Grafen w Polsce. Nigdy si─Ö nie poddawaj

Polska przegra┼éa w wy┼Ťcigu o dominacj─Ö na rynku grafenu? By─ç mo┼╝e. Ale istnieje inny, wa┼╝ny w─ůtek zwi─ůzany z grafenem, kt├│ry ju┼╝ okaza┼é si─Ö sukcesem.

Fakt pierwszy: historia produkcji grafenu w Polsce. Na pocz─ůtku wiele uzasadnionych nadziei, potem optymistyczne zapowiedzi i obietnice, wreszcieÔÇŽ spektakularna klapa. I cisza.

Fakt drugi: od kilkunastu dni dzia┼éa w Polsce pierwsza na ┼Ťwiecie elektrownia s┼éoneczna wykorzystuj─ůca warstw─Ö grafenow─ů umieszczon─ů bezpo┼Ťrednio na ogniwie fotowoltaicznym.

Czy mo┼╝na te fakty po┼é─ůczy─ç?

Co to jest grafen?

Wiele os├│b s┼éysza┼éo ju┼╝ o grafenie (a nieco mniej o borofenie), wi─Öc tu tylko skr├│towo. Grafen to jedna z postaci czystego w─Ögla, sk┼éadaj─ůca si─Ö z atom├│w tego pierwiastka po┼é─ůczonych w sze┼Ťciok─ůty (struktura plastra miodu). Najwa┼╝niejsze, ┼╝e jest to struktura p┼éaska, maj─ůca grubo┼Ť─ç zaledwie pojedynczego atomu, dlatego nazywana jest wr─Öcz struktur─ů dwuwymiarow─ů. Oczywi┼Ťcie grubo┼Ť─ç jednego atomu to nadal mierzalny, konkretny wymiar, ale niemal┼╝e pomijalny. Jak bardzo? Je┼Ťli kto┼Ť wyobrazi sobie grubo┼Ť─ç zwyk┼éej kartki papieru, to grafen jest od niejÔÇŽ milion razy cie┼äszy.

grafen

Grafen okre┼Ťlany jest jako materia┼é przysz┼éo┼Ťci mi─Ödzy innymi ze wzgl─Ödu na wyj─ůtkow─ů sprawno┼Ť─ç w przewodzeniu pr─ůdu oraz energii cieplnej (do czego za chwil─Ö wr├│cimy), a tak┼╝e ogromn─ů elastyczno┼Ť─ç, twardo┼Ť─ç i wytrzyma┼éo┼Ť─ç na rozci─ůganie. Wa┼╝na jest tak┼╝e wysoka przezroczysto┼Ť─ç tego materia┼éu (strata ┼Ťwiat┼éa na poziomie 2,7%).

Grafen w Polsce

O ile jednak sam grafen s┼éusznie okre┼Ťlono jako materia┼é przysz┼éo┼Ťci (kt├│ra zreszt─ů ju┼╝ powoli nadchodzi), o tyle z perspektywy naszego kraju jest to ju┼╝ raczej dumna pie┼Ť┼ä przesz┼éo┼Ťci. Pie┼Ť┼ä uzasadnionych nadziei i wielkich rozczarowa┼ä, charakterystyczna tak┼╝e dla kilku innych g┼éo┼Ťnych projekt├│w realizowanych w Polsce:

  • Polska ┼Ťwiatow─ů pot─Ög─ů w gazie ┼éupkowym;
  • Miliony polskich samochod├│w elektrycznych ju┼╝ w przysz┼éym roku;
  • Polski super-samoch├│d Arivera Husaria wejdzie za chwil─Ö do sprzeda┼╝y;
  • Polski cukier zaleje Europ─Ö;
  • Polska wo┼éowina podbija ┼Ťwiat;
    no i oczywi┼Ťcie…
  • Polska ┼Ťwiatowym liderem w produkcji grafenu.

Znacie te has┼éa, prawda? Dotycz─ů r├│┼╝nych bran┼╝ i projekt├│w, ale ┼é─ůczy je wsp├│lny, smutny fina┼é. Nie chc─Ö by─ç przy tym ┼║le zrozumiany ÔÇô ostatni─ů rzecz─ů, kt├│rej pragn─Ö, jest sianie defetyzmu. Znacznie ┼éatwiej znale┼║─ç w Polsce ogromn─ů liczb─Ö bran┼╝, przedsi─Öbiorstw czy projekt├│w, kt├│re odnios┼éy sukces na rynku krajowym i globalnym. Niestety, jednak czasem rzeczywi┼Ťcie w┼é─ůcza si─Ö to polskie biznesowe ÔÇ×piekie┼ékoÔÇŁ, kt├│re zadzia┼éa┼éo tak┼╝e w przypadku grafenu.

Jak to wygl─ůda┼éo chronologicznie?

  • 2004 r. ÔÇô pierwsze zako┼äczone sukcesem pr├│by wytworzenia grafenu w laboratorium
  • 2010 r. ÔÇô Andriej Gejm i Konstantin Nowosio┼éow z Uniwersytetu w Manchesterze otrzymuj─ů nagrod─Ö Nobla z fizyki w┼éa┼Ťnie za badania nad grafenem.
  • 2011 r. ÔÇô naukowcy z Instytutu Technologii Materia┼é├│w Elektronicznych oraz Wydzia┼éu Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego opracowali technologi─Ö uzyskiwania du┼╝ych tafli grafenu wysokiej jako┼Ťci.
  • 2017 r. ÔÇô dr W┼éodzimierz Strupi┼äski, nazywany „ojcem polskiego grafenu”, zostaje zwolniony z Instytutu Technologii Materia┼é├│w Elektronicznych.
  • 2019 r. ÔÇô w lutym Nano Carbon, sp├│┼éka powo┼éana do komercjalizacji polskiego grafenu przez ITME (wraz z Polsk─ů Grup─ů Zbrojeniow─ů i KGHM TFI), wystawi┼éa na sprzeda┼╝ urz─ůdzenia s┼éu┼╝─ůce do przemys┼éowej produkcji grafenu.

W tym momencie wygl─ůda wi─Öc na to, ┼╝e Polska wypad┼éa ju┼╝ z wy┼Ťcigu o rynek, kt├│rego warto┼Ť─ç wed┼éug ReportsnReports przekroczy w 2023 roku miliard dolar├│w, mimo ┼╝e w 2018 roku wyceniano go na 200 mln dolar├│w. Ale istnieje w tej grafenowej historii jeszcze inny polski w─ůtek, o kt├│rym zdecydowanie warto wiedzie─ç. Zwi─ůzany z fotowoltaik─ů.

Grafen w ogniwach fotowoltaicznych

M├│wi─ůc kr├│tko ÔÇô grafen to marzenie producent├│w ogniw fotowoltaicznych ze wzgl─Ödu na kilka w┼éa┼Ťciwo┼Ťci:

  • twardszy ni┼╝ diament, 200 razy mocniejszy ni┼╝ stal ÔÇô ┼Ťwietna ochrona powierzchni ogniwa (je┼Ťli grafen zostanie zastosowany jako warstwa zewn─Ötrzna) lub og├│lne wzmocnienie konstrukcji ogniwa;
  • niezwykle elastyczny ÔÇô nie ulega mikrop─Ökni─Öciom, a nawet chroni przed nimi. Ogniwa mog─ů mie─ç r├│┼╝ne kszta┼éty i pokrywa─ç dowolne powierzchnie, nie tylko p┼éaskie;
  • niemal ca┼ékowicie przezroczysty ÔÇô odchodzi zatem problem z wykonanymi z metalu drucikami pokrywaj─ůcymi powierzchni─Ö ogniwa, a przez to zacieniaj─ůcymi jej cz─Ö┼Ť─ç;
  • przewodzi energi─Ö ciepln─ů 5-krotnie szybciej ni┼╝ mied┼║ czy srebro ÔÇô dzi─Öki temu mocno zredukowany jest problem przegrzewania si─Ö ogniw fotowoltaicznych. Ich wydajno┼Ť─ç s┼éabnie o ok. 0,5% na ka┼╝dy stopie┼ä powy┼╝ej 25┬░C, przy czym liczy si─Ö naturalnie nie temperatura powietrza (np. 40┬░C), ale samego, niemal┼╝e czarnego, ogniwa. A ono potrafi nagrza─ç si─Ö do blisko 80ÔÇô90┬░C;
  • oferuje niesamowit─ů pr─Ödko┼Ť─ç przesy┼éania fotoelektron├│w ÔÇô 1/300 pr─Ödko┼Ťci ┼Ťwiat┼éa. W dodatku warstwa grafenowa r├│┼╝ni si─Ö znacz─ůco od mniej lub bardziej rozbudowanej siatki drucianych po┼é─ůcze┼ä na┼éo┼╝onych na ogniwo. W skr├│cie ÔÇô nie powoduje powstawania w─ůskiego gard┼éa w postaci ograniczonej liczby punkt├│w mi─Ödzy ┼Ťcie┼╝kami fotowoltaicznymi a drucikami;
  • jest niezwykle cienki, ma grubo┼Ť─ç jednego atomu w─Ögla ÔÇô zastosowanie grafenu mo┼╝e pozwoli─ç na zmniejszenie nawet o po┼éow─Ö ca┼éej grubo┼Ťci ogniw fotowoltaicznych, a co za tym idzie, zmniejszy─ç koszt ich produkcji (krzem jest do┼Ť─ç kosztowny).

Skoro jest tak pi─Öknie, to dlaczego do tej pory nikt ogniw grafenowych nie produkowa┼é? Pierwsza odpowied┼║ na to pytanie jest prosta ÔÇô grafen to zupe┼énie nowy materia┼é, wi─Öc do niedawna jego produkcja by┼éa skomplikowana. Co za tym idzie, koszt jego komercyjnego, masowego zastosowania by┼é zbyt wysoki.

Ale istnieje jeszcze druga odpowied┼║, zwi─ůzana ju┼╝ bezpo┼Ťrednio z technologi─ů produkcji ogniw fotowoltaicznych. Warstwa grafenowa mo┼╝e zosta─ç zastosowana w r├│┼╝nych miejscach, np. na zewn─Ötrznej szybie chroni─ůcej ca┼ée ogniwo. W tym przypadku implementacja technologii jest prostsza, ale korzy┼Ť─ç ÔÇô tylko cz─Ö┼Ťciowa. Polega na wzmocnieniu budowy i odporno┼Ťci na zabrudzenia, a tak┼╝e lepszym odprowadzaniu ciep┼éa (mniejsze ryzyko nagrzewania si─Ö panelu), ale bez zwi─Ökszenia wydajno┼Ťci ca┼éego ogniwa. Zdecydowanie mo┼╝na to zrobi─ç lepiej ÔÇô i w tym momencie pojawia si─Ö znowu w─ůtek polski.

PVGraf ÔÇô jak to robi─ů Polacy

Od 20 do 30% ÔÇô taki jest realny wzrost efektywno┼Ťci ogniw fotowoltaicznych, kt├│re pod mark─ů PVGraf produkuje polska firma Euro Com Project (w testach w warunkach idealnych nawet 40%). Co wa┼╝niejsze, jest to wzrost uzyskany przy zachowaniu dotychczasowych koszt├│w produkcji ogniw.

grafen PVGraf farma
Tak wygl─ůda pierwsza generacja ogniw PVGraf. Kolejne nie b─Öd─ů ju┼╝ mia┼éy mia┼éy widocznych po┼é─ůcze┼ä (busbar├│w).

Jak to dzia┼éa? Podstaw─ů jest nadal tradycyjne ogniowo mono- b─ůd┼║ polikrystaliczne oparte na krzemie, natomiast innowacj─ů jest umieszczona u g├│ry, bezpo┼Ťrednio na ogniwie, pow┼éoka grafenowa. G┼é├│wn─ů zalet─ů tego rozwi─ůzania jest radykalne przyspieszenie odbioru fotoelektron├│w przez inwerter (element zamieniaj─ůcy pr─ůd sta┼éy na pr─ůd zmienny, nadaj─ůcy si─Ö do ÔÇ×wpuszczeniaÔÇŁ do sieci elektrycznej). R├│wnocze┼Ťnie warstwa grafenowa wzmacnia budow─Ö ogniwa (chroni przed mikrop─Ökni─Öciami), przyspiesza odprowadzanie nadmiaru energii cieplnej i ukierunkowuje oddawanie tego ciep┼éa na obw├│d ogniwa (a nie w d├│┼é).

grafen PVGraf
Tak wygl─ůda pierwsza generacja ogniw PVGraf. Kolejne nie b─Öd─ů ju┼╝ mia┼éy mia┼éy widocznych po┼é─ůcze┼ä (busbar├│w).

Jak t┼éumaczy ┼üukasz Nowi┼äski, CEO firmy FreeVolt: W patencie opisane s─ů tak┼╝e druga i trzecia generacja, ju┼╝ pozbawiona elektrod ┼é─ůcz─ůcych (busbar├│w) i tzw. fingers├│w. S─ů one produkowane z wykorzystaniem srebra, wi─Öc pozbycie si─Ö ich b─Ödzie szans─ů na dalsze obni┼╝enie kosztu ogniw o kolejne 10%, przy uzyskaniu jeszcze wy┼╝szych wydajno┼Ťci. To kwestia najbli┼╝szych 5ÔÇô7 lat.

Co ciekawe, mimo ┼╝e rozwi─ůzanie technologiczne jest bardzo konkretne, to pozyskana przez firm─Ö Euro Com Project ochrona patentowa jest zaskakuj─ůco szeroka. Obejmuje tak naprawd─ÖÔÇŽ dowolne wykorzystanie grafenu w ogniwach fotowoltaicznych.

Pierwsza grafenowa farma na ┼Ťwiecie ÔÇô w┼éa┼Ťnie w Polsce

Niedaleko Warszawy, w Feliksowie ko┼éo Sochaczewa, od kilkunastu dni funkcjonuje pierwsza na ┼Ťwiecie farma fotowoltaiczna, kt├│ra wykorzystuje grafen zgodnie z technologi─ů PVGraf. Ma wydajno┼Ť─ç 2 megawat├│w, dlatego, cho─ç nadal traktowana jest cz─Ö┼Ťciowo eksperymentalnie, jej dzia┼éanie jest z za┼éo┼╝enia w pe┼éni komercyjne.

Poza tym zakontraktowana jest jeszcze wi─Öksza liczba ogniw fotowoltaicznych z grafenem, kt├│ra w tym momencie wchodzi ju┼╝ do sprzeda┼╝y w Polsce i w Stanach Zjednoczonych (na tamtym rynku mocno dzia┼éa Free Volt, marka nale┼╝─ůca do Euro Com Project). Wygl─ůda wi─Öc na to, ┼╝e ten nowy w─ůtek w historii ÔÇ×polskiego grafenuÔÇŁ nie zako┼äczy si─Ö tak, jak nadzieje zwi─ůzane z jego produkcj─ů w Polsce.

Ca┼éa farma widoczna z g├│ry. Co ciekawe, teren jest przystosowany do tego, by w dalszym ci─ůgu wykorzystywa─ç go rolniczo, np. do wypasu zwierz─ůt. Fot. Free Volt.

Czy to jest polski grafen? Tak i nie

Z polskimi ogniwami fotowoltaicznymi wykorzystuj─ůcymi polski grafen jest troch─Ö tak, jak ze szwedzkimi meblami Ikei, produkowanymi dla tej marki przez producent├│w w wielu r├│┼╝nych krajach ┼Ťwiata. Pewne elementy s─ů produkowane w Polsce i ca┼éo┼Ť─ç jest w Polsce sk┼éadana, natomiast cz─Ö┼Ť─ç podzespo┼é├│w, w tymÔÇŽ sam grafen, pochodzi z r├│┼╝nych fabryk zagranicznych. Co ciekawe, mimo ┼╝e to Chiny inwestuj─ů ostatnio najmocniej w rozw├│j bran┼╝y grafenowej, nie s─ů one ┼║r├│d┼éem ┼╝adnego z element├│w wykorzystywanych przez polskiego producenta, ze wzgl─Ödu na jego dzia┼éalno┼Ť─ç na rynku ameryka┼äskim. Gdyby by┼éo inaczej, pojawi┼éby si─Ö problem z embargiem i c┼éami antydumpingowymi, co mog┼éoby uczyni─ç sprzeda┼╝ na rynku USA nieop┼éacaln─ů.

Polskie w tym całym projekcie jest to, co najważniejsze:

  • my┼Ťl techniczna zwi─ůzana z technologi─ů produkcji samego grafenu, opracowana przez Instytut Technologii Materia┼é├│w Elektronicznych ÔÇô tzw. grafen epitaksjalny;
  • my┼Ťl techniczna dotycz─ůca chronionej patentowo technologii produkcji ogniw fotowoltaicznych wykorzystuj─ůcych grafen. To wszystko s─ů technologie opracowane w Polsce i dalej w Polsce rozwijane, m.in. we wsp├│┼épracy w polskimi instytutami i uczelniami technicznymi. Innymi s┼éowy, Euro Com Project daje fabrykom umiejscowionym w r├│┼╝nych cz─Ö┼Ťciach ┼Ťwiata (Europa, Japonia i Tajwan) dok┼éadne, precyzyjne recepty produkcji element├│w, w ┼╝aden spos├│b nie korzystaj─ůc z gotowych produkt├│w opracowanych przez te fabryki;
  • wszelkie prace badawczo-rozwojowe prowadzone s─ů w Polsce;
  • w┼éa┼Ťcicielem patentu jest polska firma (Euro Com Projekt), kt├│ra zajmuje si─Ö te┼╝ koordynacj─ů produkcji ogniw i ich sprzeda┼╝─ů.

Otwarty model biznesowy

Na koniec jeszcze jedna rzecz, kt├│ra wyr├│┼╝nia Euro Com Project i pierwsz─ů polsk─ů (i ┼Ťwiatow─ů) grafenow─ů farm─Ö fotowoltaiczn─ů ÔÇô podej┼Ťcie do rozwoju tej technologii. Polski producent traktuje swoj─ů now─ů farm─Ö jako swego rodzaju klaster technologiczny. To otwarty projekt, kt├│ry dostarcza danych ÔÇô dost─Öpnych dla wszystkich zainteresowanych ÔÇô na ile skutecznie dzia┼éaj─ů ogniwa fotowoltaiczne wykorzystuj─ůce grafen.

B─Ödziemy zaprasza─ç inne firmy do wsp├│┼épracy. Jeste┼Ťmy otwarci. Nie b─Ödziemy blokowa─ç dzia┼éa┼ä innych firm, zar├│wno je┼Ťli kto┼Ť b─Ödzie chcia┼é rozwija─ç ten produkt z nami czy nawet samodzielnie, ale w imi─Ö warto┼Ťci, kt├│re razem okre┼Ťlimy ÔÇô dopowiada ┼üukasz Nowi┼äski.

St─ůd wynika m.in. wyposa┼╝enie farmy w wiele dodatkowych czujnik├│w, np. pogodowych, kt├│re pozwalaj─ů na bardzo precyzyjne badanie zachowania si─Ö ogniw grafenowych (oraz innych rodzaj├│w ogniw fotowoltaicznych) w okre┼Ťlonych, naturalnych dla Polski warunkach pogodowych.

grafen PVGraf farma
Jeden z wielu parametr├│w wy┼Ťwietlanych na ekranie wbudowanym w inwerter ÔÇô tu wyniki po zaledwie 3 dniach funkcjonowania farmy, obejmuj─ůce nieca┼éy jeden rz─ůd paneli.

To samo dotyczy samej ochrony patentowej. Wprawdzie sama technologia jest i pozostanie w┼éasno┼Ťci─ů polskich firm, ale jest to technologia jawna, do kt├│rej rozwoju i wykorzystywania s─ů zaproszone inne o┼Ťrodki badawcze i inni producenci.