Świetlana przyszłość diamentów w sektorze produkcji zielonej energii Doskonały materiał półprzewodnikowy może odegrać kluczową rolę w zwiększaniu wydajności sieci energetycznych. Energia © CSIC - CNM Osiągnięcie przez Europę celów emisyjnych zależy w znacznym stopniu od naszych zdolności w zakresie niskoemisyjnej produkcji energii, a do największych wyzwań w tym kontekście należy zapewnienie, że zrównoważona produkcja energii jest w miarę możliwości wydajna i oszczędna. „Dobrym przykładem są morskie elektrownie wiatrowe, z których energia jest transportowana na ląd za pośrednictwem podwodnych kabli”, mówi koordynator projektu GreenDiamond Etienne Gheeraert z uczelni Université Grenoble Alpes, we Francji. Do transportu energii wykorzystuje się dwa przetworniki wysokiego napięcia, z których jeden jest zainstalowany w elektrowni wiatrowej, a drugi na lądzie. Te przetworniki zwykle zawierają krzemowe urządzenia elektroenergetyczne. „To jest ich słaby punkt”, wyjaśnia Gheeraert. „Krzem jest tani, ale słabo przewodzi prąd elektryczny o wysokim napięciu”. Dlatego wybór tego materiału do przesyłania energii naraża operatorów na znaczne straty. Moc diamentów przemysłowych Celem finansowanego ze środków UE projektu GreenDiamond, który był koordynowany przez francuskie Narodowe Centrum Badań Naukowych (CNRS), było znalezienie długo oczekiwanych przez przemysł alternatywnych półprzewodników. W centrum zainteresowania badaczy znalazł się minerał kojarzony zwykle z luksusem i dekadencją. Mowa oczywiście o diamencie. „Ważną przesłanką było dla nas to, że produkcja diamentów jest niedroga”, zauważa Gheeraert. „W rzeczywistości metody wytwarzania diamentu są dość proste, a materiałem wyjściowym jest metan i wodór lub grafit”. W toku tego procesu otrzymuje się sieć krystaliczną o jakości znacznie wyższej niż w przypadku diamentu naturalnego. Jak podkreśla Gheeraert: „Diament jest najdoskonalszym z półprzewodników. Żaden inny materiał nie posiada lepszych właściwości. Era krzemu powoli dobiega końca, zaś wraz z nadejściem ery węgla na popularności zyskiwać będą materiały takie jak grafen, nanorurki czy właśnie diament”. Cena diamentu przemysłowego jest obecnie uzależniona od cen panujących na rynku kamieni szlachetnych, a te są dość wygórowane. Gheeraert jest przekonany, że oba te rynki – przemysłowy i kamieni szlachetnych – wkrótce się podzielą, dzięki czemu ceny diamentów dostępnych na rynku nowych technologii znacząco spadną. „Pierwsze wyzwanie wiązało się z wyprodukowaniem nowego przetwornika z urządzeniem elektroenergetycznym na bazie diamentu”, mówi Gheeraert. „To wymagało od nas opracowania w oparciu o standardową technologię krzemową technologii półprzewodnikowej wykorzystującej diament”. Zespół projektu opracował również obudowę urządzenia nadającą się do stosowania w warunkach dużych mocy i wysokich temperatur, sięgających 250 °C. „Chcieliśmy mieć pewność, że nasz przetwornik sprawdzi się jako typowe urządzenie tego rodzaju”, wyjaśnia Gheeraert. „Miało to dla nas kluczowe znaczenie, ponieważ brak konieczności konserwacji w przypadku przetworników mocy instalowanych na morzu jest niezmiernie ważny”. Wejście na rynek Poczyniono istotne postępy w zakresie kilku kluczowych technologii. Do najważniejszych należy zaprojektowanie urządzeń na bazie diamentu, opracowanie obudowy odpornej na wysokie temperatury i dużą moc oraz zaprojektowanie przetwornika na bazie diamentu. Wstępne oceny pokazują, że urządzenia elektroenergetyczne na bazie diamentu są czterokrotnie bardziej wydajne od tradycyjnych przetworników krzemowych, co może przełożyć się na zmniejszenie strat prądu elektrycznego o nawet 75 %. „Ostatecznie wszystkie systemy elektryczne o wysokiej mocy staną się energooszczędne dzięki wykorzystaniu do ich budowy diamentu”, zauważa badacz. Rozwiązanie to mogłoby w przyszłości znaleźć szereg zastosowań w przemyśle lotniczym czy w projektowaniu przetworników przemysłowych bądź linii elektroenergetycznych do przesyłu prądu na dużych dystansach. W gronie użytkowników końcowych mogą znaleźć się również producenci wodoru z uwagi na fakt, że proces produkcji tego gazu jest niezwykle energochłonny. Do najważniejszych bieżących zadań twórców projektu należy obecnie zdobycie większego zainteresowania partnerów przemysłowych. Ponieważ diament wciąż kojarzy się nam głównie z luksusem i wysokimi cenami, promowanie potencjału opłacalnej produkcji diamentu przemysłowego będzie wymagało skutecznej komunikacji. Kolejnym krokiem dla Gheeraerta i jego zespołu będzie rozpoczęcie fazy komercjalizacji. Partnerzy projektu zdążyli już powołać do życia dwa start-upy, które zajmować się będą urządzeniami elektronicznymi na bazie diamentu. Jako jedno z najważniejszych osiągnięć projektu Gheeraert wskazuje stałe i silne zaangażowanie partnerów przemysłowych w rozwój tej nowatorskiej technologii. Badacz jest przekonany, że w przyszłości technologia urządzeń elektronicznych na bazie diamentu zdominuje rynki i podkreśla: „Niezmiernie ważne jest, aby kontynuować w Europie badania w tym zakresie. W przeciwnym razie rynek konwersji energii na bazie diamentu zdominują gracze spoza Europy”. Słowa kluczowe GreenDiamond, energia, diament, półprzewodnik, zrównoważony, elektrownie wiatrowe, elektroniczny, węgiel
