Солнечная

Исследователи построили пилотную установку мощностью в киловатт, которая может производить как экологически чистый водород, так и тепло, используя солнечную энергию. Солнечно-водородная установка является крупнейшей из построенных на сегодняшний день и производит около полкилограмма водорода за 8 часов, что составляет чуть более 2 киловатт эквивалентной выходной мощности.

«Мы преодолели потолок в 1 кВт для производства солнечного водорода», — говорит София Хауссенер, профессор науки и техники в области возобновляемых источников энергии в Швейцарском федеральном технологическом институте (EPFL) в Лозанне. «С полкилограмма водорода вы можете проехать на автомобиле около 100 километров. Или вы можете использовать его в топливном элементе для производства электроэнергии и удовлетворения примерно половины потребностей в электроэнергии семьи из четырех человек в день».

Около 95 процентов водорода, используемого сегодня в мире (в основном для производства удобрений и других химикатов или для переработки нефти), производится путем крекинга природного газа, в результате которого образуется углекислый газ. Но водород также имеет огромные перспективы в качестве топлива для самолетов и кораблей, для отопления домов и для производства электроэнергии.

Однако, чтобы стать устойчивым топливом, водород необходимо производить с использованием возобновляемых источников энергии или ядерной энергии с минимальными выбросами. Идея зеленого водорода сейчас набирает обороты во всем мире. Например, это центральный элемент планов Австралии по декарбонизации своей экономики.

Один из наиболее устойчивых способов производства водорода — использование солнечной энергии для расщепления воды на водород и кислород. Это можно сделать с помощью фотоэлектрохимических (ФЭХ) систем, сочетающих в себе фотоэлектрическое устройство и электролизер. Фотоэлектрическое устройство поглощает солнечный свет и вырабатывает электричество, которое приводит к электролитическому расщеплению воды. «Вам не нужно проектировать и платить за две отдельные системы», — говорит Хауссенер. «Это единая интегрированная система, поэтому в конечном итоге достигается экономическое преимущество».

Системы PEC показали огромные перспективы в лабораторном масштабе. На данный момент исследователи продемонстрировали небольшие установки с выходной мощностью менее 100 Вт. Хауссенер говорит, что масштабирование до более крупных систем непросто, поскольку оно требует баланса между эффективностью, стабильностью и эксплуатационными расходами, а также максимизации производительности.

Чтобы достичь этого баланса, она и ее коллеги фокусируют солнечное излучение в небольшом пятне, в котором размещают модуль солнечных батарей с помощью зеркальных отражателей. Они используют тандемные многопереходные полупроводниковые солнечные элементы III – V, которые очень эффективны при преобразовании солнечного света в электричество, но слишком дороги для использования в устройствах большой площади.

Для большой системы мощностью в киловатт, о которой они сообщили в журнале Nature Energy, исследователи построили параболическую солнечную антенну шириной 7 метров, покрытую отражающими зеркалами, которая концентрирует солнечное излучение примерно в 1000 раз больше, чем обычное солнечное излучение. Блюдо отслеживает солнце в течение 6-8 часов.

Электричество, вырабатываемое модулем солнечной батареи, приводит в действие мембранный электролизер с полимерным электролитом, тип электролизера, в котором в качестве электролита используется твердый пластик. Эти устройства могут работать при очень высоких плотностях тока, что дает им преимущество перед другими электролизерами при использовании в сочетании с ветровой и солнечной энергией, что может создавать внезапные скачки мощности.

Не вся концентрированная солнечная энергия, попадающая на солнечный элемент, преобразуется в электричество. Часть его преобразуется в отходящее тепло, которое команда извлекает с помощью теплообменника. По словам Хауссенера, это тепло можно использовать для отопления помещений или горячего водоснабжения в зданиях, а также для поддержания промышленных процессов.

Команде потребовалось около двух лет, чтобы построить систему в кампусе EPFL и решить несколько проблем проектирования и эксплуатации. Например, одной из ключевых задач было тщательное управление потоком воды через систему для максимального использования тепла и повышения эффективности.

В настоящее время производимый ими водород поступает в топливный элемент для производства электроэнергии в соседнем здании. С помощью стартапа под названием SoHHytec команда EPFL сейчас расширяет масштабы своей технологии производства водорода и тепла для ее коммерциализации.