Solens to veier til kraft: Forstå solarhydrogenproduksjon og konsentrert solenergi

Mens de fleste mennesker tenker på solenergi som via solcellepaneler som bruker sollys for energi; det er mange flere måter du kan oppnå verdi gjennom solen på enn bare solcellepaneler. Du kan for eksempel bruke solen til å produsere rent hydrogendrivstoff og generere nytte-kraft gjennom varme. Det er et par spennende nye teknologier som presser rammen om solenergi: hydrogen fra solenergikilder og konsentrert solenergi (CSP).

Hydrogen er kjent som "morgendagens drivstoff" av flere grunner. Hydrogen har omtrent 142 MJ/kg energiinnhold, og bruker man hydrogen i en brenselcelle er det eneste utslippene som produseres fra vann. Men å produsere store mengder av hydrogendrivstoffet rent, er fortsatt en stor utfordring for å produsere hydrogen. En måte å løse dette problemet på er å bruke sollys til å splitte vann som et middel for hydrogenproduksjon, denne prosessen har null klimagassutslipp.

Det er tre hovedtyper av hydrogenproduksjon fra solenergi som for tiden er på forskjellige modenhetsnivåer:

Den første teknologien (mest moden) bruker fotovoltaiske (PV) paneler kombinert med elektrolysatorer. Elektrolysatorer er elektriske enheter som tar strøm og omdanner vann til hydrogen og oksygen ved å bruke varme og varmeoverføring. PV-systemer er mest utviklet og lett tilgjengelig; PV-systemer er svært modulære og pålitelige; når PV og elektrolysator er tilkoblet uten noen strømkonverteringsenheter, har STH-konverteringseffektiviteten til hele systemet nærmet seg den teoretiske grensen.

Forskning viser at konsentrerte PV-systemer overgår konvensjonelle. Ved å bruke InGaP/GaAs/Ge-celler under en konsentrasjon på 750 soler, oppnådde forskerne STH-effektiviteter på 18-21 % med produksjonshastigheter på 0,8-1,0 liter hydrogen per minutt per kvadratmeter modulareal. Konvensjonelle silisiummoduler under én sol oppnådde til sammenligning bare omtrent 9,4 % STH-effektivitet med produksjonshastigheter rundt 0,3 L/min·m². Dette representerer en ytelsesfordel på 1,5 til 3 ganger for konsentrerte systemer.

Vannelektrolyse har et effektivt bruksområde mellom 70-80 %, noe som gjør dette alternativet mer attraktivt når man vurderer fremtidige strømpriser for fornybar energi. Den eneste store utfordringen akkurat nå er den høye prisen på elektrolysatorer og uforutsigbarheten til solstråling, noe som resulterer i behovet for forsiktig integrering i systemet.

Fotoelektrokjemiske (PEC) systemer bruker en mer integrert tilnærming enn tidligere metoder for elektrolyse av vann ved først å generere elektrisk energi og deretter bruke den energien til å generere hydrogen fra vann. PEC-er bruker halvledermaterialer nedsenket i vann, som er i stand til å absorbere lys fra solen og konvertere det direkte til å lagre energi kjemisk i form av hydrogen gjennom elektrolyse av vann. Dette skjer når lys treffer halvlederen og skaper par av elektroner/hull. Elektronene i halvledermekanismen reduserer protoner for å danne hydrogen; hullene som lages vil oksidere vannmolekylene som produserer oksygen.

PEC-er ble først undersøkt for omtrent 50 år siden av Shinichiro Fujishima og Honda da de fant ut at en titandioksid (TiO2)-elektrode kunne splitte H2O i H2 og O2 når den ble koblet sammen med en platinakatode/legering og belyst med UV-lys. (Dette er det som omtales som "Honda-Fujishima-effekten")

Foreløpig har PEC-systemer en attraktiv, kompakt design med muligheten til å oppnå direkte-solenergi til-hydrogenkonvertering gjennom en enkel og elegant mekanisme. Til tross for disse positive designfunksjonene er PEC-teknologien fortsatt i sin relative spede begynnelse og må overvinne noen betydelige utfordringer før kommersialisering kan skje, for eksempel lav effektivitet i deres-til-hydrogenkonvertering, nedbrytning av materialer som brukes til å lage PEC-celler, og skalerbarhet av ytelse. Det utføres derfor pågående forskning på avanserte materialer og nanostrukturerte fotoelektroder designet for å løse disse problemene.

En av de mer kreative måtene å gjøre dette på er å bruke halvledermaterialer i nanoskala (også kalt kvanteprikker) spredt i et vandig medium som fotokatalysatorer. Ved belysning med sollys produserer de elektroner (og hull) som kan migrere til grensesnittet til partikkelen og initiere de respektive oksidasjons- og reduksjonshalvreaksjonene referert til som henholdsvis hydrogenutvikling og oksygenutvikling.

Enkeltpartikkelfotokatalysatorsystemet, eller ett-etrinns eksitasjonssystemet, krever at båndgapet til halvlederen går over både hydrogenutviklingspotensialet og oksygenutviklingspotensialet. Det er også et to-fotokatalysatorsystem eller "Z--skjema" fotokatalysatorkonfigurasjon der to forskjellige fotokatalysatorer bindes sammen av en kjemisk mediator (dvs. redokspar) slik at vannsplitting skjer i to forskjellige trinn eller halvreaksjoner. Dette reduserer energien som trengs for hver reaksjon betydelig, samtidig som det lar seg utnytte et større utvalg av synlig lys.

Nylige gjennombrudd viser potensialet i denne tilnærmingen. Et kinesisk forskerteam ledet av Liu Gang ved Institute of Metal Research forbedret titandioksid-det viktigste fotokatalytiske materialet-ved å legge til skandium gjennom "strukturell omforming" og "elementsubstitusjon." Skandiumionene passer jevnt inn i materialets gitter, fjerner "fellesoner" som normalt fanger elektroner, og omformer krystalloverflaten for å danne "elektroniske motorveier" som leder ladningsbærere effektivt.

Det forbedrede materialet bruker over 30 % av ultrafiolett lys og oppnår en hydrogenproduksjonshastighet under simulert sollys 15 ganger høyere enn tidligere versjoner. I følge forskerteamet kan et fotokatalytisk panel på én-kvadrat-meter produsere rundt 10 liter hydrogen per dag under sollys.

Mens partikkelfotokatalyse forblir i laboratoriet, er potensialet for stor-implementering overbevisende. Fotokatalysatorer i pulverform- er enklere å håndtere og lettere å spre over store områder ved å bruke potensielt rimelige prosesser sammenlignet med PV-elektrolyse- eller PEC-systemer.

Konsentrert solenergi (CSP) tar en fundamentalt annen tilnærming til å utnytte solen. I stedet for å konvertere lys direkte til elektrisitet, bruker CSP speil for å konsentrere sollys, generere høy-temperaturvarme og deretter drive konvensjonelle turbiner for å produsere elektrisitet.

Det grunnleggende konseptet er veldig enkelt. Heliostater, eller arrangementer av speil, følger solens daglige kurs og reflekterer solens stråler til en samler plassert på toppen av et tårn. Denne konsentrasjonen av sollys brukes til å varme opp en arbeidsvæske til svært høye temperaturer, og når varmen er produsert, brukes den oppvarmede arbeidsvæsken til å generere damp som vil rotere en turbin som driver generatoren.

Evnen til å inkorporere lagring av termisk energi i et CSP-system er det som gjør CSP til en slik verdi. Varmen som produseres av prosessen med å konsentrere solens stråler kan fanges opp og lagres i timevis, noe som betyr at elektrisitetsproduksjon fra CSP-systemet kan skje lenge etter solnedgang. Sendingsaspektet ved CSP-det vil si at når du trenger elektrisitet kan du produsere den-er det som skiller CSP fra PV-solsystemer, som slutter å produsere strøm når det begynner å skye over eller om natten.

Teknologien som finnes på toppen av pyramiden for tiden (Gemasolar i Spania, Crescent Dunes i Nevada og Noor III) har flytende smeltet salt som brukes ikke bare til å overføre varme, men også til å lagre energi. Alle tre systemene har med suksess demonstrert evnen til å operere kontinuerlig i hele 24 timer samtidig som de opprettholder mer enn 15 timers energilagring med flytende smeltede salter alene.

Det amerikanske energidepartementets program for Concentrated Solar Power Generation 3 (CSP Gen3) vil fremme denne teknologien utover de eksisterende CSP-systemene på kommersiell nivå. En av designtilnærmingene som blir utforsket under CSP Gen3-programmet er "Liquid Pathway"-systemet, som bruker relativt rimelige-flytende klorider som energilagring, og en flytende natriummottaker ved ca. 740oC for å overføre varme til den superkritiske karbondioksid (sCO2) kraftsyklusen. Hele sCO2-strømsyklusen vil også fungere med høyere effektivitet enn tradisjonelle sykluser av Rankine-typen.

Dette representerer et betydelig fremskritt fra dagens anlegg, som vanligvis opererer ved rundt 565 grader ved bruk av nitratsalter. Høyere driftstemperaturer muliggjør større effektivitet og senker den utjevnede energikostnaden-Gen3-målet er under $60 per megawatt-time.

Et smeltet saltsystem med to-tanker lar operatører sirkulere salt gjennom solcellemottakere for å lade (oppvarme den "varme" tanken), og deretter gjennom varmevekslere for å generere damp når utslipp er nødvendig. Den termiske effektiviteten til selve lagringen er høy-og lagring av varme i isolerte tanker overstiger 90 % effektivitet for daglige sykluser.

Rundreise-effektiviteten for strømlagring står imidlertid overfor en grunnleggende begrensning. Konvertering av varme tilbake til elektrisitet gjennom dampturbiner oppnår vanligvis bare 35-42 % termisk effektivitet. Selv avanserte superkritiske CO2-turbiner sliter med å overstige 50 %. Til sammenligning overstiger litium-ion-batterier rutinemessig 85 % tur/retur-effektivitet.

Denne effektivitetsstraffen betyr at CSP er best egnet for applikasjoner der termisk lagrings verdi -lang varighet, lav kostnad per kilowatt-time lagring og muligheten til å gi synkron generering- oppveier konverteringstapene. For lagring i nettskala som varer i 6-12 timer, kan økonomien fortsatt fungere.

Utviklingen av fornybare energikilder for å generere elektrisitet, CSPs bidrag til avkarboniseringen av industrielle prosesser og etableringen av termisk lagring har alle gjort det mulig for CSP-er å tilby tjenester utover bare elektrisitet. Mange industrielle prosesser krever kontinuerlig,-tilførsel av damp eller direkte varme innenfor et temperaturområde på 300 til 550 grader Celsius, som inkluderer prosesser som papirproduksjon, oljeraffinering og kjemisk prosessering.

Ved å bruke systemer for lagring av smeltet salt i veldig stor skala for termisk energi, kan CSP-er oppnå dette målet ved å tilby prosessdamp og/eller overhetingsluft for industrielle applikasjoner etter behov i sanntid. Den store kapasiteten til disse smeltede-salt termiske energilagringssystemene tilbyr også et svært-effektivt alternativ til elektrokjemiske batterier, med en kostnad på mindre enn $35 per kilowatt-time (kWh) med brukbar termisk energilagring.

Det finnes komplementære metoder for å utnytte solens energi, inkludert solenergiproduksjon og konsentrert solenergi (CSP). Solens energi omdannes til kjemisk brensel (hydrogen) via fotovoltaisk (PV) elektrolyse og fotokatalytiske systemer som kan lagres på ubestemt tid. Hydrogen kan brukes til transport, industri og elektrisitetsproduksjon. Alternativt bruker CSP sollys til å generere varme. CSP konverterer deretter den termiske energien til elektrisitet for utsendelse (ordnet) levering.

Raske fremskritt innen begge teknologiene skjer. Økt konverteringseffektivitet fra sol-til-hydrogen skyldes forbedrede materialer og systemintegrasjon; CSP fortsetter å presse på for høyere driftstemperaturer og lavere kostnader. Når de kombineres, tillater PV-elektrolyse og CSP en solcelledrevet-verden der ikke bare sola gir energi der det er nødvendig, men også produserer en lett-lagret form for drivstoff for å gi energi i perioder utenom-om dagen.

Jorden mottar en enorm tilførsel av energi fra solen. Dette tilsvarer omtrent 173 billioner watt (1 billion=1 000 000 000 000) som treffer jorden hvert sekund. Utfordringene og mulighetene for ingeniører inkluderer å finne måter å bruke flere moduser for å fange opp denne enorme tilførselen av energi fra solen.