| Inovacije za okolje | | Sebastijan Kopušar | |
| Izkoriščanje sonca postaja eno ključnih področij pri prehodu s fosilnih goriv na obnovljive vire energije. Že nekaj časa je v ospredju uporaba sončnih celic za proizvodnjo električne energije, nekoliko prezrto, a nič manj pomembno pa je pridobivanje toplote v sončnih zbiralnikih. Pri teh so zelo uspešni raziskovalci Kemijskega inštituta v Ljubljani, ki so razvili inovativne premaze za izdelavo oziroma zaščito sončnih sprejemnikov. Uspeh Kemijskega inštituta je toliko pomembnejši, ker so dva svoja premaza patentno zaščitili in uspešno prodali industriji. Protikorozijski premaz za zaščito vakuumsko izdelanih sončnih zbiralnikov je odkupilo nemško podjetje. Skupaj z nekdanjim Colorjem, sedaj delom podjetja Helios, so razvili vpojni premaz, ki omogoča izdelavo sončnih zbiralnikov brez drage tehnologije vakuumskega nanašanja vpojnih plasti. | |
Prihodnost je sončna
Pomen izrabe sončne energije za ogrevanje kaže evropska poraba fosilnih goriv, saj jih skoraj polovico namenimo prav za ogrevanje. Najuspešnejši uporabniki solarnih ogrevalnih sistemov po inštalirani moči na prebivalce sta Ciper in Grčija, slednja sonce uporablja za kar 80 odstotkov vseh potreb po ogrevanju. Zanimivo je, da so izjemno uspešni tudi v Avstriji.
Izkoristek sončnih zbiralnikov je precej večji kot izkoristek sončnih celic za proizvodnjo elektrike (prvi na kvadratni meter proizvedejo od 400 do 600 vatov energije, celice do 160 vatov), hkrati zbiralniki kar za 15-krat bolj zmanjšajo porabo fosilnih goriv v primerjavi s sončnimi celicami. Če se bodo uveljavila priporočila Evropske unije o vsaj pol kvadratnega metra sončnih zbiralnikov na prebivalca, bi to pomenilo precejšen skok evropske proizvodnje. Po ocenah bi se v prihodnjih dvajsetih letih s sedanjih pet milijonov kvadratnih metrov letno povečala kar na 20 milijonov letno.
Slovenija je bila v osemdesetih pomemben proizvajalec sončnih sprejemnikov. Že takrat je IMP Klimat uporabljal tanko plast specialnih premazov, ki jih je Kemijski inštitut razvil skupaj z medvoškim Colorjem. Razpad države in hkratni pojav nove vakuumske tehnologije nanosa vpojnih plasti s precej višjimi izkoristki pa sta pomenila zaton slovenske proizvodnje.
Občutljivi kermeti so mešanica nanozrnc
Vakuumska tehnologija omogoča, da proizvajalci na pločevino nanesejo tanko, le 120 nanometrov debelo plast kompleksne mešanice nanozrnc kovine in keramike, imenovane kermet. »To je eden redkih množičnih izdelkov, kjer je nanotehnologija že prisotna v vsakodnevnem življenju,« pojasnjuje dr. Boris Orel, vodja laboratorija za spektroskopijo materialov na Kemijskem inštitutu, kjer so razvili oba patentirana premaza.
Kermeti vpijejo med 90 in 95 odstotki sončnega sevanja, zato so videti črne barve, med segrevanjem pa skoraj ne oddajajo toplote z infrardečim sevanjem. Taki lastnosti snovi pravimo spektralna selektivnost, zaradi nje je izkoristek glede na običajne črne prevleke za 30 do 40 odstotkov večji. Njihova slabost je izjemna občutljivost za korozijo, poleg tega so porozni, zato vlaga in zrak prodirata v njihovo notranjost. Hkrati zaščita z običajnimi protikorozijskimi sredstvi opazno zmanjša njihovo učinkovitost pri vpijanju sončnih žarkov.
V Kemijskem inštitutu so razvili prozoren zaščitni premaz, ki je izjemno tanek (le okoli 30 nanometrov). »Gre za kemijo organosilicijevih spojin, ki so ravno tako nanokompoziti z gostimi skladi in lahko preprečujejo dostop vode in zraka, hkrati jih odlikuje odličen oprijem na različne podlage, od stekla prek kovin do kermeta,« pojasnjuje dr. Orel.
Dosežek je rezultat dolgoletnih raziskav tankih prevlek in drugih materialov, ki jih pridobivajo iz organosilicijevih spojin. »Gre za tako imenovane sol-gel kemijske postopke, s katerimi lahko brez uporabe vakuumske tehnologije naredimo izjemno tanke prevleke z različnimi lastnostmi. To je poceni tehnologija za reveže, ki pa kljub temu omogoča tehnološko zelo zahtevne izdelke,« zagotavlja profesor Boris Orel.
Dolga razvojna pot premazov za sončne zbiralnike
Usmeritev v zaščito kermetov je tudi posledica vabila v evropski projekt Solabs (končal se je leta 2006), ki se je prvenstveno ukvarjal z razvojem sončnih sprejemnikov za fasade. Naloga Kemijskega inštituta v okviru tega projekta je bila razvoj selektivnih barvnih premazov z različnimi barvnimi odtenki in z iskanjem protikorozijske zaščite. To je spodbudilo tudi nastanek drugega pomembnega dosežka inštituta, barvnega premaza, ki naj bi bil dobro in hkrati cenejše nadomestilo vakuumske tehnologije in kermeta.
Proizvajalci sončnih zbiralnikov po vakuumski metodi se namreč srečujejo z ozkim grlom, saj je proces njihove izdelave počasen, kar pomeni, da jih v prihodnjih letih ne bodo izdelali dovolj za predvideno povpraševanje. Zato iščejo alternative, ki bi bile skoraj tako učinkovite kot kermetne absorpcijske plasti, hkrati pa poceni in bi omogočile množično proizvodnjo. Kemijski inštitut skupaj s Colorjem iz Medvod že dolgo razvija premaze za sončne zbiralnike.
»S skupino dr. Borisa Orla, ki je nosilec vseh skupnih raziskovalnih dejavnosti za izdelavo spektralno selektivnih premazov za sončne absorberje, sodelujemo od osemdesetih let prejšnjega stoletja. Plod sodelovanja je več generacij premazov za sončne zbiralnike in termovizijski kamuflažni premaz za potrebe slovenske vojske,« pojasnjuje Matjaž Hafner, nekdanji direktor Colorja, po njegovi pripojitvi podjetju Helios pa svetovalec uprave. Po njegovih besedah so sedanji izumi nadgradnja družine proizvodov, ki so jih v proizvodnjo uvedli že pred petnajstimi leti in se od takrat prodajajo predvsem na območju Sredozemlja.
Premaz, ki so ga na Kemijskem inštitutu razvili lani, zaradi uporabe nanokompozitov omogoča precej boljše optične lastnosti. »Trik je v tem, da smo ‚prepričali‘ delce, naj se kot tanka, a zelo homogena plast porazdelijo po površini, tako da vsrkajo čim več sončne energije, hkrati pa jo čim manj oddajo nazaj v ozračje. Tudi tukaj je osnova organosilicijeva spojina, ki oplašči delce pigmenta in jih poveže v naključno, a homogeno mrežo. Absorpcijske lastnosti premaza so nekoliko, a ne bistveno slabše kot pri kermetu, hkrati ta omogoča precej hitrejšo proizvodnjo,« pojasnjuje dr. Orel.
Pogled v hladilnik skozi folijo
Medtem, ko se je večina tujih inštitutov usmerila v preučevanje vakuumskih postopkov – »Barva je le barva in nima tolikšnega znanstvenega seksapila,« v šali meni dr. Boris Orel – se je Kemijski inštitutu posvetil razvijanju premazov. Zelo pomembna je bila uporaba omenjene sol-gel kemije in organosilicijevih spojin. »Preboj smo naredili z zmožnostjo, da izdelujemo nanokompozite. Nismo prvi, a gre za eno redkih barv, ki ima nanokompozit in je komercialno dosegljiva,« trdi dr. Orel.
Njegova usmeritev v sol-gel postopke se je začela leta 1990, ko je na neki konferenci srečal švedskega profesorja Claes-Görana Granqvista, ki se ukvarja z nekonvencionalnimi viri energije. Ta ga je prepričal, da se je začel ukvarjati s tehnologijo pametnih oken, ki s tanko optično plastjo lahko spreminjajo prepustnost svetlobe.
»Zanimivo je, da imamo po dolgih letih znova tak projekt, skupaj z nemškimi kolegi razvijamo svetlobno prepustne folije. Med drugimi v raziskavah sodeluje tudi Gorenje, zanima jih uporaba folije na steklenih vratih hladilnika, saj bi s spreminjanjem svetlobne prepustnosti lahko brez odpiranja vrat pogledali, kaj je v hladilniku,« pojasnjuje dr. Orel.
Med znanostjo in poslom so tudi sanje
Dr. Boris Orel se sicer strinja z mnenjem direktorja Kemijskega inštituta dr. Janka Jamnika, da je »prenos znanja v industrijo skoraj tako težak kot odkrije samo,« vendar hkrati dodaja, da znanost in gospodarstvo lahko dobro sodelujeta. »Če nimaš česa pametnega pokazati, je to najlažji izgovor,« pravi in ugotavlja: »Nimam takih težav, je pa res izjemno težko združiti osnovne raziskave in hkrati videti, kako bi odkritje, ki ga objaviš v kakovostni strokovni reviji, lahko praktično uporabil.«
Po njegovih besedah je na evropski ravni preizkus inovacije njen uspešen prenos iz laboratorijev v industrijo. »Brez tega se gospodarstvo ne bo zmenilo za znanstvene dosežke,« opozarja in dodaja: »Sam papir ni dovolj.« Seveda pa znanstveniki potrebujejo kompetentne sogovornike tudi med gospodarstveniki. »Menedžerji ne smejo hoditi samo na sejme in si ogledovati izdelke, ampak na strokovnih konferencah poslušati, o čem sanjamo znanstveniki,« trdi dr. Orel.
»Prenos in izmenjava znanja iz znanstvenoraziskovalne sfere v industrijo je podlaga za uspešen nastop na trgu,« poudarja tudi Matjaž Hafner. Po njegovih besedah je največja ovira takega sodelovanja v različnih pričakovanjih oziroma rezultatih raziskovalnega dela. »Raziskovalci na inštitutu se zadovoljijo s članki, ki jih objavljajo v znanstvenih revijah. V industriji pa potrebujemo izdelek, da ga lahko uspešno prodajamo.«
Poudarja tudi težave z birokracijo, saj se pri skupnih projektih z znanstvenoraziskovalnimi ustanovami, ki so (so)financirane iz javnih sredstev, srečujejo z »administrativnim poročanjem v izrazito nerazumnih obsegih«.
V Heliosu pričakujejo, da bodo s svojimi spektralno selektivnimi premazi zasedli pomemben delež na evropskem trgu sončnih zbiralnikov, največ prek dobaviteljev pločevine, premazane z njihovimi izdelki. S Kemijskim inštitutom pa že razvijajo premaze, ki s kontroliranim prenosom toplote in samočistilnimi lastnostmi omogočajo izrabo energije za gretje in hlajenje.
Orlova skupina
Profesor Boris Orel vseskozi poudarja vlogo celotne skupine, ki se ukvarja z raziskavami. »Če nekdo misli, da lahko dela sam, brez drugih, hitro dobimo pogreb. Kovanje lastne cene na tuj račun poruši uspešnost, vedno obstaja veriga ljudi, njeno trdoto pa določa najšibkejši člen.« Za svojo verigo pravi, da je zelo trdna. Za zadnja dosežka so zaslužni mladi raziskovalec Matjaž Koželj, dr. Ivan Jerman, dr. Angela Šurca Vuk, Marjanca Vodlan, Miha Steinbücher iz Colorja in dr. Janez Kovač iz IJS.
