Český chemik sahá po řešení hlavního problému čisté energie

„Je to věc, kterou chtějí všichni,“ řekl o ERC grantu, tedy finanční podpoře pro vlastní výzkum z evropského programu Horizon Europe, jeden z jeho čerstvých držitelů Tomáš Slanina z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR (ÚOCHB). Prestižní grant, který podle Akademie věd ČR často patří k největším úspěchům oceněných vědců v kariéře, dostali letos jen dva Češi a dvě Češky.

Slanina získal 37 milionů na výzkum ukládání sluneční energie přímo do chemických vazeb. Cílem výzkumu je vývoj solárního článku, který bude zároveň baterií, což by mohlo v budoucnu pomoci vyřešit jeden z největších problémů solární energetiky.

Váš výzkum by mohl přispět k řešení kolísající produkce solární energie a problémům s jejím efektivním ukládáním. V čem na tomto poli selhávají v současnosti hojně používané solární panely?

Hlavní problém se týká vlastně všech obnovitelných zdrojů závislých na počasí. Tyto zdroje jsou zde, když v uvozovkách „chtějí ony“, a nikoliv, když chceme my. U sluneční energie to platí dvojnásob. Často se stává, že v době, kdy ji potřebujeme nejvíc, se nám sluneční energie moc nedostává. Když naopak slunce svítí hodně, energie zase v síti není tak využitelná, jak by mohla být.

Existují určitá řešení jako například přečerpávací elektrárny a podobně. Náš výzkum jde ale přímo k jádru věci: Ke způsobu, jakým elektrický proud ze solárního záření vyrábíme, a to navíc trochu jiným směrem, než jakým se dnes ubírá hlavní vývoj solárních panelů. Ten usiluje o nejvyšší účinnost, nejnižší cenu, nejnižší zátěž pro životní prostředí a tak dále.

My se ptáme na úplně jinou věc: Jestli je možné elektrickou energii, která se v panelu vyrobí, uchovat už přímo v daném materiálu, aniž bychom museli kombinovat solární panel s nějakou velkou baterií, což je současný způsob řešení.

Výsledným produktem by tedy mohl být solární článek a baterie v jednom…

Ano. Spíš než jako baterie bude vypadat jako solární panel, který bude mít nějakou aktivní plochu, ale nebude to typický křemíkový panel, který všichni známe. Mělo by jít o nový druh organického solárního článku. Organické solární články mají většinou o něco menší účinnost než ty anorganické, ale mají i spoustu výhod. Dají se například tisknout na plastové folie, dají se z nich dělat ohebné solární panely, můžou fungovat jako nátěry na domě, jsou lehké, mohou být různě barevné nebo poloprůhledné. Jejich účinnost není zas o tolik menší než u klasických panelů.

Největší nevýhodou organických solárních panelů je menší životnost, která se pohybuje v řádu let a ne desítek let. Na druhou stranu jsou zase organické solární panely levnější na výrobu.

Můžete popsat, jak to zařízení, pokud se vše povede, bude fungovat?

V ideálním případě by mělo naše zařízení fungovat tak, že když bude svítit slunce, část energie se bude odvádět do sítě a část se bude ukládat přímo do materiálu. Když slunce svítit přestane, nebude se vyrábět žádná nová energie, ale bude se postupně vybíjet baterie, která bude tím pádem vyrovnávat výkyvy. Čím bude baterie vybitější, tím rychleji se bude poté při osvícení zase zpátky nabíjet a tím menší pulz pustí do elektrické sítě.

Takže pokud nebudou výkyvy počasí opravdu výrazné, mohlo by se dát počítat s konstantním přísunem energie?

Minimálně by nemělo docházet k tak extrémním výkyvům (jako u běžných solárních panelů) a budeme počítat spíše s denním a nočním režimem.

Je to samozřejmě takový sen, kterého chceme dosáhnout, a má to i spoustu ale. Nicméně důvodem, proč byl ten projekt financovaný, je fakt, že my skutečně dokážeme přesvědčit materiál, aby se takto choval.

Proč se vlastně tento problém nedaří dost dobře řešit s klasickými bateriemi?

Všechny solární elektrárny tento problém samozřejmě nějakým způsobem řeší a řešit musí. Současná technologie je však omezená kapacitou baterií. Pokud bychom měli nějakou významnou část energie uchovávat každý den operativně podle toho, jak svítí slunce, a zároveň chtěli mít třeba 30 až 50 % z veškeré elektrické energie právě ze slunce, tak to jsou obrovské objemy, které by se musely nejen uschovat, ale zároveň i poměrně rychle vyrovnávat.

Typickým řešením jsou přečerpávací elektrárny, které dokážou najet během pár vteřin na ohromné výkony a jsou schopny vyrovnávat velké poklesy.

Osobně vidím budoucnost spíše v decentralizaci výroby elektrické energie i regulace, protože když bychom měli každé kolísání přenášet někam do jedné přečerpávací elektrárny, způsobilo by to velké ztráty. Když budeme mít naopak mnoho menších místních řešení, tak nebude síť tak zahlcená.

Tento problém současnými technologiemi však řešit lze a není mým cílem tato řešení nahrazovat.

Když nechcete nahrazovat současnou technologii, jak byste popsal realistický výhled na využití vašeho vynálezu po dokončení výzkumu?

Náš vynález nemá ambici být masově využíván ani nahradit současnou technologii. Spíše si myslíme, že nám může otevřít dveře k novým aplikacím, u kterých je třeba, aby byl systém co nejmenší, nejlehčí, dala se jím například potisknout karoserie automobilů atd.

Nyní nám jde hlavně o to dokázat, že náš vynález funguje. Technologické řešení a aplikace v průmyslu už je otázkou dalšího vývoje.

Do čeho přesně se ta solární energie ve vámi vyvíjeném článku má uložit? A jak zařídíte, aby se na povel zase začala uvolňovat?

Klasický organický solární článek funguje na principu, kdy máme dva materiály, které jsou vhodně smísené dohromady. Je to materiál, který má části chovající se jako tzv. donory (mají hodně elektronů) a akceptory (mají málo elektronů). Ozářením takového materiálu dochází k separaci náboje. V jednom materiálu se vytvoří díra a v druhém materiálu jeden elektron navíc. Tyto dva nosiče náboje se potom materiálem přenesou směrem k elektrodám, které je seberou a mohou tvořit napětí a elektrický proud.

My navrhujeme, že do materiálu přidáme ještě třetí složku, která dokáže do svých chemických vazeb ukládat elektrony. Tyto chemické vazby zároveň můžeme nastavit tak, aby nebyly úplně stabilní a aby se s nějakou pravděpodobností zase otevřely a elektrony vypustily ven. To dokážeme regulovat například pomocí teploty nebo dalších externích parametrů. Jednalo by se tedy o třísložkový systém, kdy by dvě složky elektrický proud vyráběly a třetí složka by ho uchovávala a byla by schopná ho zase zpátky uvolňovat.

Důležité je také to, že na rozdíl od nabíjecí baterie tyto molekuly elektrony uchovávají, aniž by byly ve vysoce energetickém stavu. To znamená, že se nezačnou vybíjet hned, jak je zapojíme, ale až ve chvíli, kdy se rozruší jejich vazba, což se dá využít pro lepší regulaci uvolňování elektrické energie.

Jak by na tom takový problém mohl být s kapacitou? Z laického pohledu se nabízí, že když se jedná jen o úzkou vrstvu, moc energie se tam asi nevejde…

To bude záležet na poměru molekul působících jako baterie a molekul sloužících k výrobě energie. Kdybychom uvažovali, že jejich poměr bude třeba jedna ku jedné, tak kapacity určitě nebudou velké. Nám však jde zatím především o to dokázat, že princip vůbec funguje. Kapacita by se pak dala navýšit třeba tak, že se povrch článku nějakým způsobem zvětší, bude například ve vrstvách. Nicméně otázka kapacity je určitě jednou z výzev této technologie.

Vy už jste řekl, že se o nic podobného nikdo na světě zatím nepokusil a dokonce vám kolegové nevěřili, že to je možné. Proč?

Protože je to odvážná myšlenka, která jde proti klasickému přemýšlení v oboru fotochemie: Fotochemici jsou přesvědčeni o tom, že náboje lze pomocí světla separovat dočasně, kdy systém během několika nanosekund skočí zpět do původního stavu. My jsme ale objevili systém, který se po nabití velmi rychle stabilizuje a dokáže potlačit zpětné vybíjení.

Dokážeme nabít molekulární baterii pomocí světla a podařilo se nám díky prvním výsledkům ukázat, že danou molekulu skutečně jde nabít a zase vybít. Právě o tom sepisuji závěrečnou zprávu juniorského grantu od Grantové agentury ČR, který jsme dostali jako první před třemi lety, kdy vznikla naše skupina a začali jsme zkoumat tento jev.

Jak vás vůbec napadlo opustit ono zmiňované klasické přesvědčení a pokusit se v uvozovkách o nemožné?

Asi před pěti lety jsem dostal nápad, který mířil na úplně základní výzkum čili byl zcela odtržený od jakýchkoliv aplikací. Říkal jsem si, že bych chtěl pomocí světla přenést elektrony z jedné molekuly na druhou, tam je nějakým způsobem stabilizovat, a zase jiným druhem světla elektrony přenést zpátky. Říkám tomu elektronový ping-pong. To byla obecná, abstraktní myšlenka a začal jsem vymýšlet, jak ji zrealizovat.

S tímhle nápadem jsem už žádal o ERC grant a ta žádost neprošla. Bylo to tak abstraktní, že si nikdo nedokázal představit, co chci dělat a proč by to mělo být zajímavé. Teď, když jsem už věděl, že to funguje, jsem žádal znovu a rovnou už jsem vymýšlel, jakým způsobem to dál profilovat. A došel jsem k propojení s aplikací v podobě těch solárních článků.

Váš výzkum financovaný ERC grantem vede, jak jste sám řekl, k poměrně konkrétní aplikaci, a přitom je zároveň považován za základní, což je druh výzkumu, kde je způsob aplikace zpravidla ještě ve hvězdách. Jakou roli tam ta aplikace tedy ve skutečnosti hraje?

Je to skutečně základní výzkum. Aplikace je tam od toho, aby si čtenáři návrhu dokázali představit, co tím konkrétně zamýšlím, protože kdybych mluvil jen o přenosu elektronů, tak nebude jasné další směřování projektu. Budu rád, když se nám na konci projektu podaří opravdu vyrobit solární baterii, která bude mít plánované parametry. Na rozdíl od aplikovaných výzkumných programů ale už nejdeme dál, nemusíme mít partnera v podobě nějaké firmy, která by vyrobila komerčně dostupný prototyp a podobně.

Můžete shrnout, co už se vám povedlo a jaké výzvy vás v následujících pěti letech ještě čekají?

Povedlo se nám ukázat, že náš koncept funguje a že dokážeme s elektrony hrát ping-pong. Nyní dokončujeme několik prací o tomto tématu, které chceme publikovat. Podařilo se nám i díky spolupráci s Technickou univerzitou v Grazu také naučit připravovat organické solární články a manipulovat s nimi. Máme představu, jak je chceme dál zkoumat a být schopni připravovat prototypy solárních panelů.

Otazníků je před námi hodně. Velká výzva spočívá i v převedení technologie z roztoku do pevného materiálu. Nedá se dopředu jednoduše odhadnout, jestli v pevném materiálu bude vše fungovat stejně, nebo dojde k nějakým komplikacím.

Jak bude výroba vašeho solárního článku technologicky náročná za předpokladu, že už budete mít vymyšlený ověřený recept?

Z mého pohledu příliš náročná nebude. Samozřejmě bude třeba optimalizovat různé parametry, jakými jsou tloušťka vrstvy nebo složení materiálu. V zásadě jde ale o to, že se vezme podkladová elektroda, na tu se navrství materiály, potom se zataví další průhlednou elektrodou a od té doby se s panelem už dá jednoduše manipulovat na vzduchu. Naše technologie by se neměla tolik lišit od té, která se dnes používá při výrobě klasických organických solárních článků.

Dá se říct, jak široké by využití této technologie mohlo být ještě nad rámec solární energie?

To říci nelze, nebo alespoň doufám, že nelze. Protože to by znamenalo, že využití sahá až tam, kam my dnes ani nedokážeme dohlédnout, a to bych si velmi přál. Osobně doufám, že naše myšlenka může v budoucnu pomoci ve výzkumu řady dalších témat.