Dve cesty Slnka k energii: Pochopenie solárnej výroby vodíka a koncentrovanej solárnej energie

Zatiaľ čo väčšina jednotlivcov uvažuje o solárnej elektrine ako prostredníctvom fotovoltaických panelov využívajúcich slnečné svetlo na energiu; existuje oveľa viac spôsobov, ako získať hodnotu cez slnko, než len fotovoltaické panely. Slnko môžete napríklad využiť na výrobu čistého vodíkového paliva a pomocou tepla generovať elektrickú-elektrickú energiu. Existuje niekoľko vzrušujúcich nových technológií, ktoré posúvajú hranice slnečnej energie: vodík zo zdrojov solárnej energie a koncentrovaná solárna energia (CSP).

Vodík je známy ako „palivo zajtrajška“ z niekoľkých dôvodov. Vodík má energetický obsah približne 142 MJ/kg a ak použijete vodík v palivovom článku, jediné emisie, ktoré produkuje voda. Čistá výroba veľkého množstva vodíkového paliva je však stále veľkou výzvou pre výrobu vodíka. Jedným zo spôsobov, ako vyriešiť tento problém, je použiť slnečné svetlo na rozdelenie vody ako prostriedku na výrobu vodíka, pričom tento proces má nulové emisie skleníkových plynov.

Existujú tri hlavné typy výroby vodíka zo slnečnej energie, ktoré sú v súčasnosti na rôznych úrovniach vyspelosti:

Prvá technológia (najvyspelejšia) využíva fotovoltaické (PV) panely spojené s elektrolyzérmi. Elektrolyzéry sú elektrické zariadenia, ktoré odoberajú elektrinu a premieňajú vodu na vodík a kyslík pomocou prenosu tepla a tepla. FV systémy sú najrozvinutejšie a ľahko dostupné; FV systémy sú veľmi modulárne a spoľahlivé; keď sú FV a elektrolyzér prepojené bez akýchkoľvek zariadení na premenu výkonu, účinnosť premeny STH celého systému sa priblížila k teoretickej hranici.

Výskum ukazuje, že koncentrované FV systémy výrazne prevyšujú konvenčné. Použitím článkov InGaP/GaAs/Ge pri koncentrácii 750 slnečných lúčov vedci dosiahli účinnosť STH 18 – 21 % pri rýchlosti výroby 0,8 – 1,0 litra vodíka za minútu na meter štvorcový plochy modulu. Bežné kremíkové moduly pod jedným slnkom v porovnaní s tým dosiahli len asi 9,4 % účinnosť STH s výrobnými rýchlosťami okolo 0,3 l/min·m². Pre koncentrované systémy to predstavuje 1,5 až 3-násobnú výkonnostnú výhodu.

Elektrolýza vody má efektívny rozsah použitia medzi 70 – 80 %, vďaka čomu je táto možnosť príťažlivejšia pri zvažovaní budúcich cien elektriny z obnoviteľných zdrojov. Jedinou veľkou výzvou v súčasnosti je vysoká cena elektrolyzérov a nepredvídateľnosť slnečného žiarenia, z čoho vyplýva potreba starostlivej integrácie do systému.

Fotoelektrochemické (PEC) systémy využívajú integrovanejší prístup ako predchádzajúce metódy elektrolýzy vody tým, že najprv generujú elektrickú energiu a potom túto energiu využívajú na výrobu vodíka z vody. PEC využívajú polovodičové materiály ponorené vo vode, ktoré sú schopné absorbovať svetlo zo slnka a priamo ho premieňať na chemickú akumuláciu energie vo forme vodíka prostredníctvom elektrolýzy vody. K tomu dochádza, keď svetlo dopadá na polovodič a vytvára páry elektrónov/dier. Elektróny v polovodičovom mechanizme redukujú protóny za vzniku vodíka; vytvorené diery zoxidujú molekuly vody a produkujú kyslík.

PEC prvýkrát skúmali približne pred 50 rokmi Shinichiro Fujishima a Honda, keď zistili, že elektróda oxidu titaničitého (TiO2) môže rozdeliť H2O na H2 a O2, keď sa spojí s platinovou katódou/zliatinou a osvetlí UV svetlom. (Toto sa nazýva „Honda-efekt Fujishima“)

V súčasnosti majú systémy PEC atraktívny, kompaktný dizajn so schopnosťou dosiahnuť priamu premenu slnečného žiarenia-na{1}}vodík prostredníctvom jednoduchého a elegantného mechanizmu. Napriek týmto pozitívnym konštrukčným vlastnostiam je technológia PEC stále relatívne v plienkach a pred komercializáciou musí prekonať niektoré významné výzvy, ako je nízka účinnosť ich solárnej konverzie-na-vodík, degradácia materiálov použitých na vytvorenie článkov PEC a škálovateľnosť výkonu. Prebieha teda výskum pokročilých materiálov a nanoštruktúrovaných fotoelektród určených na riešenie týchto problémov.

Jedným z kreatívnejších spôsobov, ako to dosiahnuť, je využiť polovodičové materiály s veľkosťou nanometrov (tiež nazývané kvantové bodky) rozptýlené vo vodnom médiu ako fotokatalyzátory. Po osvetlení slnečným svetlom produkujú elektróny (a diery), ktoré môžu migrovať na rozhranie častice a iniciovať príslušné oxidačné a redukčné polovičné reakcie označované ako vývoj vodíka a vývoj kyslíka.

Jednočasticový fotokatalyzátorový systém alebo jedno{0}}krokový excitačný systém vyžaduje, aby pásmová medzera polovodiča presahovala potenciál vývoja vodíka aj potenciál vývoja kyslíka. Existuje aj dvoj{2}}systém fotokatalyzátora alebo konfigurácia fotokatalyzátora „Z-schémy, kde sú dva rôzne fotokatalyzátory spojené dohromady chemickým mediátorom (tj redoxným párom), takže k štiepeniu vody dochádza v dvoch odlišných krokoch alebo polovičných reakciách. To výrazne znižuje energiu potrebnú na každú reakciu a zároveň umožňuje využiť väčšiu škálu viditeľného svetla.

Nedávne objavy ukazujú potenciál tohto prístupu. Čínsky výskumný tím vedený Liu Gangom z Inštitútu pre výskum kovov vylepšil oxid titaničitý-kľúčový fotokatalytický materiál- pridaním skandia prostredníctvom „štrukturálneho pretvarovania“ a „substitúcie prvkov“. Ióny skandia hladko zapadajú do mriežky materiálu, odstraňujú „pastné zóny“, ktoré bežne zachytávajú elektróny, a pretvárajú povrch kryštálu tak, aby vytvorili „elektronické diaľnice“, ktoré efektívne vedú nosiče náboja.

Vylepšený materiál využíva viac ako 30 % ultrafialového svetla a dosahuje rýchlosť produkcie vodíka pri simulovanom slnečnom svetle 15-krát vyššiu ako predchádzajúce verzie. Podľa výskumného tímu by fotokatalytický panel s veľkosťou jedného-štvorcového-metra dokázal vyprodukovať okolo 10 litrov vodíka za deň pod slnečným žiarením.

Zatiaľ čo fotokatalýza častíc zostáva v laboratóriu, jej potenciál-nasadenia vo veľkom meradle je presvedčivý. S fotokatalyzátormi v práškovej-forme je jednoduchšia manipulácia a sú prístupnejšie na rozmiestnenie na veľkých plochách pomocou potenciálne lacných procesov v porovnaní s PV-elektrolýzou alebo systémami PEC.

Koncentrovaná solárna energia (CSP) má zásadne odlišný prístup k využívaniu slnka. Namiesto priamej premeny svetla na elektrickú energiu využíva CSP zrkadlá na sústredenie slnečného svetla, generovanie vysoko-teplotného tepla a následné poháňanie konvenčných turbín na výrobu elektriny.

Základný koncept je veľmi jednoduchý. Heliostaty alebo usporiadania zrkadiel sledujú denný kurz Slnka a odrážajú slnečné lúče do kolektora umiestneného na vrchole veže. Táto koncentrácia slnečného svetla sa používa na ohrievanie pracovnej tekutiny na veľmi vysoké teploty a akonáhle sa teplo vytvorí, zohriata pracovná tekutina sa použije na výrobu pary, ktorá bude otáčať turbínu poháňajúcu generátor.

Schopnosť začleniť skladovanie tepelnej energie do systému CSP je to, čo robí CSP takou hodnotou. Teplo produkované procesom sústredenia slnečných lúčov je možné zachytávať a uchovávať celé hodiny, čo znamená, že k výrobe elektriny zo systému CSP môže dôjsť dlho po západe slnka. Rozšíriteľný aspekt CSP-to znamená, že keď potrebujete elektrinu, môžete si ju vyrobiť-, je to, čo odlišuje CSP od FV solárnych systémov, ktoré prestanú vyrábať elektrinu, keď sa zamračí alebo v noci.

Technológia, ktorá sa v súčasnosti nachádza na vrchole pyramídy (Gemasolar v Španielsku, Crescent Dunes v Nevade a Noor III), obsahuje tekutú roztavenú soľ, ktorá sa používa nielen na prenos tepla, ale aj na uchovávanie energie. Všetky tri systémy úspešne preukázali schopnosť nepretržitej prevádzky počas celých 24 hodín pri zachovaní viac ako 15-hodinovej akumulácie energie so samotnými tekutými roztavenými soľami.

Program Koncentrovanej solárnej energie Generation 3 (CSP Gen3) Ministerstva energetiky USA posunie túto technológiu nad rámec existujúcich systémov CSP na komerčnej úrovni. Jedným z návrhových prístupov, ktoré sa skúmajú v rámci programu CSP Gen3, je systém „Liquid Pathway“, ktorý využíva relatívne lacné-kvapalné chloridy ako zásobník energie a prijímač tekutého sodíka s teplotou približne 740 °C na prenos tepla do energetického cyklu superkritického oxidu uhličitého (sCO2). Celý cyklus sCO2 bude fungovať s vyššou účinnosťou ako tradičné parné cykly typu Rankine.

To predstavuje významný pokrok oproti súčasným zariadeniam, ktoré zvyčajne pracujú pri teplote okolo 565 stupňov s použitím dusičnanových solí. Vyššie prevádzkové teploty umožňujú vyššiu efektivitu a znižujú vyrovnané náklady na energiu-cieľ Gen3 je nižší ako 60 USD za megawatt-hodinu.

Dvojnádržový systém roztavenej soli umožňuje operátorom cirkulovať soľ cez solárne prijímače na nabíjanie (ohrievanie „horúcej“ nádrže) a potom cez výmenníky tepla na vytváranie pary, keď je potrebné vyprázdnenie. Samotná tepelná účinnosť akumulácie je vysoká-akumulácia tepla v izolovaných nádržiach presahuje účinnosť 90 % pri denných cykloch.

Efektivita obojsmernej{0}}cesty pri skladovaní elektriny však naráža na zásadné obmedzenie. Premena tepla späť na elektrinu prostredníctvom parných turbín zvyčajne dosahuje iba 35-42 % tepelnú účinnosť. Dokonca aj pokročilé superkritické turbíny CO2 sa snažia prekročiť 50 %. Pre porovnanie, lítium{9}}iónové batérie bežne prekračujú 85 % účinnosť pri spiatočnej ceste.

Táto penalizácia za efektívnosť znamená, že CSP je najvhodnejší pre aplikácie, kde hodnota tepelného úložiska-dlhé trvanie, nízka cena za kilowatt{1}hodinu úložiska a schopnosť poskytovať synchrónne generovanie-preváži straty pri konverzii. Pri ukladaní-veľkosti siete, ktoré trvá 6 až 12 hodín, môže hospodárnosť stále fungovať.

Rozvoj obnoviteľných zdrojov energie na výrobu elektriny, príspevok CSP k dekarbonizácii priemyselných procesov a vytvorenie tepelného zásobníka, to všetko umožnilo CSP poskytovať služby nielen pre elektrinu. Mnohé priemyselné procesy si vyžadujú nepretržité-dodávanie pary alebo priameho tepla v rozsahu teplôt 300 až 550 stupňov Celzia, čo zahŕňa procesy ako výroba papiera, rafinácia ropy a chemické spracovanie.

Použitím veľmi{0}}veľkých{0}}systémov na uchovávanie tepelnej energie z roztavenej soli môžu CSP dosiahnuť tento cieľ poskytovaním procesnej pary a/alebo prehriateho vzduchu pre priemyselné aplikácie podľa potreby v-reálnom čase. Veľké kapacity týchto roztavených-solných systémov na skladovanie tepelnej energie tiež ponúkajú veľmi nákladnú-efektívnu alternatívu k elektrochemickým batériám, ktoré stoja menej ako 35 USD za kilowatt-hodinu (kWh) využiteľného skladovania tepelnej energie.

Existujú doplnkové metódy na využitie slnečnej energie, vrátane solárnej výroby vodíka a koncentrovanej solárnej energie (CSP). Slnečná energia sa premieňa na chemické palivo (vodík) prostredníctvom fotovoltaickej (PV) elektrolýzy a fotokatalytických systémov, ktoré je možné skladovať na neurčito. Vodík sa dá využiť v doprave, priemysle a výrobe elektriny. Alternatívne CSP využíva slnečné svetlo na generovanie tepla. CSP potom premení túto tepelnú energiu na elektrickú energiu na odoslanie (riadne) dodanie.

V oboch technológiách dochádza k rýchlemu pokroku. Zvýšená účinnosť premeny slnečnej energie-na-vodík je výsledkom zlepšených materiálov a systémovej integrácie; CSP naďalej tlačí na vyššie prevádzkové teploty a nižšie náklady. V kombinácii s fotovoltaickou elektrolýzou a CSP vzniká solárny-svet, v ktorom slnko nielenže poskytuje energiu tam, kde je to potrebné, ale tiež produkuje -ľahko skladovateľnú formu paliva, ktorá poskytuje energiu v mimo-špičkových obdobiach počas celého dňa.

Zem dostáva obrovské zásoby energie zo Slnka. To je zhruba ekvivalent 173 biliónov wattov (1 bilión=1 000 000 000 000) dopadajúcich na zem každú sekundu. Výzvy a príležitosti pre inžinierov zahŕňajú hľadanie spôsobov, ako využiť viacero režimov na zachytenie tejto obrovskej zásoby energie zo slnka.