Palivové články mají nespornou výhodu, protože teoreticky mohou fungovat nekonečně dlouho, dokud mají palivo. Pokud bychom srovnali možnosti budoucího využití akumulátorů a palivových článků v dopravě, bude to vcelku vyrovnané. Z pohledu možnosti realizace jsou na tom víceméně stejně jak akumulátory tak vodíkové palivové články jsou již nasazovány do různých vozidel, i když akumulátory k tomu mají blíže. Pohledem na potřebnou infrastrukturu, zde vítězí akumulátory, které potřebují ke svému dobití pouze elektrickou síť která je dostupná. Na rozdíl od vodíkových čerpacích stanic, které chybí a jejich vybudování je nákladné. Ovšem z pohledu užitného jsou na tom palivové články o něco lépe. Jízdní vlastnosti takového auta budou stejné protože je v obou případech poháněno elektricky, ale dojezd již hovoří pro vodíkové články. Stejně tak i rychlost dobíjení, kdy v případě vodíku, stačí doplnit nádrž obdobně jako to děláme nyní, v případě akumulátorů to znamená i několika hodinové dobíjení.
7
4. Fotovoltaické zdroje energie 4.1 Fotovoltaický článek 4.1.1 Fotovoltaické články ”klasické” konstrukce Tyto fotovoltaické články pracují na principu fotoelektrického jevu. Při něm jsou díky absorpci elektromagnetického záření (světla) uvolňovány elektrony z kovu. Ve fotovoltaických článcích je používán křemík, kvůli jeho dobrým fotoelektrickým vlastnostem. Křemík je využit jako polovodič s vodivostí P. Spolu s tenkou vrstvou polovodiče N vzniká P-N přechod. Fotovoltaický článek je tedy velkou polovodičovou diodou. Na P-N přechodu vzniká napětí, a když je článek respektive křemík osvětlen a vzniká na něm náboj (uvolňující se elektrony), při připojení článku do obvodu může díky napětí začít protékat proud. Takovéto články mají největší laboratorní účinnost kolem 26%, jejich teoretická maximální účinnost, kterou definuje Shockleyoův-Queisserův limit je okolo 34%. 4.1.2 Vícepřechodové fotovoltaické články Tyto články se principem funkce neliší od “klasických” fotovoltaických článků. Rozdíl je v konstrukci, kdy na rozdíl od jednoho přechodu P-N je jich ve vrstvách umístěno několik. Protože jeden prvek dokáže pohlcovat energii jen určité části spektra, umístěním několika P-N přechodů z rozdílných prvků přes sebe, se zvětší pohlcovaná část spektra a tudíž se zvyšuje účinnost přeměny slunečního záření. Jejich teoretická maximální účinnost počítaná přes Shockleyoův-Queisserův limit při nekonečném počtu vrstev je 87%. V laboratorních podmínkách se povedlo sestrojit třívrstvý článek pracující v koncentrovaném slunečním světle s účinností 44%. Koncentrované fotovoltaické systémy jsou systémy, které využívají čoček k zvýšení intenzity dopadajícího světla na fotovoltaické články. Pro nekoncentrované sluneční světlo je rekord v účinnosti 37,7% dosažený také s třívrstvým článkem. Tento článek byl sestaven v Sharpu a jeho stavba je znázorněna na schematu níže.
Na grafu vidíme světle žlutou barvou vyznačenou energii ze slunečního záření v závislosti na vlnové délce, barevně jsou označeny oblasti spektra které daná vrstva článku dokáže 8
pohltit a přeměnit na elektrickou energii. Ve spodní vrstvě je umístěna látka (InGaAs), která přeměňují světlo s největší vlnovou délkou, protože má nejmenší energii potřebnou pro excitaci svého elektronu. 4.1.3 Fotovoltaické články “nové” konstrukce Kromě fotovoltaických článků “klasické” konstrukce se v poslední době objevují nové typy článků, které využívají jiných materiálů. Ty ovšem zatím nemají tak velkou účinnost, ale vkládá se do nich velká naděje do budoucna. 4.1.3.1 Organické a polymerní fotovoltaické články Tyto fotovoltaické články jsou tvořeny organickými polovodiči donor a akceptor. Donor je polovodič typu N a akceptor polovodič typu P. Při dopadu slunečního záření se díky energii fotonů excitují organické látky na exciton, což je vztah mezi elektronem a dírou, který se pohybuje a na P-N přechodu se rozdělí na elektron a kladně nabitou díru. Existuje několik způsobů uspořádání elektron donorů a akcetptorů, mohou být smíchané v jedné vrstvě, nebo rozděleni do dvou vrstev. To jak jsou uspořádány ovlivňuje účinnost článku, protože excitony jsou jinak rozdělovány. Jako organické látky se také používají polymery díky nízké ceně a možnosti je jednoduše modifikovat. Například přidáním nebo upravením funkční skupiny polymeru, se může zvýšit kvalita přenosu náboje v rámci článku a tím zvýšit účinnost celého článku. 4.1.3.2 Fotovoltaické články s barvivem Fotovoltaické články s barvivem se řadí mezi organické články, jejich specialitou je použití barviva pro transformaci fotonů. Tyto články s také nazývají Grätzelovy články podle jednoho ze dvou vynálezců, kteří je v roce 1991 vyrobili.
9
Na schematu vidíme jak je článek konstruován. Na osvětlené straně se nachází průhledná elektroda následovaná fotosenzitivním barvivem umístěném na TiO2, zde dochází vlivem slunečního záření k excitaci barviva a jeho následné oxidaci a vzniku e-. Elektron je přenesen po TiO2 k průhledné elektrodě. Zároveň je přítomný i elektrolyt, který je vodivě spojen s druhou elektrodou a jeho funkcí je transfer elektronů pro redukci barviva zpět do výchozího stavu. 4.1.3.3 Fotovoltaické články s kvantovými tečkami Jednou ze slibných technologií je využití kvantových teček v fotovoltaických článcích. Kvantové tečky jsou velmi malé struktury (kolem 40 nm) nanesené na nějaký materiál. Díky svým velmi malým rozměrům, kvantové tečky vykazují vlastnosti “atomu” při manipulaci s fotony a elektrony. Při změně velikosti kvantové tečky, dochází ke změně frekvence absorbovaného světla, to umožňuje fotovoltaickým článkům, které používají kvantové tečky pro absorpci fotonů, zvětšit spektrum absorbovaného světla, umístěním různě velkých kvantových teček vedle sebe.
Na obrázku můžeme vidět jednotlivé kvantové tečky zobrazené mikroskopem atomárních sil. V tomto případě se jedná o kvantové tečky z Indium Arsenidu (InAs). 4.1.4 Srovnání technologií článků Cílem konstrukce fotovoltaického článku je dosáhnout co nejlepšího poměru vyrobené energie k ceně. Ke zlepšení účinnosti přeměny slunečního záření, je možné použít několik přístupů. Asi nejlepší je pokrýt co největší spektrum záření, které dopadá na zem. A v tomto případě nejde jen o viditelné záření. Takové vylepšení prezentují vícepřechodové fotovoltaické články a články s kvantovými tečkami. Ostatní články se zaměřují na jiné aspekty a těmi jsou cena výroby a aplikovatelnost. Z pohledu budoucího nasazení v praxi mají nejvíc slibující vlastnosti články, využívající nové postupy, jako jsou fotovoltaické články používající barvivo, které mohou být částečně průhledné. Také velmi lehké polymerové solární články, které jsou navíc ohebné, ukazují, že 10
pro možnou aplikaci v například přenosných zařízeních mají právě ony v ruce největší trumfy.
Na grafu můžeme pozorovat vývoj účinnosti experimentálních fotovoltaických článků od roku 1975. Z něho je patrné, že nejlepší účinnost mají obecně v rámci svých technologií, články využívající koncentrované sluneční záření. V případě vícepřechodových fotovoltaických článků je rozdíl kolem 7%. Dále si můžeme všimnout, že právě vícepřechodové články jsou nejlepšími z pohledu účinnosti. Tenkovrstevní články jsou v účinnosti horší než klasické křemíkové články se silnou vrstvou. Nejhorší účinnost mají články, které byli objeveny teprve nedávno, ovšem rychlost zvyšování jejich účinnosti je nejslibnější ze všech technologií.
4.2 Umělý list Umělý list není fotovoltaický článek, ale využívá slunečního záření k výrobě paliva. Umělý list se snaží napodobit fotosyntézu ve skutečném listu. 4.2.1 Inspirace fotosyntézou Umělý list se snaží napodobit reakci fotosyntézy, která probíhá v listech rostlin. Reakce fotosyntézy je následující: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 11
Tato reakce ale probíhá ve dvou krocích, v prvním je voda rozdělena na vodík a kyslík, v tom druhém je vytvořena glukóza. Ovšem z energetického pohledu, největší energie je uložena právě v rozdělení vody. Následná produkce sacharid již výrazně nezvyšuje uloženou energii. Naše inspirace fotosyntézou tedy spočívá ve vytvoření systému, který pomocí slunečního světla a katalyzátorů dělí vodu na kyslík a vodík. 4.2.2 Dělení vody Funkční prototyp takového listu sestrojil Daniel G. Nocera a jeho tým v roce 2007. Tento list po vložení do vody a vystavení slunečnímu záření rozděluje vodu na vodík a kyslík. K tomu je využíváno křemíku s rozdílnými katalyzátory. Na jedné straně se voda oxiduje a uvolňuje se tak 02 a na druhé redukuje a vzniká tak H2. Vytváří se tak možné palivo například do palivových článků. Tento list je sestaven z vícevrstvého křemíkového fotovoltaického článku, který generuje elektrony s účinností 6.2% na něm je z každé strany nanesen katalyzátor. Z jedné strany se jedná o Co-OEC (kyslík vyvíjející komplex na bázi kobaltu) a na druhé straně jde o NiMoZn. Na Co.OEC tak vziká kyslík a na NiMoZn se formuje vodík. Celková účinnost této přeměny slunečního záření na rozdělený vodík a kysík je 4,7%.
Takto vypadá prototyp tohoto umělého listu, jeho největší výhodou je, že funguje i v ne úplně čisté vodě a je vyrobený z dostupných materiálů. Pro jeho masové nasazení zejména v rozvojových zemích je však ještě potřeba snížit jeho výrobní náklady.
4.3 Srovnání Rozdíl mezi fotovoltaickými články a umělým listem je na první pohled patrný. Z pohledu účinnosti přidává umělý list jednu přeměnu navíc oproti přímé přeměně sluneční záření elektrická energie v fotovoltaických článcích. Na druhou strnu však umělý list přináší výhodu v podobě skladovatelnosti vytvořeného paliva. Účinnost skladování elektrické energie se 12
nevyrovná relativně jednoduchému skladování vodíku, i když to také není zadarmo. Umělý list ke své funkci také vyžaduje vodu, což může být problém při nasazení v rozvojových zemích. Obě dvě technologie jsou obnovitelnými zdroji energie a využívají ke svému fungování sluneční záření, umělý list je spíše nástavbou nad fotovoltaický článek, která přináší jinou formu uchování energie a je tak vhodnější pro zařízení s neokamžitou spotřebou. V možnostech budoucího nasazení mají obě technologie rozdílnou startovací pozici. Fotovoltaické články jsou již nyní hojně využívány ke produkci elektrické energie, jejich nasazení tak je spíš postupnou evolucí. Umělý list a s ním spojená technologie vodíkových palivových článků je však věcí novou, i když palivové články již známe dlouho, a nasazení kombinace těchto technologií, by při svém úspěchu, byla spíše malou energetickou revolucí.
13
5. Závěr Z mého pohledu, chemické a fotovoltaické zdroje energie mají před sebou zajímavou budoucnost a stále hodně možností vývoje a vylepšení. I když některé technologie známe i víc jak 200 let, tak potřeba uchovávat a vytvářet elektrickou energii jsou v naší civilizaci natolik klíčová, že tyto technologie se budou nadále velmi rozvíjet. Chemické zdroje energie stále bojují s malou kapacitou a špatnou účinností při nabíjení nebo vybíjení, takže zde je velký potenciál v budoucím výzkumu. Stejně tak fotovoltaické články, které v praktickém využití naráží hlavně na vysokou výrobní cenu, nabízí mnoho technologických výzev. A zatím ne moc probádané možnosti napodobení fotosyntézy se zapojením vodíkových palivových článků nám také ukazují možnosti řešení našich problémů s energií. Ve spojení s novými možnostmi, které přestavují například nanotechnologie můžeme očekávat vylepšení současných technologií v dohledné době. Chemické a fotovoltaické zdroje energie jsou již dnes klíčovým prvkem ve fungování naší civilizace.
14
Zdroje: Daniel G. Nocera The Artificial Leaf, Vol. 45, No. 5,2012, Accounts of chemical reasearch Tayebeh Ameri Highly efficient organic tandem solar cells: a follow up review, Energy Environ. Sci., 2013, 6, Lorenzo Grande Graphene for energy harvesting/storage devices and printed electroics Chen Li PolyphenyleneBased Materials for Organic Photovoltaics Sionová, M. Organické solární články. U.S. Department of Energy Office of Energy & Renewable Energy http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/fuelcells/fc_types.html Pv magazine photovoltaics markets & technology http://www.pvmagazine.com/news/details/beitrag/sharpdevelops369percentefficientsolarce ll_100004890 Printed electronic world http://www.printedelectronicsworld.com/articles/tanakaexclusivelysupplyrutheniumdyefordye sensitizedsolarcells00004062.asp Aldebran http://www.aldebaran.cz/bulletin/2005_18_qua.php Best Reasearch cell efficiencies http://commons.wikimedia.org/wiki/File:PVeff(rev121211).jpg Umělý list http://en.wikipedia.org/wiki/File:Photo_Electric_Cell_Evolving_Hydrogen_and_Oxygen.jpg http://cs.wikipedia.org http://www.battex.info/
15
