Grafen w Polsce. Nigdy się nie poddawaj
Fakt pierwszy: historia produkcji grafenu w Polsce. Na początku wiele uzasadnionych nadziei, potem optymistyczne zapowiedzi i obietnice, wreszcie… spektakularna klapa. I cisza.
Fakt drugi: od kilkunastu dni działa w Polsce pierwsza na świecie elektrownia słoneczna wykorzystująca warstwę grafenową umieszczoną bezpośrednio na ogniwie fotowoltaicznym.
Czy można te fakty połączyć?
Co to jest grafen?
Wiele osób słyszało już o grafenie (a nieco mniej o borofenie), więc tu tylko skrótowo. Grafen to jedna z postaci czystego węgla, składająca się z atomów tego pierwiastka połączonych w sześciokąty (struktura plastra miodu). Najważniejsze, że jest to struktura płaska, mająca grubość zaledwie pojedynczego atomu, dlatego nazywana jest wręcz strukturą dwuwymiarową. Oczywiście grubość jednego atomu to nadal mierzalny, konkretny wymiar, ale niemalże pomijalny. Jak bardzo? Jeśli ktoś wyobrazi sobie grubość zwykłej kartki papieru, to grafen jest od niej… milion razy cieńszy.
Grafen określany jest jako materiał przyszłości między innymi ze względu na wyjątkową sprawność w przewodzeniu prądu oraz energii cieplnej (do czego za chwilę wrócimy), a także ogromną elastyczność, twardość i wytrzymałość na rozciąganie. Ważna jest także wysoka przezroczystość tego materiału (strata światła na poziomie 2,7%).
Grafen w Polsce
O ile jednak sam grafen słusznie określono jako materiał przyszłości (która zresztą już powoli nadchodzi), o tyle z perspektywy naszego kraju jest to już raczej dumna pieśń przeszłości. Pieśń uzasadnionych nadziei i wielkich rozczarowań, charakterystyczna także dla kilku innych głośnych projektów realizowanych w Polsce:
Polska światową potęgą w gazie łupkowym;
Miliony polskich samochodów elektrycznych już w przyszłym roku;
Polski super‑samochód Arivera Husaria wejdzie za chwilę do sprzedaży;
Polski cukier zaleje Europę;
Polska wołowina podbija świat;
no i oczywiście…Polska światowym liderem w produkcji grafenu.
Znacie te hasła, prawda? Dotyczą różnych branż i projektów, ale łączy je wspólny, smutny finał. Nie chcę być przy tym źle zrozumiany – ostatnią rzeczą, której pragnę, jest sianie defetyzmu. Znacznie łatwiej znaleźć w Polsce ogromną liczbę branż, przedsiębiorstw czy projektów, które odniosły sukces na rynku krajowym i globalnym. Niestety, jednak czasem rzeczywiście włącza się to polskie biznesowe „piekiełko”, które zadziałało także w przypadku grafenu.
Jak to wyglądało chronologicznie?
2004 r. – pierwsze zakończone sukcesem próby wytworzenia grafenu w laboratorium
2010 r. – Andriej Gejm i Konstantin Nowosiołow z Uniwersytetu w Manchesterze otrzymują nagrodę Nobla z fizyki właśnie za badania nad grafenem.
2011 r. – naukowcy z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych oraz Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego opracowali technologię uzyskiwania dużych tafli grafenu wysokiej jakości.
2017 r. – dr Włodzimierz Strupiński, nazywany „ojcem polskiego grafenu”, zostaje zwolniony z Instytutu Technologii Materiałów Elektronicznych.
2019 r. – w lutym Nano Carbon, spółka powołana do komercjalizacji polskiego grafenu przez ITME (wraz z Polską Grupą Zbrojeniową i KGHM TFI), wystawiła na sprzedaż urządzenia służące do przemysłowej produkcji grafenu.
W tym momencie wygląda więc na to, że Polska wypadła już z wyścigu o rynek, którego wartość według ReportsnReports przekroczy w 2023 roku miliard dolarów, mimo że w 2018 roku wyceniano go na 200 mln dolarów. Ale istnieje w tej grafenowej historii jeszcze inny polski wątek, o którym zdecydowanie warto wiedzieć. Związany z fotowoltaiką.
Grafen w ogniwach fotowoltaicznych
Mówiąc krótko – grafen to marzenie producentów ogniw fotowoltaicznych ze względu na kilka właściwości:
twardszy niż diament, 200 razy mocniejszy niż stal – świetna ochrona powierzchni ogniwa (jeśli grafen zostanie zastosowany jako warstwa zewnętrzna) lub ogólne wzmocnienie konstrukcji ogniwa;
niezwykle elastyczny – nie ulega mikropęknięciom, a nawet chroni przed nimi. Ogniwa mogą mieć różne kształty i pokrywać dowolne powierzchnie, nie tylko płaskie;
niemal całkowicie przezroczysty – odchodzi zatem problem z wykonanymi z metalu drucikami pokrywającymi powierzchnię ogniwa, a przez to zacieniającymi jej część;
przewodzi energię cieplną 5‑krotnie szybciej niż miedź czy srebro – dzięki temu mocno zredukowany jest problem przegrzewania się ogniw fotowoltaicznych. Ich wydajność słabnie o ok. 0,5% na każdy stopień powyżej 25°C, przy czym liczy się naturalnie nie temperatura powietrza (np. 40°C), ale samego, niemalże czarnego, ogniwa. A ono potrafi nagrzać się do blisko 80–90°C;
oferuje niesamowitą prędkość przesyłania fotoelektronów – 1/300 prędkości światła. W dodatku warstwa grafenowa różni się znacząco od mniej lub bardziej rozbudowanej siatki drucianych połączeń nałożonych na ogniwo. W skrócie – nie powoduje powstawania wąskiego gardła w postaci ograniczonej liczby punktów między ścieżkami fotowoltaicznymi a drucikami;
jest niezwykle cienki, ma grubość jednego atomu węgla – zastosowanie grafenu może pozwolić na zmniejszenie nawet o połowę całej grubości ogniw fotowoltaicznych, a co za tym idzie, zmniejszyć koszt ich produkcji (krzem jest dość kosztowny).
Skoro jest tak pięknie, to dlaczego do tej pory nikt ogniw grafenowych nie produkował? Pierwsza odpowiedź na to pytanie jest prosta – grafen to zupełnie nowy materiał, więc do niedawna jego produkcja była skomplikowana. Co za tym idzie, koszt jego komercyjnego, masowego zastosowania był zbyt wysoki.
Ale istnieje jeszcze druga odpowiedź, związana już bezpośrednio z technologią produkcji ogniw fotowoltaicznych. Warstwa grafenowa może zostać zastosowana w różnych miejscach, np. na zewnętrznej szybie chroniącej całe ogniwo. W tym przypadku implementacja technologii jest prostsza, ale korzyść – tylko częściowa. Polega na wzmocnieniu budowy i odporności na zabrudzenia, a także lepszym odprowadzaniu ciepła (mniejsze ryzyko nagrzewania się panelu), ale bez zwiększenia wydajności całego ogniwa. Zdecydowanie można to zrobić lepiej – i w tym momencie pojawia się znowu wątek polski.
PVGraf – jak to robią Polacy
Od 20 do 30% – taki jest realny wzrost efektywności ogniw fotowoltaicznych, które pod marką PVGraf produkuje polska firma Euro Com Project (w testach w warunkach idealnych nawet 40%). Co ważniejsze, jest to wzrost uzyskany przy zachowaniu dotychczasowych kosztów produkcji ogniw.
Jak to działa? Podstawą jest nadal tradycyjne ogniowo mono- bądź polikrystaliczne oparte na krzemie, natomiast innowacją jest umieszczona u góry, bezpośrednio na ogniwie, powłoka grafenowa. Główną zaletą tego rozwiązania jest radykalne przyspieszenie odbioru fotoelektronów przez inwerter (element zamieniający prąd stały na prąd zmienny, nadający się do „wpuszczenia” do sieci elektrycznej). Równocześnie warstwa grafenowa wzmacnia budowę ogniwa (chroni przed mikropęknięciami), przyspiesza odprowadzanie nadmiaru energii cieplnej i ukierunkowuje oddawanie tego ciepła na obwód ogniwa (a nie w dół).
Jak tłumaczy Łukasz Nowiński, CEO firmy FreeVolt: W patencie opisane są także druga i trzecia generacja, już pozbawiona elektrod łączących (busbarów) i tzw. fingersów. Są one produkowane z wykorzystaniem srebra, więc pozbycie się ich będzie szansą na dalsze obniżenie kosztu ogniw o kolejne 10%, przy uzyskaniu jeszcze wyższych wydajności. To kwestia najbliższych 5–7 lat.
Co ciekawe, mimo że rozwiązanie technologiczne jest bardzo konkretne, to pozyskana przez firmę Euro Com Project ochrona patentowa jest zaskakująco szeroka. Obejmuje tak naprawdę… dowolne wykorzystanie grafenu w ogniwach fotowoltaicznych.
Pierwsza grafenowa farma na świecie – właśnie w Polsce
Niedaleko Warszawy, w Feliksowie koło Sochaczewa, od kilkunastu dni funkcjonuje pierwsza na świecie farma fotowoltaiczna, która wykorzystuje grafen zgodnie z technologią PVGraf. Ma wydajność 2 megawatów, dlatego, choć nadal traktowana jest częściowo eksperymentalnie, jej działanie jest z założenia w pełni komercyjne.
Poza tym zakontraktowana jest jeszcze większa liczba ogniw fotowoltaicznych z grafenem, która w tym momencie wchodzi już do sprzedaży w Polsce i w Stanach Zjednoczonych (na tamtym rynku mocno działa Free Volt, marka należąca do Euro Com Project). Wygląda więc na to, że ten nowy wątek w historii „polskiego grafenu” nie zakończy się tak, jak nadzieje związane z jego produkcją w Polsce.
Czy to jest polski grafen? Tak i nie
Z polskimi ogniwami fotowoltaicznymi wykorzystującymi polski grafen jest trochę tak, jak ze szwedzkimi meblami Ikei, produkowanymi dla tej marki przez producentów w wielu różnych krajach świata. Pewne elementy są produkowane w Polsce i całość jest w Polsce składana, natomiast część podzespołów, w tym… sam grafen, pochodzi z różnych fabryk zagranicznych. Co ciekawe, mimo że to Chiny inwestują ostatnio najmocniej w rozwój branży grafenowej, nie są one źródłem żadnego z elementów wykorzystywanych przez polskiego producenta, ze względu na jego działalność na rynku amerykańskim. Gdyby było inaczej, pojawiłby się problem z embargiem i cłami antydumpingowymi, co mogłoby uczynić sprzedaż na rynku USA nieopłacalną.
Polskie w tym całym projekcie jest to, co najważniejsze:
myśl techniczna związana z technologią produkcji samego grafenu, opracowana przez Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych – tzw. grafen epitaksjalny;
myśl techniczna dotycząca chronionej patentowo technologii produkcji ogniw fotowoltaicznych wykorzystujących grafen. To wszystko są technologie opracowane w Polsce i dalej w Polsce rozwijane, m.in. we współpracy w polskimi instytutami i uczelniami technicznymi. Innymi słowy, Euro Com Project daje fabrykom umiejscowionym w różnych częściach świata (Europa, Japonia i Tajwan) dokładne, precyzyjne recepty produkcji elementów, w żaden sposób nie korzystając z gotowych produktów opracowanych przez te fabryki;
wszelkie prace badawczo‑rozwojowe prowadzone są w Polsce;
właścicielem patentu jest polska firma (Euro Com Projekt), która zajmuje się też koordynacją produkcji ogniw i ich sprzedażą.
Otwarty model biznesowy
Na koniec jeszcze jedna rzecz, która wyróżnia Euro Com Project i pierwszą polską (i światową) grafenową farmę fotowoltaiczną – podejście do rozwoju tej technologii. Polski producent traktuje swoją nową farmę jako swego rodzaju klaster technologiczny. To otwarty projekt, który dostarcza danych – dostępnych dla wszystkich zainteresowanych – na ile skutecznie działają ogniwa fotowoltaiczne wykorzystujące grafen.
Będziemy zapraszać inne firmy do współpracy. Jesteśmy otwarci. Nie będziemy blokować działań innych firm, zarówno jeśli ktoś będzie chciał rozwijać ten produkt z nami czy nawet samodzielnie, ale w imię wartości, które razem określimy – dopowiada Łukasz Nowiński.
Stąd wynika m.in. wyposażenie farmy w wiele dodatkowych czujników, np. pogodowych, które pozwalają na bardzo precyzyjne badanie zachowania się ogniw grafenowych (oraz innych rodzajów ogniw fotowoltaicznych) w określonych, naturalnych dla Polski warunkach pogodowych.
To samo dotyczy samej ochrony patentowej. Wprawdzie sama technologia jest i pozostanie własnością polskich firm, ale jest to technologia jawna, do której rozwoju i wykorzystywania są zaproszone inne ośrodki badawcze i inni producenci.
