Komu Silicor til landsins ber að fagna sem miklu skrefi í átt til framfara

29. júlí 2014

Þorsteinn Ingi Sigfússon prófessor og forstjóri Nýsköpunarmiðstöðvar Íslands hefur fengist við rannsóknir og útskrifað doktora og meistara á sviði áls og kísiljárns. Tilkoma Silicor fyrirtækisins til Íslands er að sögn Þorsteins skemmtileg prófraun á bæði ál- og kísilfræði. Nýsköpunarmiðstöð Íslands hefur ekkert unnið fyrir Silicor en fylgst grannt með hinni nýju spennandi tækni.

Þorsteinn Ingi við kvartsríka möl

Þorsteinn Ingi Sigfússon heldur á hleðslutæki sem byggir á sólarkísilflögum. Í bakgrunni er fjall af kvartzríkri möl. Í vinstri hendi heldur Þorsteinn á álbút. Sólin speglast í kísilflögunum sem innihalda kísil sem hefur verið unninn úr kvartzi og, í tilviki Silicor, hreinsaður með böðun í bráðnu áli.

Þorsteinn Ingi útskýrir sólarkísil

Vinur minn hringdi um helgina og bað mig að skýra fyrir sér hvað „sólarkísill“ væri og hvernig sólarorka gæti sparað mannkyni gríðarlega losun CO2 í andrúmsloftið frá kola-, olíu- eða gasorkuverum.

„Gerðu það á einföldu og skiljanlegu máli“ hljóðaði beiðnin!

Þetta fannst mér áskorun; ég hef verið að vasast í orkumálum lengi og einnig rannsakað melmi eins og ál- og kísilmelmi og meira að segja útskrifað hóp meistara- og doktorsnema í þessum fræðum. Allt í lagi, nú skal ég reyna:

Fyrst svolítið um orku jarðefnaeldsneytis. Eitt tonn af kolum er mishreint, í því geta verið óhreinindi eins og í brúnkolum o.s.frv. Besta svarið mitt hér væri að segja að eitt og hálft til þrjú tonn af CO2 losni við að brenna eitt tonn af kolum og breyta því í raforku. Lélegri kol losa minna en þeim mun meira af óhreinindum og aukaefnum.

Hversu mikla raforku getur þetta tonn af kolum framleitt? Sama svar, fer eftir hreinleika. Við skulum reikna með nokkuð hreinum kolum og segja 2500 kWh af rafmagni. Tvö þúsund og fimm hundruð kílówattstundir.  Þær eru framleiddar með því að brenna kolin, láta þau sjóða vatn í gufu og knýja rafala.

Þá kemur spurningin um form jarðefnaeldsneytisins: olía er orkuríkust fyrir hvert tonn – kol leysa úr læðingi svona 95% af varmaorku olíunnar;  náttúrugas inniheldur svona 73%. Höldum áfram að reikna og höldum okkur við kol.

Allt í lagi. Segjum nú að kínverji nokkur í Beijing vilji breyta úr kolaraforku í  sólarorku og setja sólarflögur á þakið hjá sér. Hann þarf um 2500 kWh af rafmagni árlega.  Hann ræðst þá á það markmið að spara eitt tonn af kolum á hverju ári. Þar að auki er mengunin í CO2 um tvö til þrjú tonn á ári. Þá erum við ekki að reikna önnur efni sem kolin bera út í andrúmsloftið við bruna. Þau eru til dæmis brennisteinsdíoxíð SO2 , kvikasilfur o.fl.

Hvað með að nýta sólarorku, virkja sólskinið með því að setja sólarkísilflögur á þakið. Þær eru stundum kallaðar sólarrafhlöður en hafa ekkert með að geyma rafmagn eins og rafhlöðurnar sem við kaupum í útvarpstækið eða vasaljósið. Sumir kalla þetta sólarhlöð, sem er fallegt orð. Sólarkísill framleiðir rafmagn með svokölluðum ljósrafhrifum. Þegar ljós skín á efni eins og t.d. kísil þá losna rafeindir í kíslinum og eru tiltækar til þess að þær séu leiddar inn í rafrás, t.d. ljósaperu. Á bak við ljósrafhrifin er heillandi eðlisfræði rafeinda og róteinda í efnum. Albert Einstein skýrði fyrstur ljósrafhrifin og hlaut Nóbelsverðlaunin fyrir!

Hvar finnum við kísil til þess að nota í sólarkísilflögur?

Næst okkur í náttúrunni er kvartz. Það er mikið af því í íslensku bergi og sumstaðar á jörðunni er bergið næstum því hreint kvartz. Það er gert úr kísiloxíði, sameindum úr kísl (Si) og súrefni (O2). Efnaformúla kvartz er SiO2.

Kísill til nota í sólarkísilflögur þarf að vera nokkuð hreinn. Kvartz er ekki hægt að nota beint. Með því að beita tækni svipaðri þeirri sem notuð er hjá Elkem á Grundartanga er hægt að einangra kísil úr kvartzi. Notast er við rafmagn og kolarafskaut í stórum ofni þar sem kolskautið gefur frá sér kolefnisatóm og hremmir súrefni frá kvartzinu og til verður CO2.

Hversu mikið CO2 sparast þá með því að nota sólarkísil í stað rafmagns frá jarðefnaeldsneyti?

Hægt er að reikna út hversu mikið CO2 fylgir sólarkísilflögum. Þá þarf að reikna allan ferilinn, frá því að kvartz er numið, það flutt til kísilverksmiðju og úr því unninn kísill til nota í sólarkísilflögur.

Nú bætist við eitt ferli í viðbót: hreinsun kísilsins til þess að gera hann hæfan í sólarkísilflögu.

Við þurfum ekki tandurhreinan kísil. En hingað til hefur kísill verið hreinsaður með því að notast við svokallaðan Siemens feril. Hann felur í sér að kísillinn fer í gegnum marga svokallaða fasa; eitt veifið er hann fast efni, annað veifið er hann í gasformi – þannig verður til fyrirhafnarmikið ferli sem krefst töluverðrar orku. Vandinn með Siemens ferilinn hefur t.d. verið tilurð SiCl4 kísil tetraklórs, sem erfitt og kostnaðarsamt hefur verið að eyða eða endurvinna.

Venjulega er rætt um að ferlið leiði til að um 30 grömm af CO2 leysist út fyrir hverja kílówattstund sem úr sólarkísilflögunni fæst.

Nú skulum við hverfa aftur til sólarflögunnar í Beijing. Ársnotkunin var um 2500 kWh og búast mátti við allt að 3 tonnum á ári af CO2 frá hinni venjulegu kolatengdu raforku. Sólarflagan á hinn bóginn myndi hafa valdið 75 kg losun.

Þetta eru spennandi tölur.  Notandinn gæti haldið áfram og krafist enn minna magns af CO2 í sólarflögum. Það er heilmikil áskorun sem ég reyni nú að svara.

Í fyrsta lagi væri æskilegt að í kísilverksmiðjuna  sem upprunalega vinnur kísil úr kvartzi væri notuð græn raforka, sem kæmi úr endurnýjanlegum orkulindum eins og Landsvirkjun útvegar hér á landi.

Í öðru lagi væri æskilegt að hreinsun kísilsins á næsta stigi væri gerð með aðferðum sem nýta minni orku og nota minna af leysiefnum o.þ.h. en hin hefðbundna aðferð sem áðan var nefnd.

Bent hefur verið á að hin hefðbundna aðferð við að hreinsa kísil leiddi til þess að til verður kísill sem er betur hæfur í rafrásir tölvanna en endilega í sólarflögur. Í því tilviki þarf ekki nærri eins hreinan kísil. Hægt er að lifa með óhreinindi (sem eiga uppruna í kvartzinu) í miklu hærra hlutfalli.

Siemens ferlið sem þekktast er í heiminum í dag leiðir til ofurhreins kísils sem nota má í rafrásir og örrásatækni nútímans. Mér finnst Siemens ferlið bæði klunnalegt tæknilega og mjög mengandi þegar um er að ræða sólarkísil sem þarf ekki sama hreinleika og rafrásir.

Fyrir nokkrum árum frétti ég af því að hópur málmfræðinga og efnisfræðinga væri að reyna að einfalda þetta ferli.  Þá voru kynnt einkaleyfi á ferli þar sem menn notfæra sér einstaka málmeðlisfræði blanda af kísil og áli.

Leysni kísils í áli hefur mjög einfalda eðlisfræði og unnt er að leysa kísil sem mettaður er með óhreinindum eins og t.d. bór, þannig að álið taki bór í sig og leiði til þess að kísillinn verður hlutfallslega hreinni. Nógu hreinn til þess að geta þjónað sem efni sem ber ljósrafhrifin sem þörf er fyrir í sólarflögum!

Umræða um umhverfislega hættu af ferli Silicor eru staðhæfulausar og byggðar á misskilningi

Slík tækni er grundvöllurinn að aðferð Silicor fyrirtækisins sem hyggur á starfsemi hér á landi.  Reikna má út að ferlið þurfi aðeins um 1/3 af orku Siemens ferlisins. Kísillinn er settur í bráðið ál og það notað til að hremma ýmis óhreinindi sem enn sitja í honum eins og bór og fosfór. Afurðirnar eru þannig hreinni kísill og svo álmelmi eða blanda sem innheldur ýmis aukaefni en getur samt farið á heimsmarkað sem ákveðin tegund áls í útsteypingar.

Sólarkísillinn í dæminu okkar frá Beijing myndi , framleiddur á Íslandi leiða til minnsta kolefnisfótspors á jörðunni.

Fréttir hér á landi að undanförnu um umhverfislega hættu af ferli Silicor eru staðhæfulausar og byggðar á misskilningi. Líklega er upphafsmaður fréttarinnar að rugla saman frumframleiðslu kísils úr jarðefnaeldsneyti og Siemens ferlinu (sem fram fer víða um heim)  við grænar framleiðsluaðferðir kísils og Silicor ferlisins.

Ég tel að komu Silicor til landsins beri að fagna sem miklu skrefi í átt til framfara þar sem ál- og kísilframleiðslulandið Ísland verður í fararbroddi í heiminum í að útvega efni sem minnka munu kolefnisspor mannkyns.