Dve poti sonca do energije: razumevanje sončne proizvodnje vodika in koncentrirane sončne energije

Medtem ko večina posameznikov razmišlja o sončni elektriki kot o fotovoltaičnih panelih, ki za energijo uporabljajo sončno svetlobo; obstaja veliko več načinov, na katere lahko pridobite vrednost s pomočjo sonca kot le s fotovoltaičnimi paneli. Sonce lahko na primer izkoristite za proizvodnjo čistega vodikovega goriva in pridobivanje-uporabne energije s toploto. Obstaja nekaj vznemirljivih novih tehnologij, ki širijo meje sončne energije: vodik iz virov sončne energije in koncentrirana sončna energija (CSP).

Vodik je znan kot "gorivo jutrišnjega dne" iz več razlogov. Vodik ima približno 142 MJ/kg energijske vsebnosti in če uporabljate vodik v gorivni celici, so edine emisije, ki jih proizvede voda. Vendar pa je čista proizvodnja velikih količin vodikovega goriva še vedno velik izziv za proizvodnjo vodika. Eden od načinov za rešitev te težave je uporaba sončne svetlobe za cepljenje vode kot sredstva za proizvodnjo vodika, ta proces nima emisij toplogrednih plinov.

Obstajajo tri glavne vrste proizvodnje vodika iz sončne energije, ki so trenutno na različnih stopnjah zrelosti:

Prva tehnologija (najbolj zrela) uporablja fotonapetostne (PV) plošče skupaj z elektrolizatorji. Elektrolizerji so električne naprave, ki jemljejo elektriko in pretvarjajo vodo v vodik in kisik z uporabo toplote in prenosa toplote. PV sistemi so najbolj razviti in lahko dostopni; PV sistemi so zelo modularni in zanesljivi; ko sta PV in elektrolizator povezana brez naprav za pretvorbo moči, se je učinkovitost pretvorbe STH celotnega sistema približala teoretični meji.

Raziskave kažejo, da koncentrirani PV sistemi bistveno prekašajo konvencionalne. Z uporabo celic InGaP/GaAs/Ge pod koncentracijo 750 sonc so znanstveniki dosegli učinkovitost STH 18–21 % s proizvodnimi stopnjami 0,8–1,0 litra vodika na minuto na kvadratni meter površine modula. Običajni silicijevi moduli pod enim soncem so za primerjavo dosegli le približno 9,4-odstotno učinkovitost STH s proizvodnimi stopnjami okoli 0,3 L/min·m². To predstavlja 1,5- do 3-kratno prednost pri koncentriranih sistemih.

Elektroliza vode ima učinkovit obseg uporabe med 70-80 %, zaradi česar je ta možnost bolj privlačna, če upoštevamo prihodnje cene električne energije iz obnovljivih virov. Edini večji izziv trenutno predstavlja visoka cena elektrolizerjev in nepredvidljivost sončnega sevanja, zaradi česar je potrebna skrbna integracija v sistem.

Fotoelektrokemični (PEC) sistemi uporabljajo bolj integriran pristop kot prejšnje metode za elektrolizo vode, tako da najprej proizvedejo električno energijo in nato to energijo uporabijo za pridobivanje vodika iz vode. PEC uporabljajo polprevodniške materiale, potopljene v vodo, ki lahko absorbirajo svetlobo sonca in jo neposredno pretvorijo v kemično shranjevanje energije v obliki vodika z elektrolizo vode. To se zgodi, ko svetloba zadene polprevodnik in ustvari pare elektronov/lukenj. Elektroni v polprevodniškem mehanizmu reducirajo protone v vodik; ustvarjene luknje bodo oksidirale molekule vode in tako proizvedle kisik.

PEC sta pred približno 50 leti prvič raziskovala Shinichiro Fujishima in Honda, ko sta ugotovila, da lahko elektroda iz titanovega dioksida (TiO2) razdeli H2O na H2 in O2, ko je povezana s platinasto katodo/zlitino in osvetljena z UV svetlobo. (To se imenuje "učinek Honda-Fujishima")

Trenutno imajo sistemi PEC privlačno, kompaktno zasnovo z možnostjo neposredne pretvorbe sonca-v-vodik prek preprostega in elegantnega mehanizma. Kljub tem pozitivnim konstrukcijskim značilnostim je tehnologija PEC še vedno v relativni povojih in mora premagati nekaj pomembnih izzivov, preden lahko pride do komercializacije, kot je nizka učinkovitost njihove pretvorbe sončne-v-vodik, degradacija materialov, uporabljenih za izdelavo celic PEC, in razširljivost delovanja. Zato potekajo stalne raziskave naprednih materialov in nanostrukturiranih fotoelektrod, ki so namenjene reševanju teh težav.

Eden od bolj ustvarjalnih načinov za to je uporaba polprevodniških materialov nanometrske velikosti (imenovanih tudi kvantne pike), razpršenih v vodnem mediju kot fotokatalizatorjev. Po osvetlitvi s sončno svetlobo proizvajajo elektrone (in luknje), ki lahko migrirajo na vmesnik delca in sprožijo ustrezne oksidacijske in redukcijske polovične reakcije, imenovane razvijanje vodika oziroma sproščanje kisika.

Enodelčni fotokatalizatorski sistem ali eno{0}}stopenjski vzbujevalni sistem zahteva, da pasovni pas polprevodnika prečka tako potencial za nastajanje vodika kot potencial nastajanja kisika. Obstaja tudi dvo-delni fotokatalizatorski sistem ali konfiguracija fotokatalizatorja "Z-sheme", kjer sta dva različna fotokatalizatorja povezana skupaj s kemičnim mediatorjem (tj. redoks par), tako da pride do cepitve vode v dveh različnih korakih ali pol reakcijah. To občutno zmanjša energijo, potrebno za vsako reakcijo, hkrati pa omogoča uporabo večje raznolikosti vidne svetlobe.

Nedavna dognanja kažejo potencial tega pristopa. Kitajska raziskovalna skupina, ki jo vodi Liu Gang na Inštitutu za raziskave kovin, je izboljšala titanov dioksid-ključni fotokatalitski material-z dodajanjem skandija s "strukturnim preoblikovanjem" in "nadomeščanjem elementov". Skandijevi ioni se gladko prilegajo mreži materiala, odstranijo "območja pasti", ki običajno ujamejo elektrone, in preoblikujejo kristalno površino, da tvorijo "elektronske avtoceste", ki učinkovito vodijo nosilce naboja.

Izboljšani material uporablja več kot 30 % ultravijolične svetlobe in dosega stopnjo proizvodnje vodika pod simulirano sončno svetlobo, ki je 15-krat večja kot prejšnje različice. Po navedbah raziskovalne skupine bi lahko fotokatalitska plošča enega-kvadratnega-metra proizvedla približno 10 litrov vodika na dan pod sončno svetlobo.

Medtem ko fotokataliza delcev ostaja v laboratoriju, je njen potencial za-uvedbo v velikem obsegu prepričljiv. Fotokatalizatorji v-obliki prahu so enostavnejši za rokovanje in bolj primerni za širjenje po velikih površinah z uporabo potencialno poceni postopkov v primerjavi s PV-elektrolizo ali sistemi PEC.

Koncentrirana sončna energija (CSP) uporablja bistveno drugačen pristop k izkoriščanju sonca. Namesto pretvarjanja svetlobe neposredno v elektriko CSP uporablja zrcala za koncentriranje sončne svetlobe, ustvarjanje visoko{1}}temperaturne toplote in nato poganja običajne turbine za proizvodnjo električne energije.

Osnovni koncept je zelo preprost. Heliostati ali ureditve zrcal sledijo dnevnemu hodu Sonca in odbijajo sončne žarke v zbiralnik, ki se nahaja na vrhu stolpa. Ta koncentracija sončne svetlobe se uporablja za segrevanje delovne tekočine na zelo visoke temperature, in ko se toplota proizvede, se segreta delovna tekočina uporabi za ustvarjanje pare, ki bo vrtela turbino, ki poganja generator.

Zmožnost vključitve shranjevanja toplotne energije v sistem CSP je tisto, zaradi česar je CSP tako vreden. Toploto, ki nastane pri procesu koncentriranja sončnih žarkov, je mogoče zajeti in shraniti več ur, kar pomeni, da lahko do proizvodnje električne energije iz sistema CSP pride še dolgo po sončnem zahodu. Odpremni vidik CSP-to je, ko potrebujete elektriko, jo lahko proizvedete-je tisto, po čemer se CSP razlikuje od PV solarnih sistemov, ki prenehajo proizvajati elektriko, ko se začne oblakati ali ponoči.

Tehnologija, ki jo trenutno najdemo na vrhu piramide (Gemasolar v Španiji, Crescent Dunes v Nevadi in Noor III), vključuje tekočo staljeno sol, ki se uporablja ne le za prenos toplote, ampak tudi za shranjevanje energije. Vsi trije sistemi so uspešno dokazali zmožnost neprekinjenega delovanja polnih 24 ur, hkrati pa ohranili več kot 15 ur shranjevanja energije samo s tekočimi staljenimi solmi.

Program Ministrstva za energijo ZDA za proizvodnjo koncentrirane sončne energije 3 (CSP Gen3) bo to tehnologijo nadgradil preko obstoječih komercialnih sistemov CSP. Eden od načrtovalskih pristopov, ki se preučuje v okviru programa CSP Gen3, je sistem "Liquid Pathway", ki uporablja sorazmerno poceni-tekoče kloride kot shranjevanje energije in sprejemnik tekočega natrija pri približno 740 oC za prenos toplote v energetski cikel superkritičnega ogljikovega dioksida (sCO2). Celoten energetski cikel sCO2 bo deloval tudi z večjo učinkovitostjo kot tradicionalni parni cikli tipa Rankine.

To predstavlja pomemben napredek v primerjavi s sedanjimi obrati, ki običajno delujejo pri približno 565 stopinjah z uporabo nitratnih soli. Višje delovne temperature omogočajo večjo učinkovitost in nižje izravnane stroške energije-cilj Gen3 je pod 60 USD na megavatno-uro.

Sistem staljene soli z dvema -rezervoarjema omogoča operaterjem kroženje soli skozi sončne sprejemnike za polnjenje (ogrevanje "vročega" rezervoarja) in nato skozi toplotne izmenjevalnike za ustvarjanje pare, ko je potrebno praznjenje. Sama toplotna učinkovitost shranjevanja je visoka-shranjevanje toplote v izoliranih rezervoarjih presega 90-odstotno učinkovitost za dnevne cikle.

Učinkovitost-povratnega shranjevanja električne energije pa se sooča s temeljno omejitvijo. Pretvarjanje toplote nazaj v električno energijo prek parnih turbin običajno doseže le 35-42% toplotni izkoristek. Tudi napredne turbine s superkritičnim CO2 težko presežejo 50 %. Za primerjavo, litij-ionske baterije redno presegajo 85-odstotno povratno učinkovitost.

Ta kazen glede učinkovitosti pomeni, da je CSP najprimernejši za aplikacije, kjer vrednost toplotnega shranjevanja-dolgotrajnost, nizka cena na kilovatno-uro shranjevanja in zmožnost zagotavljanja sinhrone proizvodnje-odtehtajo izgube pri pretvorbi. Za shranjevanje v-omrežju, ki traja 6–12 ur, lahko ekonomika še vedno deluje.

Razvoj obnovljivih virov energije za pridobivanje električne energije, prispevek družbe CSP k razogljičenju industrijskih procesov in ustvarjanje hranilnikov toplote so omogočili družbam CSP, da zagotavljajo storitve, ki presegajo le električno energijo. Številni industrijski procesi zahtevajo stalno-dovod pare ali neposredne toplote na zahtevo v temperaturnem območju od 300 do 550 stopinj Celzija, kar vključuje procese, kot so proizvodnja papirja, rafiniranje nafte in kemična predelava.

Z uporabo -sistemov za shranjevanje toplotne energije staljene soli v zelo velikem obsegu lahko CSP dosežejo ta cilj z zagotavljanjem procesne pare in/ali pregretega zraka za industrijsko uporabo, kot je potrebno v realnem-času. Velike zmogljivosti teh sistemov za shranjevanje toplotne energije iz staljene{3}}soli ponujajo tudi zelo stroškovno{4}}učinkovito alternativo elektrokemičnim baterijam, saj stanejo manj kot 35 USD na kilovatno-uro (kWh) uporabnega shranjevanja toplotne energije.

Obstajajo komplementarne metode za izkoriščanje sončne energije, vključno s proizvodnjo sončnega vodika in koncentrirano sončno energijo (CSP). Sončna energija se pretvori v kemično gorivo (vodik) s fotonapetostno (PV) elektrolizo in fotokatalitskimi sistemi, ki jih je mogoče shraniti za nedoločen čas. Vodik se lahko uporablja v prometu, industriji in proizvodnji električne energije. Druga možnost je, da CSP uporablja sončno svetlobo za ustvarjanje toplote. CSP nato to toplotno energijo pretvori v električno za odpremno (urejeno) dostavo.

Pri obeh tehnologijah prihaja do hitrega napredka. Povečana učinkovitost pretvorbe-sonca v-vodik je posledica izboljšanih materialov in sistemske integracije; CSP si še naprej prizadeva za višje delovne temperature in nižje stroške. V kombinaciji fotonapetostne elektrolize in CSP omogočata svet-napajan s sončno energijo, v katerem ne samo, da sonce zagotavlja energijo, kjer je to potrebno, ampak tudi proizvaja enostavno-shranjeno obliko goriva za zagotavljanje energije v izven-obdobjih največje porabe skozi ves dan.

Zemlja prejema ogromno energije od sonca. To je približno enakovredno 173 bilijonom vatov (1 bilijon=1,000,000,000,000), ki vsako sekundo udarijo na Zemljo. Izzivi in ​​priložnosti za inženirje vključujejo iskanje načinov za uporabo več načinov za zajemanje te ogromne zaloge energije iz sonca.