2012/12



   Eesti Looduse
   fotovoistlus 2010




   AIANDUS.EE

Eesti Loodus
artikkel EL 2006/7
Pikeseenergeetikal on tulevikku ka Eestis

Naftat ja muid fossiilseid energiavarusid ei jagu lputult. Juba pikka aega on ttatud teiste vimaluste kallal: tuulejud, veevool, biomass, Pikese kiirgusenergia. Viimasest on Eestis ehk juttu tehtud kige vhem, kuid ka pikeseenergeetika vib tulevikus meile oluline olla.

Inimesele on omane pd vahetevahel vaadata tulevikku ning oma teadmiste ja kogemustepagasi alusel aimata tulevast elukorraldust. Eriti lihtne on ette nha seda kurba tsiasja, et kskord ei olegi enam vimalik maapuest naftat pumbata. See lihtsalt saab otsa! Ja mitte ainult nafta. Seetttu on juba tkk aega otsitud alternatiive, mis aitaksid leevendada tuleviku energiaprobleeme.

Paraku ei ole energia oluline mitte ainult meie kigi igapevaelus, vaid isegi lemaailmses poliitikas. sna ebademokraatlikult on mned riigid seni energiamonopolist kasu liganud. Sealjuures on vedanud meilgi siin Eestis. Ltlastel ja isegi soomlastel pole meie plevkivile midagi vastu panna. Kuid soomlastel on ikkagi Nokia. Vastupidi loogikareeglitele kaalub soomlaste Nokia imelikul kombel ndisajal ja ilmselt ka tulevikus le meie kollaka kiviklibu. Aga soomlaste edu saladus peitus just selles, et nad suutsid igel ajal aimata inimeste soovi olla kttesaadavad nii seenemetsas kui ka suvemajas. Nemad pidid seda soovi ette arvama, meie aga tegelikult suisa teame, kuhupoole areng suundub: paljude ekspertide arusaamad tuleviku energeetikast viitavad hel vi teisel moel sellele, et lhiajal viks elekter meie kodudesse juda pikesepatareide kaudu.

Pikeseenergeetika maailmas. Aegade vltel on tsivilisatsioon sltunud oma vimest toota energiat. Inimese elukvaliteedi paranemine on otseselt seotud kasutatava energia hulgaga. Maailma elanikkond suureneb aga igal aastal kuni kuue miljoni inimese vrra ja igaks neist vajab energiat. Samal ajal ei jua elektrienergia juba praegusajal ligi kolmandikuni maa elanikkonnast.

Viimase saja aasta jooksul on inimkond saanud endale vajalikku energiat valdavalt fossiilsete energiaallikate kivise, nafta ja maagaasi pletamisel. Selle tttu on aga oluliselt saastunud looduskeskkond ja kujunenud kasvuhooneefekt. Tnapeval on kindlalt aru saadud, et kasvuhoonegaaside kontsentratsiooni tus atmosfris on phjustanud nii inimkonnale kui ka elusloodusele mneti ebameeldivad kliimamuutused.

Aastas Maale langeva Pikese kiirgusenergia hulk on tohutu: 178 000 TW. See arv letab kogu inimkonna energiakulu samal ajavahemikul umbes 15 000 korda. Eesti-suurusele pindalale langenud energiast piisaks, et tielikult rahuldada maailma praegused vajadused.

Energiavarude sltumatust ja leminekut pikeseenergeetikaajastule on oluliseks pidanud nii USA, Jaapan kui ka Euroopa Liit. EL on isegi vlja elnud, et pooljuhtpikeseenergeetika on selle sajandi kige prioriteetsem suund energeetikas. Seda kajastab ilmekalt Euroopa Komisjoni hiljuti avaldatud tegevuskava A Vision for Photovoltaic Technology, kus on prognoositud arengut kuni 2040. aastani [2]. Selle jrgi peab pooljuhtpikeseenergeetika olema hinnalt konkurentsivimeline traditsioonilise energeetikaga Luna-Euroopas juba 2010. aastaks ja enamikus Euroopa riikides aastaks 2030. Selleks ajaks peaks pooljuhtpikeseenergeetika seadiste (pikesepaneelide) abil toodetud elektrienergia hlmama umbes 4% maailma elektritoodangust ja aastaks 2040 ligi 10%. Praegu hlmab pooljuhtpikeseenergeetika maailma elektritoodangust ligikaudu 0,01%. Seega neb kava ette vhem kui 35 aasta jooksul tuhandekordse tusu. Et seda saavutada, piisab, kui pooljuhtpikesepaneelide toodang psiks tulevikus viimase viie aasta kasvutempos, s.o. umbes 40% lisa igal aastal. Samal ajal on energiatootmine tavapraste energiakandjate abil suurenenud 12% aastas. Tegevuskava ksitleb aastat 2030 ainult vahethisena: rhutatakse, et pooljuhtpikeseenergeetika osa energiabilansis suureneb kindlalt hiljemgi.

Aastal 2004 toodeti maailmas pikesepaneele koguvimsusega umbes 1200 MW [6]. Suurim pikesepatareide tootja on Jaapan, kus valmib ligikaudu 50% kogu maailma pikesepaneelidest. Samal ajal on suurim turg aga Saksamaa, kus asub ligi 80% kogu Euroopas paigaldatud pikesepaneelidest (# 1). Pikeseenergiat soosivad ka Jaapan ja Ameerika hendriigid. USA-s on teoksil programm, mille eesmrk on katta pikesepaneelidega miljon katust. Pikeseenergeetika suurimat kasvu on viimasel ajal olnud mrgata Hiinas. Thelepanuvrne on seegi, et Luna-Portugalis algas sel aastal maailma suurima pikesest elektrienergiat tootva kompleksi, 11-megavatise elektrijaama ehitus, mis koosneb 52 000 pikesepaneelide moodulist. See pikeseelektrijaam peaks suutma varustada elektrienergiaga umbes 8000 majapidamist [5].


Pikeseenergia kasutusvimalused. Eestis on praegusajal Pikese kiirgusenergiat ehk kige enam kasutatud majapidamisvee soojendamiseks suvekuudel (aprillist septembrini). Seda on rakendatud niteks Vndra haiglas ja Keila SOS-lasteklas. Ilmselt sna pea hakkavad pikeseenergiat sel moel kasutama ka kmpingud ja turismitalud, kus sooja vee tarve on sna suur.

Maasse salvestatud pikeseenergia arvel on soojuspumba abil vimalik aasta ringi ktta elumaju ka see kaudne pikesekte on Eestis kllalt hsti levinud. Niiviisi tuleb soe majja niteks Paldiski reisisadama terminalis, Ruge phikoolis ja Jgala kirikus.

Seni pole meil pikeseenergiast aga peaaegu ldse toodetud elektrit, kuigi vimalused selleks on. Pooljuhtpikeseenergeetika seadistes muundub pikesevalgus elektrienergiaks fotovoltefekti abil. Selle avastas juba 1839. aastal prantsuse fsik Alexandre Edmond Becquerel. Ta mrkas, et mned materjalid olid suutelised valguse toimel andma nrka elektrivoolu. Hiljem phjendas fotoelektrilise efekti teoreetilist klge Albert Einstein, kes plvis selle eest Nobeli fsikaauhinna. Esimene pikesepatarei ehitati aga aastal 1954 Ameerika hendriikides Belli laboratooriumis.

Pooljuhtpikeseenergeetika seadmete, pikesepaneelide abil saab elektrienergiaga varustada eriseadmeid ja/vi anda energiat vlisesse elektrivrku. Arvestatavaid eeliseid on pikesepaneelidel omajagu: nende abil on elektrienergiat vimalik toota ilma kasvuhoonegaaside heiteta ning neid saab hlpsasti hitada muude taastumatute ja taastuvate energiaallikatega, htlasi saab paneele paindlikult rakendada mujalgi. Pikesepatareisid saab paigaldada nii tarbekaupadesse kui ka ehitistesse, hendada eraldiseisvate teisaldatavate vi paiksete moodulitena ja suurtesse keskelektrijaamadesse.

Nende lootusrikaste vljavaadete krval tuleb rhutada pikeseenergia perioodilist ja juhuslikku iseloomu, seda eriti Eestis: suurem osa pevi on meil vahelduva pilvitusega ilm (vt. # 2 ja # 3). Pilvitut sinitaevast, kui pikesepatareide efektiivsus ja nendega toodetav energiahulk on suurim, neb paraku sna harva. Lauspilves pevadel on aga pikesepatareide thusus ja toodetav elektrienergia hulk suhteliselt vike. Samuti on vga suured erinevused pikeseenergia intensiivsuses kuude kaupa (# 3).

Paraku pole Eesti elektrimajanduse arengukavas aastani 2015 pikeseenergeetikat peaaegu mainitudki. Ometi on Eestis, Tallinna tehnikalikooli materjaliteaduse instituudis pikesepatareisid vrdlemisi pikka aega uuritud ja neid ka vlja ttatud. Seega on olemas nii kogemused ja teave kui ka pdevad inimesed. htlasi on materjaliteaduse instituudile antud Euroopa Liidu pikeseenergeetika materjalide ja seadiste teaduse tippkeskuse ja rahvusliku keemia ning materjaliteaduse tippkeskuse nimetus. Kik eeldused selleks, et arendada krgtehnoloogilist Eestit, oleks justkui olemas.


Praegusajal on pikest pda kallis. Pikest on tepoolest nii Kesk-Euroopas kui ka Eestis peaaegu hepalju (vt. alljrgnevat tabelit) [3]. Meil seni tehtud mtmistulemused pole Euroopa Liidu vastavas andmestikus veel ametlikult kinnitatud. Kuid Pikese kiirgusenergia (potentsiaalse) varu geograafilist jaotust kajastava kaardi jrgi langeb meil kiirgust hele ruutmeetrile aastas kuni 990 kWh (# 4). Seda loomulikult vaid siis, kui pike paistab (# 3).


Linn Horisontaalsele pinnale langev kiirgusenergia, kWh/m2 aastas
Viin 1108
Praha 1000
Berliin 999
Pariis 1057
Kopenhaagen 985
Oslo 967
Helsingi 956
Ndisajal tarbitakse Eestis elektrienergiat keskmiselt inimese kohta 4500 kWh aastas: see jb tunduvalt alla teistele phjamaadele. Kui oletada, et ka eestlaste tarbimus suureneb niteks 8000 kWh, siis tuleks iga pev he inimese kohta toota 22 kWh elektrienergiat. Srase koguse jaoks lheks vaja pikesepatareid, mille pindala on umbes 20 m2.

Paraku ei suuda me siinset kiirgusenergia varu tielikult ra kasutada: suvel paistab pike enamik osa pevast nii, et luna suunas orienteeritud pikesepaneel ei ne seda pike paistab piltlikult eldes selja tagant. Seetttu tuleks pikesepatareidega kaetud pindala suurendada ligikaudu kaks korda. Mneti on see asjaolu vhendanud huvi Eestis pooljuhtpikeseenergia tootmise vastu. Eestis paigaldatud kahekilovatiline vimsus lheb vaid merepoide ja majakate autonoomseks toiteks (# 5). Samal ajal peaks meil he tavalise majakatuse pindalast teoreetiliselt piisama, et vhemalt majaelanikele jaguks elektrit.

Miks siis seda veel tehtud pole? On ju pikesepatareide poolesaja-aasta juubelgi peetud. Tegemist ei ole ldsegi uue asjaga ning aega oleks olnud piisavalt. Takistus on aga pikesepatareide liiga krge hind. Me pole nii rikkad, et suudaksime laialdaselt oma katuseid pikesepatareidega katta. Praeguste hindade puhul oleks katus niisama kallis kui maja.

Pikesepatareide krge hinna taga peitub selle tootmiseks kasutatav materjal: enamik praegusaegsetest pikesepatareidest on valmistatud kristallilisest rnist. Kuigi rni on looduses ks enim levinud elemente, pole tema lipuhtaid monokristalle sugugi lihtne ega odav kasvatada. Viimasel ajal on rni monokristallide hinda tugevalt kergitanud ka ha suurenev nudlus. Seetttu otsivad teadlased muid alternatiive, uusi materjale ja tehnoloogiaid.

Pikesepaneelide abil toodetava energia hinnakujundus mrab suuresti selle, kas pikeseenergeetikal on helge tulevik vi mitte (# 6). ks tulevase hinnalanguse eeldus on juba ndsel ajal leminek hukesekilelistele tehnoloogiatele, mis aitavad vhendada materjalikulu (# 7). Juba praegu kasutatakse ligi 25% pikesepaneelides erisuguseid hukesekilelisi tehnoloogiaid neid tootva tstuse eelisareng on planeeritud ka tulevikus (# 8). Ndsete pikesepaneelide garanteeritud eluiga ulatub kolmekmne aastani, nende valmistamisel kulutatud elektrienergia toodetakse tagasi aga vaid paari aastaga (# 6).


Pooljuhte on Eestis uuritud kaua. Tallinna poltehnilises instituudis (TPI) uuriti pooljuhtmaterjale aktiivselt juba nelikmmend aastat tagasi. Kige enam ratasid sel ajal thelepanu IIVI tpi pooljuhid, millest valmistati eelkige valgusdetektoreid. Ei saa salata, et suurimat huvi pooljuhtide rakenduste vastu tundsid tolleaegsed NSV Liidu sjavevimud ning seetttu rahastati neid uuringuid heldelt. Aegade jooksul on tollases TPI-s uuritud selliseid IIVI materjale nagu CdS (kaadmiumsulfiid), ZnS (tsinksulfiid), ZnSe (tsinkseleniid), kuid ka teisi vimalikke pooljuhtmaterjale.

Tehnoloogiliste uurimuste krval prati palju thelepanu ka defektide keemiale ja fsikale. Teatavasti on just punktdefektid kikides nendes materjalides mrava thtsusega: need aitavad kujundada seadiste omadusi. Kuid juba viisteist aastat tagasi hakati Tallinna tehnikalikoolis uurima ndisajal pikesepatareides kasutatavaid keerulisi hendpooljuhtmaterjale. Praegu uurib sealses materjaliteaduse instituudis pikesepatareisid umbes veerandsada teadlast. Kui me vrdleme seda vikest algatusrhma Nokias eelmise sajandi kuuekmnendatel aastatel hivatud inimeste arvuga, siis on seda hbematult vhe. Aga parem pool muna kui thi koor!


Kalkopriitsed kolmikhendid. Juba kolmkmmend aastat tagasi avastati, et mnedel keerulistel kolmikhenditel on pikesepatareide valmistamiseks lisobivaid omadusi. Selliste materjalide lipulaev on hend CuInSe2 (vaskindiumseleniid, lhendatult CIS), mis paistab silma lisuure neeldumiskoefitsiendi poolest. Mida rohkem ks pooljuht pikesekiirgust neelab, seda hemat kihti on vaja pikesepatarei jaoks ja seda odavamalt saab seda luua.

Kuid nendel kalkopriitsetel kolmikhenditel on veel hulgaliselt teisigi hid omadusi. Selgus niteks, et kolmikhenditest valmistatud pikesepatareid on suutelised ennast ise ravima [4]. Pikesepatarei ttab ju sna rasketes tingimustes: niteks tavaline rnipatarei ei kannata pikaajalist kiiritust vlja ja tema parameetrid halvenevad htesoodu. CuInSe2 alusel loodud pikesepatareid on aga isegi kosmose eriti keerulistes oludes vga hsti vastu pidanud ning ka kosmilise kiirguse tekitatud arvukad punktdefektid kaovad vhehaaval. Seetttu ennustatakse just sellistele materjalidele tulevikku pikeseenergeetikas (# 7). Kaob ju vajadus kalli rni jrele, samuti vib tunduvalt vhendada pikesepatareis kasutatava materjali kogust ja seega ka tootmiskulusid. Kik see peaks aitama kaasa saadava elektrienergia hinna langusele ja soosima pikesepatareide senisest suuremat kasutust.

Tallinna tehnikalikoolis hakati kalkopriitseid kolmikhendeid uurima umbes kmme aastat tagasi. Need materjalid pole just lihtsate killast: ka ndsel ajal ei ole veel kiki nende saladusi suudetud mista ning visa uurimist jtkub nii Tallinnas kui ka mujal maailmas. Hoolimata vikesest teadlasterhmast on Tallinna tehnikalikoolis kmne aasta jooksul saavutatud arvestatav pdevus nii kolmikhendite uurimisel kui ka nende materjalide alusel pikesepatareide valmistamisel. On sna meeldiv tdeda, et TT-s on vlja ttatud tiesti uut tpi pikesepatareid, mille tootmisest tulevikus on huvitatud mitu maailma juhtivat suurettevtet.


Erisugused tehnoloogiad. Teaduses on juba kord nii, et midagi pole lplikult valmis ega selge. Nii on ka pikesepatareidega. TT materjaliteaduse instituudis kivad laia haardega uuringud ning valmistatakse pikesepatareisid vga erisuguse kujunduse ja eri tehnoloogiatega. Kasutusel on niteks elektrokeemiline sadestamine, pihustusprols, kilede sadestamine keemilises vannis ja monoteralised pulbrid. Seni on kige perspektiivsemad monoteralise CuInSe2 pulbri alusel valmistatud pikesepatareid [1].

Vaskindiumseleniid pole sugugi ainus pooljuhtmaterjal, mis pikesepatarei koostisesse kuulub (# 9). CuInSe2 monoterad kaetakse lihukese CdS kihiga ning kige peale tuleb kasvatada veel kaks ZnO elektroodkihti. Niisugustel pikesepatareidel on mningaid eeliseid: polkristalse ning rohkete defektidega pooljuhtmaterjali asemel vib kasutada pisikesi monokristalle, mis teoreetiliselt peaksid tagama paremad vljundparameetrid; monoteralist pikesepatareid on vimalik luua painduvana, s.t. anda talle suvaline kuju. Loomulikult on sellisel tehnoloogial veelgi hid klgi, mistttu on perspektiivi toota elektrit monoteraliste pikesepatareide abil. Igatahes on Hollandi klaasifirma Scheuten Glasgroep juba aastaid rahastanud Tallinna tehnikalikooli teadlaste sellealast teadus- ja arendustd. Ei ole sugugi vlistatud, et lhitulevikus vidakse ka Eestis hakata tootma pikesepatareisid.

Hoolimata monoteraliste pikesepatareide edust pole siiski katkestatud uuringuid teisteski suundades. Elektrokeemiliselt ja ka keemiliselt valmistatud hukesekilelisi pikesepatareisid on samuti juba pikka aega katsetatud. Uurimuste kigus on kogunenud teavet ka selle kohta, kuidas erisuguste keemiliste meetoditega saada lipoorset TiO2-kilet. Selliseid pikesepatareisid vidakse samuti tulevikus tootma hakata. Ent vib-olla teevad kunagi ilma hoopis orgaanilised pikesepatareid? Ka nendega on Tallinna tehnikalikoolis aastaid tegeldud.

Pikesepatareide valmistamise ja uurimise krval lb TT aktiivselt kaasa pikesepaneelide leeuroopalises katsetusprogrammis PERFORMANCE. Euroopa Liit rahastab seda projekti mitme miljoni krooniga ning lhiajal peaks Tallinna tehnikalikoolis valmima moodne labor, kus saab katsetada eri tootjate loodud pikesepaneelide td Eesti oludes.


Krgtehnoloogiline Eesti? Olgu mis on, kuid seniste kogemuste phjal on krgtehnoloogia valdkonnas thtsal kohal pooljuhtmaterjalidega seotud elektroonika. Nii rnil kui ka IIIV elementidel (GaAs, InP jt.) phinev pooljuhtelektroonika on Eesti jaoks ilmselt jdavalt kaotatud arengusuund. Kuid ndisaegse tehnoloogia jrgi valmistatud pikesepatareidel on tulevikku. Kui me lhiajal Eestis ei hakkagi pikesekiirgusest elektrienergiat tootma, siis krgtehnoloogilisi pikesepatareisid vime ikka luua ja neid kogu maailmas ma. Riski pole vaja karta, sest pikeseenergeetika vajalikkust on maailmas juba mistetud.


1. Altosaar, Mare et al. 2005. Further developments in CIS monograin layer solar cells technology, Solar Energy Materials and Solar Cells, v. 87: 2532.

2. A Vision for Photovoltaic Technology 2005. European Communities, Luxembourg

3. Compared Assessessment of Selected Environmental Indicators of Photovoltaic Electricity in OECD Cities 2005. European Photovotaic Industry Association

4. Guillemoles, Jean-Franois et al. 1999. Cu(In,Ga)Se2 solar cells: Device stability based on chemical flexibility. Adv. Mater. 11: 957961.

5. Portugal alustas pikeseelektrijaama ehitust. Eesti Pevaleht: 16. 06. 2006

6. PV Status Report 2005. European Communities

7. Status of Photovoltaic in the European Union new member and Candidate States 2006. European Commission

8. Tomson, Teolan 2000. Helioenergeetika. Humare, Tallinn.

9. Tomson, Teolan; Mellikov, Enn 2004. Structure of Solar Radiation at High Latitudes. EuroSun2004, Freiburg.



Jri Krustok, Enn Mellikov
28/11/2012
26/11/2012
05/10/2012
09/07/2012
26/06/2012
26/06/2012
22/05/2012

Mis see on?
E-posti aadress:
Liitun:Lahkun: 
Serverit teenindab EENet