Solární křemík vyráběný z rýžových slupek

Základem technologie je tepelný proces, jenž představuje kombinaci pyrolýzy a procesu, výrobcem označovaného jako karbotermický, v němž dochází k redukci oxidu křemiku SiO2 z rýžových pluch či slupek (angl.: rice hulls) organickým uhlíkem z pluch na křemík, dle sumární reakce:

SiO2 + 2 C 2 CO + Si ,

kde se ze vzniklého křemíku po následné rafinací známými procesy stává křemík fotovoltaické jakosti Solar Grade. Thermal Technology (zřejmě z průmyslově-právních důvodů) bohužel neuvádí bližší informace k procesu, způsob výroby, popis a výtěžnost procesu ani kapacitu výroby zařízení.

Pluchy mají ideální poměr SiO2/C a spotřebu jen 50 kWh/kg Si

Předností pluch jako suroviny je ideální vzájemný poměr SiO2 a uhlíku 1 : 4 k redukci a morfologie vznikajícího křemíku, která umožňuje jeho rafinaci s odstraněním doprovodných znečišťujících prvků. Proces má mít nižší výrobní náklady a nižší cenu vstupů, především suroviny, než dosavadní procesy. Při nich je v USA více než 95 % křemíku v jakosti Solar Grade (SG-Si) vyráběno procesem Siemens se spotřebou energie přes 200 kWh/kg SG-Si. Nový proces, bez uvedení podrobností, spotřebuje jen 50 kWh/kg SG-Si, snižuje emise CO2 ze spalování pluch a vylučuje tvorbu metanu při jejich skládkování. Příčinou vysoké spotřeby energie u procesu Siemens je zejména rafinace.

Přínos firmy Thermal Technology spočívá v 60letých zkušenostech z navrhování a výroby zařízení tepelných procesů, řízených atmosfér, pecí pro zpracování kovů, skla a keramiky, křemene a pěstování krystalů. Během solárním boomu TT prodala od roku 2008 přes 100 kompletních zařízení pro výrobu solárního křemíku pro FV moduly.

Pokud jde o rafinace, je novinkou úprav křemíku čištěním proces REC (Renewable Energy Corp.) s fluidním reaktorem FBR (Fluidized Bed Reactor), jenž snižuje proti rafinaci Siemens spotřebu energie o 80 - 90 %. V reaktoru FBR probublává plynný silan SiH4 fluidizovanou vrstvou čištěných Si granulí o vysoké teplotě, která slouží jako krystalizační jádra, na nichž se rozpadem silanu vylučují vrstvy granulí čistého Si v jakosti Solar Grade. Cena SG-Si z procesu REC je ca. 70 % ceny SG-Si Siemens.

Pro technologii TT je podstatné, že podíl rýžových pluch na hmotnosti surové rýže je kolem 20 %, přičemž rýžové pluchy mají, proti pluchám jiných obilnin, neobvykle vysoký obsah SiO2 okolo 20 %. Pluchy obsahují mimo SiO2, vázaného na 26 % ligninu ještě 50 % celulózy a hemicelulózy. Dále obsahují 3 800 ppm K, 1 000 ppm Ca, 500 ppm Mg, 350 ppm Mn, 20 ppm Fe, 10 ppm Al, a zejména 130 ppm P, 2 ppm B aj. (1 ppm = 10-4 %). Uvedený obsah doprovodných prvků je průměrem ze 4 míst původu. Zbytek asi 4 % jsou ostatní organické látky jako oleje, proteiny aj. Problém představují škodlivé obsahy fosforu a bóru. Nedají se spolehlivě odstranit ani loužením pluch ve zředěné kyselině chlorovodíkové, jen snížit. V popelu pluch bývá 88 až 94 % SiO2. Rýžová sláma obsahuje typicky 13,1 % SiO2, 37,4 celulózy, 44,9 % hemicelulózy a 4,9 % ligninu. Poměr hmotnosti slámy k pluchám je 3,6:1.

Rýže jako zdroj křemíku

Pluchy jsou odpadem z loupání, jenž se v USA podle místa prodává za nejrůznější ceny, zhruba 5 - 20 USD/t bez dopravy, avšak v místech bez využití je i zdarma. V roce 2008, kdy se v USA sklidilo 9,239 mil. t rýže (podle údaje FAOStat), se produkce pluch odhadovala na asi 1,4 mil. t. Při světové produkci rýže 685 mil. t (2008) se světová produkce pluch odhaduje na ca. 100 mil. t, vzhledem k tomu, že ve světě se tak vysoký podíl rýže neloupe. Přebytky jsou hlavně v Asii, doprava se nevyplácí.

Množství a cena suroviny je první příčinou nižší ceny levného PV křemíku z procesu Thermal Technology; druhou je nízká energetická náročnost procesu. Je samozřejmé, že křemík z rýžových pluch není konkurenční vůči metalurgicky vyráběnému křemíku, je však udržitelnou surovinou z obnovitelných zdrojů, způsobem zpracování odpadů, CO2 neutrální a vyniká díky výhodnému vztahu SiO2/C u pluch.

Elektrárny na rýžové pluchy

Pokud jde o dosavadní energetické zpracování rýžových pluch jako biopaliva (které však díky obsahu SiO2 špatně hoří), existuje v USA řada komerčních elektráren spalujících rýžové pluchy příp. slámu. Jako první vznikla v roce 1984 Agrielectric Power v Lake Charles o výkonu 13 MW. Spotřebovává 300 t rýžových pluch denně a má roční časové využití přes 94 %. Největší světovou elektrárnou spalující biopaliva na bázi rýžových pluch a rýžové slámy je Wadham Energy s výkonem 30 MW, spuštěná v roce 1989. Rýžové pluchy představují biopalivo s obsahem energie 13,9 MJ/kg, což odpovídá zhruba 0,4 l benzinu Regular 96 (USA), 0,5 l bioetanolu, 0,3 l LNG nebo ca. 1 kg energ. hnědého uhlí.

Podobnou technologií výroby solárního křemíku z rýžových pluch popisuje již americký patent US 4,214,920 a kanadský patent 1118582 "Method for Production of Solar Grade Silicon from Rice Hulls" z 23. 3. 1979, jehož majitelem je Exxon Research & Engineering.

AUTOR: Alexandr Abušinov