Dva Sunčeva puta do energije: razumijevanje solarne proizvodnje vodika i koncentrirane solarne energije

Dok većina pojedinaca razmišlja o solarnoj struji kao o fotonaponskim panelima koji koriste sunčevu svjetlost za energiju; postoji mnogo više načina na koje možete izvući vrijednost kroz sunce osim samo fotonaponskih panela. Na primjer, možete iskoristiti sunce za proizvodnju čistog vodikovog goriva i generirati-korisnu energiju putem topline. Postoji nekoliko uzbudljivih novih tehnologija koje pomiču okvire solarne energije: vodik iz izvora solarne energije i koncentrirana solarna energija (CSP).

Vodik je poznat kao "gorivo sutrašnjice" iz nekoliko razloga. Vodik ima približno 142 MJ/kg energije, a ako koristite vodik u gorivim ćelijama, jedine emisije koje proizvodi voda. Međutim, čista proizvodnja velikih količina vodikovog goriva i dalje je veliki izazov za proizvodnju vodika. Jedan od načina da se riješi ovaj problem je korištenje sunčeve svjetlosti za razdvajanje vode kao sredstva za proizvodnju vodika, ovaj proces nema emisiju stakleničkih plinova.

Postoje tri glavne vrste proizvodnje vodika iz solarne energije koje su trenutno na različitim razinama zrelosti:

Prva tehnologija (najzrelija) koristi fotonaponske (PV) panele u kombinaciji s elektrolizerima. Elektrolizatori su električni uređaji koji uzimaju električnu energiju i pretvaraju vodu u vodik i kisik korištenjem topline i prijenosa topline. PV sustavi su najrazvijeniji i lako dostupni; PV sustavi su vrlo modularni i pouzdani; kada su PV i elektrolizer povezani bez ikakvih uređaja za pretvorbu energije, učinkovitost STH pretvorbe cijelog sustava približila se teoretskoj granici.

Istraživanja pokazuju da koncentrirani PV sustavi znatno nadmašuju konvencionalne. Koristeći InGaP/GaAs/Ge ćelije ispod koncentracije od 750 sunca, znanstvenici su postigli STH učinkovitost od 18-21% s proizvodnim stopama od 0,8-1,0 litara vodika po minuti po kvadratnom metru površine modula. Za usporedbu, konvencionalni silikonski moduli pod jednim suncem postigli su samo oko 9,4% STH učinkovitosti uz proizvodne stope od oko 0,3 L/min·m². To predstavlja prednost performansi od 1,5 do 3 puta za koncentrirane sustave.

Elektroliza vode ima učinkovit raspon upotrebe između 70-80%, što ovu opciju čini privlačnijom kada se razmatraju buduće cijene električne energije iz obnovljivih izvora. Jedini veliki izazov trenutno je visoka cijena elektrolizera i nepredvidljivost sunčevog zračenja, što rezultira potrebom za pažljivom integracijom u sustav.

Fotoelektrokemijski (PEC) sustavi koriste integriraniji pristup od prethodnih metoda za elektrolizu vode tako što prvo proizvode električnu energiju, a zatim tu energiju koriste za proizvodnju vodika iz vode. PEC koriste poluvodičke materijale uronjene u vodu, koji su sposobni apsorbirati sunčevu svjetlost i izravno je pretvarati u kemijski pohranu energije u obliku vodika putem elektrolize vode. To se događa kada svjetlost udari u poluvodič stvarajući parove elektrona/rupa. Elektroni u mehanizmu poluvodiča reduciraju protone u vodik; stvorene rupe će oksidirati molekule vode proizvodeći kisik.

PEC-ove su prije otprilike 50 godina prvi istražili Shinichiro Fujishima i Honda kada su otkrili da elektroda od titanijevog dioksida (TiO2) može rastaviti H2O na H2 i O2 kada se spoji s katodom/legurom platine i osvijetli UV svjetlom. (To je ono što se naziva "Honda-Fujishima efekt")

Trenutno PEC sustavi imaju atraktivan, kompaktan dizajn s mogućnošću postizanja izravne pretvorbe-sunca u-vodik pomoću jednostavnog i elegantnog mehanizma. Unatoč ovim pozitivnim značajkama dizajna, PEC tehnologija je još uvijek u relativnom povoju i mora prevladati neke značajne izazove prije nego što može doći do komercijalizacije, kao što je niska učinkovitost u njihovoj pretvorbi solarne-u-vodik, degradacija materijala koji se koriste za stvaranje PEC ćelija i skalabilnost performansi. Stoga se provode istraživanja naprednih materijala i nanostrukturiranih fotoelektroda dizajniranih za rješavanje ovih problema.

Jedan od kreativnijih načina da se to postigne je korištenje poluvodičkih materijala veličine nanoskala (koji se nazivaju i kvantne točke) raspršenih u vodenom mediju kao fotokatalizatora. Nakon osvjetljavanja sunčevom svjetlošću proizvode elektrone (i rupe) koji mogu migrirati do sučelja čestice i pokrenuti odgovarajuće oksidacijske i redukcijske polureakcije koje se nazivaju razvijanje vodika odnosno oslobađanje kisika.

Sustav fotokatalizatora s jednom česticom ili jedno{0}}sustav pobude zahtijeva da razmak između pojaseva poluvodiča obuhvaća i potencijal razvijanja vodika i potencijal razvijanja kisika. Postoji i dvo{2}}dijelni sustav fotokatalizatora ili konfiguracija fotokatalizatora "Z-sheme" gdje su dva različita fotokatalizatora povezana zajedno pomoću kemijskog posrednika (tj. redoks para) tako da se cijepanje vode odvija u dva različita koraka ili polureakcije. Ovo značajno smanjuje energiju potrebnu za svaku reakciju, a istovremeno omogućuje korištenje većeg broja vidljive svjetlosti.

Nedavna otkrića pokazuju potencijal ovog pristupa. Kineski istraživački tim predvođen Liu Gangom na Institutu za istraživanje metala poboljšao je titanijev dioksid-ključni fotokatalitički materijal-dodavanjem skandija kroz "strukturno preoblikovanje" i "zamjenu elemenata". Skandijevi ioni glatko se uklapaju u rešetku materijala, uklanjajući "zone zamki" koje inače hvataju elektrone i preoblikuju kristalnu površinu da bi oblikovale "elektroničke autoceste" koje učinkovito vode nosioce naboja.

Poboljšani materijal koristi više od 30% ultraljubičastog svjetla i postiže stopu proizvodnje vodika pod simuliranom sunčevom svjetlošću 15 puta veću od ranijih verzija. Prema istraživačkom timu, fotokatalitička ploča od-kvadratnog-metra mogla bi proizvesti oko 10 litara vodika dnevno pod sunčevom svjetlošću.

Dok fotokataliza čestica ostaje u laboratoriju, njen potencijal za-uvođenje u velikim razmjerima je uvjerljiv. Fotokatalizatorima u-obliku praha jednostavnije je rukovati i lakši su za širenje na velikim površinama pomoću potencijalno jeftinih procesa u usporedbi s PV-elektrolizom ili PEC sustavima.

Koncentrirana solarna energija (CSP) ima bitno drugačiji pristup iskorištavanju sunca. Umjesto pretvaranja svjetlosti izravno u električnu energiju, CSP koristi zrcala za koncentriranje sunčeve svjetlosti, stvaranje topline visoke-temperature, a zatim pokreće konvencionalne turbine za proizvodnju električne energije.

Temeljni koncept je vrlo jednostavan. Heliostati, ili rasporedi zrcala, prate dnevni kurs Sunca i odbijaju Sunčeve zrake u kolektor koji se nalazi na vrhu tornja. Ova koncentracija sunčeve svjetlosti koristi se za zagrijavanje radnog fluida na vrlo visoke temperature, a kada se toplina proizvede, zagrijani radni fluid koristi se za stvaranje pare koja će rotirati turbinu koja pokreće generator.

Sposobnost uključivanja pohrane toplinske energije u CSP sustav je ono što čini CSP tako vrijednim. Toplina proizvedena procesom koncentriranja sunčevih zraka može se uhvatiti i pohraniti satima, što znači da se proizvodnja električne energije iz CSP sustava može dogoditi dugo nakon zalaska sunca. Dispetchable aspekt CSP-a-to jest, kada vam je potrebna električna energija možete je proizvesti-je ono što razlikuje CSP od PV solarnih sustava, koji prestaju proizvoditi električnu energiju kada se počne naoblačiti ili noću.

Tehnologija koja se trenutno nalazi na vrhu piramide (Gemasolar u Španjolskoj, Crescent Dunes u Nevadi i Noor III) uključuje tekuću rastaljenu sol koja se koristi ne samo za prijenos topline, već i za pohranu energije. Sva tri sustava uspješno su pokazala sposobnost neprekidnog rada puna 24 sata uz održavanje više od 15 sati skladištenja energije samo s tekućim rastaljenim solima.

Program proizvodnje koncentrirane solarne energije 3 (CSP Gen3) Ministarstva energetike SAD-a unaprijedit će ovu tehnologiju izvan postojeće komercijalne razine CSP sustava. Jedan od dizajnerskih pristupa koji se istražuje u okviru programa CSP Gen3 je sustav "Liquid Pathway", koji koristi relativno jeftine-tekuće kloride kao pohranu energije i tekući prijemnik natrija na približno 740oC za prijenos topline u energetski ciklus superkritičnog ugljičnog dioksida (sCO2). Cijeli sCO2 energetski ciklus također će raditi uz veću učinkovitost od tradicionalnih parnih Rankineovih ciklusa.

Ovo predstavlja značajan napredak u odnosu na trenutna postrojenja, koja obično rade na oko 565 stupnjeva koristeći nitratne soli. Više radne temperature omogućuju veću učinkovitost i nižu izravnatu cijenu energije-cilj Gen3 je ispod 60 USD po megavat-satu.

Sustav rastopljene soli s dva- spremnika omogućuje operaterima cirkuliranje soli kroz solarne prijemnike za punjenje (grijanje "vrućeg" spremnika), a zatim kroz izmjenjivače topline za stvaranje pare kada je potrebno pražnjenje. Sama toplinska učinkovitost skladištenja je visoka-skladištenje topline u izoliranim spremnicima premašuje 90% učinkovitosti za dnevne cikluse.

Međutim, povratna{0}}učinkovitost skladištenja električne energije suočava se s temeljnim ograničenjem. Pretvaranje topline natrag u električnu energiju kroz parne turbine obično postiže toplinsku učinkovitost od samo 35-42%. Čak i napredne superkritične CO2 turbine teško prelaze 50%. Za usporedbu, litij-ionske baterije rutinski premašuju 85% povratne učinkovitosti.

Ova kazna učinkovitosti znači da je CSP najprikladniji za aplikacije u kojima vrijednost termalnog skladištenja-dugotrajnost, niska cijena po kilovat-satu skladištenja i mogućnost pružanja sinkrone proizvodnje-nadmašuju gubitke konverzije. Za mrežno-skladištenje koje traje 6-12 sati, ekonomija još uvijek može funkcionirati.

Razvoj obnovljivih izvora energije za proizvodnju električne energije, CSP-ov doprinos dekarbonizaciji industrijskih procesa i stvaranje toplinskih skladišta omogućili su CSP-u pružanje usluga izvan same električne energije. Mnogi industrijski procesi zahtijevaju stalne,-opskrbe parom ili izravnom toplinom unutar temperaturnog raspona od 300 do 550 stupnjeva Celzijusa, što uključuje procese kao što su proizvodnja papira, rafiniranje nafte i kemijska obrada.

Korištenjem sustava za pohranu toplinske energije rastaljene soli u velikim-razmjerima, CSP-ovi mogu postići ovaj cilj osiguravanjem procesne pare i/ili pregrijanog zraka za industrijske primjene prema potrebi u stvarnom-vremenu. Veliki kapaciteti ovih sustava za pohranu toplinske-soli rastopljene soli također nude vrlo isplativu-alternativu elektrokemijskim baterijama, s cijenom manjom od 35 USD po kilovat-satu (kWh) korisne pohrane toplinske energije.

Postoje komplementarne metode za iskorištavanje sunčeve energije, uključujući proizvodnju solarnog vodika i koncentriranu solarnu energiju (CSP). Sunčeva energija pretvara se u kemijsko gorivo (vodik) putem fotonaponske (PV) elektrolize i fotokatalitičkih sustava koji se mogu pohraniti na neodređeno vrijeme. Vodik se može koristiti u transportu, industriji i proizvodnji električne energije. Alternativno, CSP koristi sunčevu svjetlost za stvaranje topline. CSP zatim tu toplinsku energiju pretvara u električnu za dispečabilnu (urednu) isporuku.

Dolazi do brzog napretka obje tehnologije. Povećana učinkovitost pretvorbe-u-vodik rezultat je poboljšanih materijala i integracije sustava; CSP se nastavlja zalagati za više radne temperature i niže troškove. Kada se kombiniraju, PV elektroliza i CSP omogućuju svijet-napajan solarnom energijom u kojem ne samo da sunce daje energiju tamo gdje je to potrebno, već također proizvodi lako-pohranjivi oblik goriva za opskrbu energijom u izvan-vršnim razdobljima tijekom dana.

Zemlja prima ogromne količine energije od Sunca. To je otprilike ekvivalent 173 bilijuna vata (1 trilijun=1,000,000,000,000) koji udare Zemlju svake sekunde. Izazovi i prilike za inženjere uključuju pronalaženje načina za korištenje višestrukih načina za hvatanje ove ogromne zalihe energije sunca.