Eesti Looduse fotovõistlus
2006/7



   Eesti Looduse
   viktoriin


   Eesti Looduse
   fotovõistlus 2012




   AIANDUS.EE

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

Naftat ja muid fossiilseid energiavarusid ei jagu lõputult. Juba pikka aega on töötatud teiste võimaluste kallal: tuulejõud, veevool, biomass, Päikese kiirgusenergia. Viimasest on Eestis ehk juttu tehtud kõige vähem, kuid ka päikeseenergeetika võib tulevikus meile oluline olla.

Inimesele on omane püüd vahetevahel vaadata tulevikku ning oma teadmiste ja kogemustepagasi alusel aimata tulevast elukorraldust. Eriti lihtne on ette näha seda kurba tõsiasja, et ükskord ei olegi enam võimalik maapõuest naftat pumbata. See lihtsalt saab otsa! Ja mitte ainult nafta. Seetõttu on juba tükk aega otsitud alternatiive, mis aitaksid leevendada tuleviku energiaprobleeme.

Paraku ei ole energia oluline mitte ainult meie kõigi igapäevaelus, vaid isegi ülemaailmses poliitikas. Üsna „ebademokraatlikult“ on mõned riigid seni energiamonopolist kasu lõiganud. Sealjuures on vedanud meilgi siin Eestis. Lätlastel ja isegi soomlastel pole meie põlevkivile midagi vastu panna. Kuid soomlastel on ikkagi Nokia. Vastupidi loogikareeglitele kaalub soomlaste Nokia imelikul kombel nüüdisajal ja ilmselt ka tulevikus üle meie kollaka kiviklibu. Aga soomlaste edu saladus peitus just selles, et nad suutsid õigel ajal aimata inimeste soovi olla kättesaadavad 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 ühel või teisel moel sellele, et lähiajal võiks elekter meie kodudesse jõuda päikesepatareide kaudu.

Päikeseenergeetika maailmas. Aegade vältel on tsivilisatsioon sõltunud oma võimest toota energiat. Inimese elukvaliteedi paranemine on otseselt seotud kasutatava energia hulgaga. Maailma elanikkond suureneb aga igal aastal kuni kuue miljoni inimese võrra ja igaüks neist vajab energiat. Samal ajal ei jõua elektrienergia juba praegusajal ligi kolmandikuni maa elanikkonnast.

Viimase saja aasta jooksul on inimkond saanud endale vajalikku energiat valdavalt fossiilsete energiaallikate – kivisöe, nafta ja maagaasi põletamisel. Selle tõttu on aga oluliselt saastunud looduskeskkond ja kujunenud kasvuhooneefekt. Tänapäeval on kindlalt aru saadud, et kasvuhoonegaaside kontsentratsiooni tõus atmosfääris on põhjustanud nii inimkonnale kui ka elusloodusele mõneti ebameeldivad kliimamuutused.

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

Energiavarude sõltumatust ja üleminekut päikeseenergeetikaajastule on oluliseks pidanud nii USA, Jaapan kui ka Euroopa Liit. EL on isegi välja öelnud, et pooljuhtpäikeseenergeetika on selle sajandi kõige 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 järgi peab pooljuhtpäikeseenergeetika olema hinnalt konkurentsivõimeline traditsioonilise energeetikaga Lõuna-Euroopas juba 2010. aastaks ja enamikus Euroopa riikides aastaks 2030. Selleks ajaks peaks pooljuhtpäikeseenergeetika seadiste (päikesepaneelide) abil toodetud elektrienergia hõlmama umbes 4% maailma elektritoodangust ja aastaks 2040 ligi 10%. Praegu hõlmab pooljuhtpäikeseenergeetika maailma elektritoodangust ligikaudu 0,01%. Seega näeb kava ette vähem kui 35 aasta jooksul tuhandekordse tõusu. Et seda saavutada, piisab, kui pooljuhtpäikesepaneelide toodang püsiks tulevikus viimase viie aasta kasvutempos, s.o. umbes 40% lisa igal aastal. Samal ajal on energiatootmine tavapäraste energiakandjate abil suurenenud 1–2% aastas. Tegevuskava käsitleb aastat 2030 ainult vahetähisena: rõhutatakse, et pooljuhtpäikeseenergeetika osa energiabilansis suureneb kindlalt hiljemgi.

Aastal 2004 toodeti maailmas päikesepaneele koguvõimsusega umbes 1200 MW [6]. Suurim päikesepatareide tootja on Jaapan, kus valmib ligikaudu 50% kogu maailma päikesepaneelidest. Samal ajal on suurim turg aga Saksamaa, kus asub ligi 80% kogu Euroopas paigaldatud päikesepaneelidest (# 1). Päikeseenergiat soosivad ka Jaapan ja Ameerika Ühendriigid. USA-s on teoksil programm, mille eesmärk on katta päikesepaneelidega miljon katust. Päikeseenergeetika suurimat kasvu on viimasel ajal olnud märgata Hiinas. Tähelepanuväärne on seegi, et Lõuna-Portugalis algas sel aastal maailma suurima päikesest elektrienergiat tootva kompleksi, 11-megavatise elektrijaama ehitus, mis koosneb 52 000 päikesepaneelide moodulist. See päikeseelektrijaam peaks suutma varustada elektrienergiaga umbes 8000 majapidamist [5].


Päikeseenergia kasutusvõimalused. Eestis on praegusajal Päikese kiirgusenergiat ehk kõige enam kasutatud majapidamisvee soojendamiseks suvekuudel (aprillist septembrini). Seda on rakendatud näiteks Vändra haiglas ja Keila SOS-lastekülas. Ilmselt üsna pea hakkavad päikeseenergiat sel moel kasutama ka kämpingud ja turismitalud, kus sooja vee tarve on üsna suur.

Maasse salvestatud päikeseenergia arvel on soojuspumba abil võimalik aasta ringi kütta elumaju – ka see kaudne päikeseküte on Eestis küllalt hästi levinud. Niiviisi tuleb soe majja näiteks Paldiski reisisadama terminalis, Rõuge põhikoolis ja Jägala kirikus.

Seni pole meil päikeseenergiast aga peaaegu üldse toodetud elektrit, kuigi võimalused selleks on. Pooljuhtpäikeseenergeetika seadistes muundub päikesevalgus elektrienergiaks fotovoltefekti abil. Selle avastas juba 1839. aastal prantsuse füüsik Alexandre Edmond Becquerel. Ta märkas, et mõned materjalid olid suutelised valguse toimel andma nõrka elektrivoolu. Hiljem põhjendas fotoelektrilise efekti teoreetilist külge Albert Einstein, kes pälvis selle eest Nobeli füüsikaauhinna. Esimene päikesepatarei ehitati aga aastal 1954 Ameerika Ühendriikides Belli laboratooriumis.

Pooljuhtpäikeseenergeetika seadmete, päikesepaneelide abil saab elektrienergiaga varustada eriseadmeid ja/või anda energiat välisesse elektrivõrku. Arvestatavaid eeliseid on päikesepaneelidel omajagu: nende abil on elektrienergiat võimalik toota ilma kasvuhoonegaaside heiteta ning neid saab hõlpsasti ühitada muude taastumatute ja taastuvate energiaallikatega, ühtlasi saab paneele paindlikult rakendada mujalgi. Päikesepatareisid saab paigaldada nii tarbekaupadesse kui ka ehitistesse, ühendada eraldiseisvate teisaldatavate või paiksete moodulitena ja suurtesse keskelektrijaamadesse.

Nende lootusrikaste väljavaadete kõrval tuleb rõhutada päikeseenergia perioodilist ja juhuslikku iseloomu, seda eriti Eestis: suurem osa päevi on meil vahelduva pilvitusega ilm (vt. # 2 ja # 3). Pilvitut sinitaevast, kui päikesepatareide efektiivsus ja nendega toodetav energiahulk on suurim, näeb paraku üsna harva. Lauspilves päevadel on aga päikesepatareide tõhusus ja toodetav elektrienergia hulk suhteliselt väike. Samuti on väga suured erinevused päikeseenergia intensiivsuses kuude kaupa (# 3).

Paraku pole Eesti elektrimajanduse arengukavas aastani 2015 päikeseenergeetikat peaaegu mainitudki. Ometi on Eestis, Tallinna tehnikaülikooli materjaliteaduse instituudis päikesepatareisid võrdlemisi pikka aega uuritud ja neid ka välja töötatud. Seega on olemas nii kogemused ja teave kui ka pädevad inimesed. Ühtlasi on materjaliteaduse instituudile antud Euroopa Liidu päikeseenergeetika materjalide ja seadiste teaduse tippkeskuse ja rahvusliku keemia ning materjaliteaduse tippkeskuse nimetus. Kõik eeldused selleks, et arendada kõrgtehnoloogilist Eestit, oleks justkui olemas.


Praegusajal on päikest püüda kallis. Päikest on tõepoolest nii Kesk-Euroopas kui ka Eestis peaaegu ühepalju (vt. alljärgnevat tabelit) [3]. Meil seni tehtud mõõtmistulemused pole Euroopa Liidu vastavas andmestikus veel ametlikult kinnitatud. Kuid Päikese kiirgusenergia (potentsiaalse) varu geograafilist jaotust kajastava kaardi järgi langeb meil kiirgust ühele ruutmeetrile aastas kuni 990 kWh (# 4). Seda loomulikult vaid siis, kui päike paistab (# 3).


Linn Horisontaalsele pinnale langev kiirgusenergia, kWh/m2 aastas
Viin 1108
Praha 1000
Berliin 999
Pariis 1057
Kopenhaagen 985
Oslo 967
Helsingi 956
Nüüdisajal tarbitakse Eestis elektrienergiat keskmiselt inimese kohta 4500 kWh aastas: see jääb tunduvalt alla teistele põhjamaadele. Kui oletada, et ka eestlaste tarbimus suureneb näiteks 8000 kWh, siis tuleks iga päev ühe inimese kohta toota 22 kWh elektrienergiat. Säärase koguse jaoks läheks vaja päikesepatareid, mille pindala on umbes 20 m2.

Paraku ei suuda me siinset kiirgusenergia varu täielikult ära kasutada: suvel paistab päike enamik osa päevast nii, et lõuna suunas orienteeritud päikesepaneel ei näe seda – päike paistab piltlikult öeldes selja tagant. Seetõttu tuleks päikesepatareidega kaetud pindala suurendada ligikaudu kaks korda. Mõneti on see asjaolu vähendanud huvi Eestis pooljuhtpäikeseenergia tootmise vastu. Eestis paigaldatud kahekilovatiline võimsus läheb vaid merepoide ja majakate autonoomseks toiteks (# 5). Samal ajal peaks meil ühe tavalise majakatuse pindalast teoreetiliselt piisama, et vähemalt majaelanikele jaguks elektrit.

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

Päikesepatareide kõrge hinna taga peitub selle tootmiseks kasutatav materjal: enamik praegusaegsetest päikesepatareidest on valmistatud kristallilisest ränist. Kuigi räni on looduses üks enim levinud elemente, pole tema ülipuhtaid monokristalle sugugi lihtne ega odav kasvatada. Viimasel ajal on räni monokristallide hinda tugevalt kergitanud ka üha suurenev nõudlus. Seetõttu otsivad teadlased muid alternatiive, uusi materjale ja tehnoloogiaid.

Päikesepaneelide abil toodetava energia hinnakujundus määrab suuresti selle, kas päikeseenergeetikal on helge tulevik või mitte (# 6). Üks tulevase hinnalanguse eeldus on juba nüüdsel ajal üleminek õhukesekilelistele tehnoloogiatele, mis aitavad vähendada materjalikulu (# 7). Juba praegu kasutatakse ligi 25% päikesepaneelides erisuguseid õhukesekilelisi tehnoloogiaid – neid tootva tööstuse eelisareng on planeeritud ka tulevikus (# 8). Nüüdsete päikesepaneelide garanteeritud eluiga ulatub kolmekümne aastani, nende valmistamisel kulutatud elektrienergia toodetakse tagasi aga vaid paari aastaga (# 6).


Pooljuhte on Eestis uuritud kaua. Tallinna polütehnilises instituudis (TPI) uuriti pooljuhtmaterjale aktiivselt juba nelikümmend aastat tagasi. Kõige enam äratasid sel ajal tähelepanu II–VI tüüpi pooljuhid, millest valmistati eelkõige valgusdetektoreid. Ei saa salata, et suurimat huvi pooljuhtide rakenduste vastu tundsid tolleaegsed NSV Liidu sõjaväevõimud ning seetõttu rahastati neid uuringuid heldelt. Aegade jooksul on tollases TPI-s uuritud selliseid II–VI materjale nagu CdS (kaadmiumsulfiid), ZnS (tsinksulfiid), ZnSe (tsinkseleniid), kuid ka teisi võimalikke pooljuhtmaterjale.

Tehnoloogiliste uurimuste kõrval pöörati palju tähelepanu ka defektide keemiale ja füüsikale. Teatavasti on just punktdefektid kõikides nendes materjalides määrava tähtsusega: need aitavad kujundada seadiste omadusi. Kuid juba viisteist aastat tagasi hakati Tallinna tehnikaülikoolis uurima nüüdisajal päikesepatareides kasutatavaid keerulisi ühendpooljuhtmaterjale. Praegu uurib sealses materjaliteaduse instituudis päikesepatareisid umbes veerandsada teadlast. Kui me võrdleme seda väikest algatusrühma Nokias eelmise sajandi kuuekümnendatel aastatel hõivatud inimeste arvuga, siis on seda häbematult vähe. Aga parem pool muna kui tühi koor!


Kalkopüriitsed kolmikühendid. Juba kolmkümmend aastat tagasi avastati, et mõnedel keerulistel kolmikühenditel on päikesepatareide valmistamiseks ülisobivaid omadusi. Selliste materjalide lipulaev on ühend CuInSe2 (vaskindiumseleniid, lühendatult CIS), mis paistab silma ülisuure neeldumiskoefitsiendi poolest. Mida rohkem üks pooljuht päikesekiirgust neelab, seda õhemat kihti on vaja päikesepatarei jaoks ja seda odavamalt saab seda luua.

Kuid nendel kalkopüriitsetel kolmikühenditel on veel hulgaliselt teisigi häid omadusi. Selgus näiteks, et kolmikühenditest valmistatud päikesepatareid on suutelised ennast ise „ravima“ [4]. Päikesepatarei töötab ju üsna rasketes tingimustes: näiteks tavaline ränipatarei ei kannata pikaajalist kiiritust välja ja tema parameetrid halvenevad ühtesoodu. CuInSe2 alusel loodud päikesepatareid on aga isegi kosmose eriti keerulistes oludes väga hästi vastu pidanud ning ka kosmilise kiirguse tekitatud arvukad punktdefektid kaovad vähehaaval. Seetõttu ennustatakse just sellistele materjalidele tulevikku päikeseenergeetikas (# 7). Kaob ju vajadus kalli räni järele, samuti võib tunduvalt vähendada päikesepatareis kasutatava materjali kogust ja seega ka tootmiskulusid. Kõik see peaks aitama kaasa saadava elektrienergia hinna langusele ja soosima päikesepatareide senisest suuremat kasutust.

Tallinna tehnikaülikoolis hakati kalkopüriitseid kolmikühendeid uurima umbes kümme aastat tagasi. Need materjalid pole just lihtsate killast: ka nüüdsel ajal ei ole veel kõiki nende saladusi suudetud mõista ning visa uurimistöö jätkub nii Tallinnas kui ka mujal maailmas. Hoolimata väikesest teadlasterühmast on Tallinna tehnikaülikoolis kümne aasta jooksul saavutatud arvestatav pädevus nii kolmikühendite uurimisel kui ka nende materjalide alusel päikesepatareide valmistamisel. On üsna meeldiv tõdeda, et TTÜ-s on välja töötatud täiesti uut tüüpi päikesepatareid, mille tootmisest tulevikus on huvitatud mitu maailma juhtivat suurettevõtet.


Erisugused tehnoloogiad. Teaduses on juba kord nii, et midagi pole lõplikult valmis ega selge. Nii on ka päikesepatareidega. TTÜ materjaliteaduse instituudis käivad laia haardega uuringud ning valmistatakse päikesepatareisid väga erisuguse kujunduse ja eri tehnoloogiatega. Kasutusel on näiteks elektrokeemiline sadestamine, pihustuspürolüüs, kilede sadestamine keemilises vannis ja monoteralised pulbrid. Seni on kõige perspektiivsemad monoteralise CuInSe2 pulbri alusel valmistatud päikesepatareid [1].

Vaskindiumseleniid pole sugugi ainus pooljuhtmaterjal, mis päikesepatarei koostisesse kuulub (# 9). CuInSe2 monoterad kaetakse üliõhukese CdS kihiga ning kõige peale tuleb kasvatada veel kaks ZnO elektroodkihti. Niisugustel päikesepatareidel on mõningaid eeliseid: polükristalse ning rohkete defektidega pooljuhtmaterjali asemel võib kasutada pisikesi monokristalle, mis teoreetiliselt peaksid tagama paremad väljundparameetrid; monoteralist päikesepatareid on võimalik luua painduvana, s.t. anda talle suvaline kuju. Loomulikult on sellisel tehnoloogial veelgi häid külgi, mistõttu on perspektiivi toota elektrit monoteraliste päikesepatareide abil. Igatahes on Hollandi klaasifirma Scheuten Glasgroep juba aastaid rahastanud Tallinna tehnikaülikooli teadlaste sellealast teadus- ja arendustööd. Ei ole sugugi välistatud, et lähitulevikus võidakse ka Eestis hakata tootma päikesepatareisid.

Hoolimata monoteraliste päikesepatareide edust pole siiski katkestatud uuringuid teisteski suundades. Elektrokeemiliselt ja ka keemiliselt valmistatud õhukesekilelisi päikesepatareisid on samuti juba pikka aega katsetatud. Uurimuste käigus on kogunenud teavet ka selle kohta, kuidas erisuguste keemiliste meetoditega saada ülipoorset TiO2-kilet. Selliseid päikesepatareisid võidakse samuti tulevikus tootma hakata. Ent võib-olla teevad kunagi ilma hoopis orgaanilised päikesepatareid? Ka nendega on Tallinna tehnikaülikoolis aastaid tegeldud.

Päikesepatareide valmistamise ja uurimise kõrval lööb TTÜ aktiivselt kaasa päikesepaneelide üleeuroopalises katsetusprogrammis PERFORMANCE. Euroopa Liit rahastab seda projekti mitme miljoni krooniga ning lähiajal peaks Tallinna tehnikaülikoolis valmima moodne labor, kus saab katsetada eri tootjate loodud päikesepaneelide tööd Eesti oludes.


Kõrgtehnoloogiline Eesti? Olgu mis on, kuid seniste kogemuste põhjal on kõrgtehnoloogia valdkonnas tähtsal kohal pooljuhtmaterjalidega seotud elektroonika. Nii ränil kui ka III–V elementidel (GaAs, InP jt.) põhinev pooljuhtelektroonika on Eesti jaoks ilmselt jäädavalt kaotatud arengusuund. Kuid nüüdisaegse tehnoloogia järgi valmistatud päikesepatareidel on tulevikku. Kui me lähiajal Eestis ei hakkagi päikesekiirgusest elektrienergiat tootma, siis kõrgtehnoloogilisi päikesepatareisid võime ikka luua ja neid kogu maailmas müüa. Riski pole vaja karta, sest päikeseenergeetika vajalikkust on maailmas juba mõistetud.


1. Altosaar, Mare et al. 2005. Further developments in CIS monograin layer solar cells technology, Solar Energy Materials and Solar Cells, v. 87: 25–32.

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-François et al. 1999. Cu(In,Ga)Se2 solar cells: Device stability based on chemical flexibility. – Adv. Mater. 11: 957–961.

5. Portugal alustas päikeseelektrijaama ehitust. Eesti Päevaleht: 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.



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

Loe Uudistajat
E-posti aadress:
Liitun:Lahkun: 
Serverit teenindab EENet