Dvě cesty Slunce k energii: Pochopení solární výroby vodíku a koncentrované solární energie

Zatímco většina jednotlivců uvažuje o solární elektřině jako o fotovoltaických panelech využívajících k energii sluneční světlo; existuje mnohem více způsobů, jak získat hodnotu přes slunce, než jen fotovoltaické panely. Můžete například využít slunce k výrobě čistého vodíkového paliva a generovat užitkovou-elektřinu prostřednictvím tepla. Existuje několik vzrušujících nových technologií, které posouvají hranice solární energie: vodík ze zdrojů solární energie a koncentrovaná solární energie (CSP).

Vodík je známý jako „palivo zítřka“ z několika důvodů. Vodík má energetický obsah přibližně 142 MJ/kg, a pokud používáte vodík v palivovém článku, produkuje pouze voda. Čistá výroba velkého množství vodíkového paliva je však stále velkou výzvou pro výrobu vodíku. Jedním ze způsobů, jak tento problém vyřešit, je využít sluneční světlo k dělení vody jako prostředku k výrobě vodíku, tento proces má nulové emise skleníkových plynů.

Existují tři hlavní typy výroby vodíku ze sluneční energie, které jsou v současné době na různých úrovních vyspělosti:

První technologie (nejvyspělejší) využívá fotovoltaické (PV) panely spojené s elektrolyzéry. Elektrolyzéry jsou elektrická zařízení, která odebírají elektřinu a přeměňují vodu na vodík a kyslík pomocí přenosu tepla a tepla. FV systémy jsou nejrozvinutější a snadno dostupné; FV systémy jsou velmi modulární a spolehlivé; když jsou FV a elektrolyzér propojeny bez jakýchkoli zařízení pro přeměnu výkonu, účinnost přeměny STH celého systému se přiblížila teoretické hranici.

Výzkumy ukazují, že koncentrované FV systémy výrazně převyšují konvenční. Pomocí článků InGaP/GaAs/Ge při koncentraci 750 sluncí vědci dosáhli účinnosti STH 18–21 % s rychlostí výroby 0,8–1,0 litru vodíku za minutu na metr čtvereční plochy modulu. Konvenční křemíkové moduly pod jedním sluncem pro srovnání dosahovaly pouze asi 9,4% účinnosti STH s výrobní rychlostí kolem 0,3 l/min·m². To u koncentrovaných systémů představuje 1,5 až 3násobnou výkonnostní výhodu.

Elektrolýza vody má efektivní rozsah použití mezi 70-80 %, což činí tuto možnost atraktivnější při zvažování budoucích cen elektřiny z obnovitelných zdrojů. Jedinou velkou výzvou je nyní vysoká cena elektrolyzérů a nepředvídatelnost slunečního záření, z čehož vyplývá nutnost pečlivé integrace do systému.

Fotoelektrochemické (PEC) systémy využívají integrovanější přístup než předchozí metody pro elektrolýzu vody tím, že nejprve generují elektrickou energii a poté tuto energii využívají k generování vodíku z vody. PEC využívají polovodičové materiály ponořené ve vodě, které jsou schopny absorbovat světlo ze slunce a přímo jej přeměňovat na chemickou akumulaci energie ve formě vodíku prostřednictvím elektrolýzy vody. K tomu dochází, když světlo dopadá na polovodič a vytváří páry elektronů/děr. Elektrony v polovodičovém mechanismu redukují protony za vzniku vodíku; vytvořené otvory oxidují molekuly vody produkující kyslík.

PEC byly poprvé zkoumány přibližně před 50 lety Shinichiro Fujishima a Honda, když zjistili, že elektroda oxidu titaničitého (TiO2) může rozdělit H2O na H2 a O2, když je spojena s platinovou katodou/slitinou a osvětlena UV světlem. (To je to, co se nazývá „Honda-efekt Fujishima“)

V současné době mají systémy PEC atraktivní, kompaktní design se schopností dosáhnout přímé přeměny slunečního záření-na{1}}vodík pomocí jednoduchého a elegantního mechanismu. Navzdory těmto pozitivním konstrukčním prvkům je technologie PEC stále relativně v plenkách a než dojde ke komercializaci, musí překonat některé významné problémy, jako je nízká účinnost jejich solární konverze-na-vodík, degradace materiálů používaných k vytvoření článků PEC a škálovatelnost výkonu. Probíhá tedy výzkum pokročilých materiálů a nanostrukturních fotoelektrod navržených k řešení těchto problémů.

Jedním z kreativnějších způsobů, jak toho dosáhnout, je využít polovodičové materiály o velikosti nanoměřítek (také nazývané kvantové tečky) rozptýlené ve vodném médiu jako fotokatalyzátory. Po osvětlení slunečním světlem produkují elektrony (a díry), které mohou migrovat na rozhraní částice a iniciovat příslušné oxidační a redukční poloviční reakce označované jako vývoj vodíku a vývoj kyslíku.

Jednočásticový fotokatalyzátorový systém nebo jedno{0}}krokový excitační systém vyžaduje, aby pásmová mezera polovodiče překrývala potenciál vývoje vodíku i potenciálu vývoje kyslíku. Existuje také dvou{2}}systém fotokatalyzátorů nebo konfigurace fotokatalyzátorů „Z-schéma“, kde jsou dva různé fotokatalyzátory spojeny dohromady chemickým mediátorem (tj. redoxním párem), takže štěpení vody probíhá ve dvou odlišných krocích nebo polovičních reakcích. To výrazně snižuje energii potřebnou pro každou reakci a zároveň umožňuje využití větší rozmanitosti viditelného světla.

Nedávné objevy ukazují potenciál tohoto přístupu. Čínský výzkumný tým vedený Liu Gangem z Institutu pro výzkum kovů vylepšil oxid titaničitý-klíčový fotokatalytický materiál- přidáním skandia prostřednictvím „přetváření struktury“ a „substituce prvků“. Ionty skandia hladce zapadají do mřížky materiálu, odstraňují „zóny pasti“, které normálně zachycují elektrony, a přetvářejí povrch krystalu tak, aby vytvořily „elektronické dálnice“, které účinně vedou nosiče náboje.

Vylepšený materiál využívá více než 30 % ultrafialového světla a dosahuje rychlosti produkce vodíku při simulovaném slunečním světle 15krát vyšší než dřívější verze. Podle výzkumného týmu by fotokatalytický panel o velikosti jednoho-čtverečního-metru mohl pod slunečním světlem vyprodukovat přibližně 10 litrů vodíku za den.

Zatímco fotokatalýza částic zůstává v laboratoři, její potenciál pro-rozsáhlé nasazení je přesvědčivý. S fotokatalyzátory v práškové -formě se snáze manipuluje a lze je lépe rozmístit na velké plochy pomocí potenciálně levných procesů ve srovnání se systémy FV-elektrolýzy nebo PEC.

Koncentrovaná solární energie (CSP) má zásadně odlišný přístup k využití slunce. Namísto přeměny světla přímo na elektřinu využívá CSP zrcadla ke koncentraci slunečního světla, generování vysokoteplotního-tepla a následnému pohonu konvenčních turbín k výrobě elektřiny.

Základní koncept je velmi přímočarý. Heliostaty neboli uspořádání zrcadel sledují denní chod Slunce a odrážejí sluneční paprsky do kolektoru umístěného na vrcholu věže. Tato koncentrace slunečního světla se používá k ohřevu pracovní tekutiny na velmi vysoké teploty, a jakmile je teplo vyrobeno, ohřátá pracovní tekutina se používá k výrobě páry, která roztáčí turbínu pohánějící generátor.

Schopnost začlenit akumulaci tepelné energie do systému CSP je to, co dělá CSP takovou hodnotu. Teplo produkované procesem koncentrace slunečních paprsků může být zachyceno a uchováno celé hodiny, což znamená, že k výrobě elektřiny ze systému CSP může dojít dlouho po západu slunce. Rozdělitelný aspekt CSP-to znamená, že když potřebujete elektřinu, můžete ji vyrobit-, je to, co odlišuje CSP od FV solárních systémů, které přestávají vyrábět elektřinu, když se zatáhne nebo v noci.

Technologie, která se v současnosti nachází na vrcholu pyramidy (Gemasolar ve Španělsku, Crescent Dunes v Nevadě a Noor III) využívá tekutou roztavenou sůl, která se používá nejen k přenosu tepla, ale také k ukládání energie. Všechny tři systémy úspěšně prokázaly schopnost nepřetržitého provozu po celých 24 hodin při zachování více než 15 hodin akumulace energie pouze pomocí tekutých roztavených solí.

Program Concentrated Solar Power Generation 3 (CSP Gen3) amerického ministerstva energetiky posouvá tuto technologii za hranice stávajících systémů CSP na komerční úrovni. Jedním z konstrukčních přístupů zkoumaných v rámci programu CSP Gen3 je systém „Liquid Pathway“, který využívá relativně levné kapalné chloridy jako úložiště energie a zásobník kapalného sodíku o teplotě přibližně 740 °C k přenosu tepla do energetického cyklu nadkritického oxidu uhličitého (sCO2). Celý cyklus sCO2 bude také fungovat s vyšší účinností než tradiční parní cykly Rankinova typu.

To představuje významný pokrok oproti současným elektrárnám, které obvykle pracují při teplotě kolem 565 stupňů s použitím dusičnanových solí. Vyšší provozní teploty umožňují vyšší účinnost a snižují vyrovnané náklady na energii-cíl Gen3 je nižší než 60 USD za megawatt-hodinu.

Systém se dvěma -zásobníky roztavené soli umožňuje operátorům cirkulovat sůl přes solární přijímače k ​​nabíjení (ohřev „horké“ nádrže) a poté prostřednictvím výměníků tepla k výrobě páry, když je potřeba vypouštění. Samotná tepelná účinnost akumulace je vysoká-akumulované teplo v izolovaných nádržích přesahuje 90% účinnost pro denní cykly.

Efektivita zpáteční{0}}cesty při skladování elektřiny však naráží na zásadní omezení. Přeměna tepla zpět na elektřinu prostřednictvím parních turbín obvykle dosahuje pouze 35-42% tepelné účinnosti. Dokonce i pokročilé superkritické turbíny CO2 se snaží překročit 50 %. Pro srovnání, lithium-iontové baterie běžně překračují 85% účinnost zpáteční cesty.

Tato penalizace za efektivitu znamená, že CSP se nejlépe hodí pro aplikace, kde hodnota tepelného úložiště-dlouhá doba trvání, nízká cena za kilowatt{1}hodinu úložiště a schopnost poskytovat synchronní výrobu-převáží ztráty z konverze. U úložiště-v mřížkovém měřítku, které trvá 6–12 hodin, může ekonomika stále fungovat.

Rozvoj obnovitelných zdrojů energie k výrobě elektřiny, příspěvek CSP k dekarbonizaci průmyslových procesů a vytvoření akumulace tepla – to vše umožnilo CSP poskytovat služby, které se netýkají pouze elektřiny. Mnoho průmyslových procesů vyžaduje nepřetržité-dodávky páry nebo přímého tepla v rozmezí teplot 300 až 550 stupňů Celsia, což zahrnuje procesy, jako je výroba papíru, rafinace ropy a chemické zpracování.

Použitím velmi rozsáhlých-systémů skladování tepelné energie roztavené soli mohou poskytovatelé služeb CSP dosáhnout tohoto cíle poskytováním procesní páry a/nebo přehřátého vzduchu pro průmyslové aplikace podle potřeby v-reálném čase. Velké kapacity těchto tavených-solných systémů pro ukládání tepelné energie také nabízejí velmi nákladnou-efektivní alternativu k elektrochemickým bateriím, jejichž cena je méně než 35 USD za kilowatt-hodinu (kWh) využitelné tepelné energie.

Existují doplňkové metody pro využití sluneční energie, včetně solární výroby vodíku a koncentrované solární energie (CSP). Sluneční energie se přeměňuje na chemické palivo (vodík) prostřednictvím fotovoltaické (PV) elektrolýzy a fotokatalytických systémů, které lze skladovat neomezeně dlouho. Vodík lze využít pro dopravu, průmysl a výrobu elektřiny. Alternativně využívá CSP k výrobě tepla sluneční světlo. CSP pak přeměňuje tuto tepelnou energii na elektřinu pro expediční (řádnou) dodávku.

V obou technologiích dochází k rychlému pokroku. Zvýšená účinnost přeměny slunečního záření-na-vodík je výsledkem lepších materiálů a integrace systémů; CSP nadále prosazuje vyšší provozní teploty a nižší náklady. Když se FV elektrolýza a CSP zkombinují, vytvoří se solární-svět, ve kterém nejenže slunce poskytuje energii tam, kde je to potřeba, ale také vyrábí -snadno skladovatelnou formu paliva, které poskytuje energii v mimo-špičkových obdobích po celý den.

Země dostává masivní přísun energie ze Slunce. To je zhruba ekvivalent 173 bilionů wattů (1 bilion=1 000 000 000 000) dopadajících na Zemi každou sekundu. Výzvy a příležitosti pro inženýry zahrnují hledání způsobů, jak využít více režimů k zachycení této obrovské zásoby energie ze slunce.