Solens to veje til magt: Forståelse af solbrintproduktion og koncentreret solenergi

Mens de fleste mennesker tænker på solenergi som via fotovoltaiske paneler, der bruger sollys til energi; der er mange flere måder, hvorpå du kan opnå værdi gennem solen end blot solcellepaneler. For eksempel kan du bruge solen til at producere rent brintbrændstof og generere nytte-kraft gennem varme. Der er et par spændende nye teknologier, der presser rammen om solenergi: brint fra solenergikilder og koncentreret solenergi (CSP).

Brint er kendt som "morgendagens brændstof" af flere grunde. Brint har cirka 142 MJ/kg energiindhold, og hvis du bruger brint i en brændselscelle, er de eneste emissioner, der produceres fra vand. Men at producere store mængder af brintbrændstoffet rent er stadig en stor udfordring for at producere brint. En måde at løse dette problem på er at bruge sollys til at spalte vand som et middel til brintproduktion, denne proces har ingen drivhusgasemissioner.

Der er tre hovedtyper af brintproduktion fra solenergi, som i øjeblikket er på forskellige modenhedsniveauer:

Den første teknologi (mest moden) bruger fotovoltaiske (PV) paneler koblet med elektrolysatorer. Elektrolysatorer er elektriske enheder, der tager elektricitet og omdanner vand til brint og ilt ved at bruge varme og varmeoverførsel. PV-systemer er mest udviklede og let tilgængelige; PV-systemer er meget modulære og pålidelige; når PV og elektrolysator er forbundet uden nogen strømkonverteringsenheder, har STH-konverteringseffektiviteten for hele systemet nærmet sig den teoretiske grænse.

Forskning viser, at koncentrerede solcelleanlæg markant overgår de konventionelle. Ved at bruge InGaP/GaAs/Ge-celler under en koncentration på 750 sole opnåede forskerne STH-effektiviteter på 18-21% med produktionshastigheder på 0,8-1,0 liter brint pr. minut pr. kvadratmeter modulareal. Konventionelle siliciummoduler under én sol opnåede til sammenligning kun omkring 9,4 % STH-effektivitet med produktionshastigheder omkring 0,3 L/min·m². Dette repræsenterer en ydeevnefordel på 1,5 til 3 gange for koncentrerede systemer.

Vandelektrolyse har et effektivt anvendelsesområde mellem 70-80 %, hvilket gør denne mulighed mere attraktiv, når man overvejer fremtidige elpriser for vedvarende energi. Den eneste store udfordring lige nu er den høje pris på elektrolysatorer og uforudsigeligheden af ​​solstråling, hvilket resulterer i behovet for omhyggelig integration i systemet.

Fotoelektrokemiske (PEC) systemer anvender en mere integreret tilgang end tidligere metoder til elektrolyse af vand ved først at generere elektrisk energi og derefter bruge denne energi til at generere brint fra vand. PEC'er bruger halvledermaterialer nedsænket i vand, som er i stand til at absorbere lys fra solen og omdanne det direkte til at lagre energi kemisk i form af brint gennem elektrolyse af vand. Dette sker, når lys rammer halvlederen og skaber par af elektroner/huller. Elektronerne i halvledermekanismen reducerer protoner til at danne brint; de dannede huller vil oxidere vandmolekylerne, der producerer ilt.

PEC'er blev først undersøgt for cirka 50 år siden af ​​Shinichiro Fujishima og Honda, da de fandt ud af, at en titaniumdioxid (TiO2) elektrode kunne opdele H2O i H2 og O2, når den blev koblet sammen med en platin katode/legering og belyst med UV-lys. (Dette er det, der omtales som "Honda-Fujishima-effekt")

I øjeblikket har PEC-systemer et attraktivt, kompakt design med evnen til at opnå direkte sol-til-brintkonvertering gennem en enkel og elegant mekanisme. På trods af disse positive designtræk er PEC-teknologien stadig i sin relative vorden og skal overvinde nogle væsentlige udfordringer, før kommercialisering kan ske, såsom lav effektivitet i deres-til-brintkonvertering, nedbrydning af materialer, der bruges til at skabe PEC-celler, og skalerbarhed af ydeevne. Derfor udføres der løbende forskning i avancerede materialer og nanostrukturerede fotoelektroder designet til at løse disse problemer.

En af de mere kreative måder at gøre dette på er at bruge halvledermaterialer i nanoskala (også kaldet kvanteprikker) spredt i et vandigt medium som fotokatalysatorer. Ved belysning med sollys producerer de elektroner (og huller), der kan migrere til partiklens grænseflade og initiere de respektive oxidations- og reduktionshalvreaktioner, der refereres til som henholdsvis hydrogenudvikling og oxygenudvikling.

Enkeltpartikelfotokatalysatorsystemet, eller et-et-trins excitationssystem, kræver, at halvlederens båndgab spænder over både hydrogenudviklingspotentialet og oxygenudviklingspotentialet. Der er også et to-fotokatalysatorsystem eller "Z--skema" fotokatalysatorkonfiguration, hvor to forskellige fotokatalysatorer bindes sammen af ​​en kemisk mediator (dvs. redoxpar), således at vandspaltning sker i to adskilte trin eller halvreaktioner. Dette sænker den energi, der er nødvendig for hver reaktion markant, samtidig med at en større variation af synligt lys kan udnyttes.

Nylige gennembrud viser potentialet i denne tilgang. Et kinesisk forskerhold ledet af Liu Gang ved Institute of Metal Research forbedrede titaniumdioxid-det vigtigste fotokatalytiske materiale-ved at tilføje scandium gennem "strukturel omformning" og "elementsubstitution". Scandiumionerne passer glat ind i materialets gitter, fjerner "fældezoner", der normalt fanger elektroner, og omformer krystaloverfladen til at danne "elektroniske motorveje", der leder ladningsbærere effektivt.

Det forbedrede materiale bruger over 30 % af ultraviolet lys og opnår en brintproduktionshastighed under simuleret sollys 15 gange højere end tidligere versioner. Ifølge forskerholdet kunne et fotokatalytisk panel på én-kvadrat-meter producere omkring 10 liter brint om dagen under sollys.

Mens partikelfotokatalyse forbliver i laboratoriet, er dens potentiale for stor-implementering overbevisende. Fotokatalysatorer i pulverform- er lettere at håndtere og mere modtagelige for spredning over store områder ved hjælp af potentielt billige processer sammenlignet med PV-elektrolyse- eller PEC-systemer.

Koncentreret solenergi (CSP) har en fundamentalt anderledes tilgang til at udnytte solen. I stedet for at konvertere lys direkte til elektricitet bruger CSP spejle til at koncentrere sollys, generere høj-temperaturvarme og derefter drive konventionelle turbiner til at producere elektricitet.

Det grundlæggende koncept er meget ligetil. Heliostater, eller arrangementer af spejle, følger solens daglige kurs og reflekterer solens stråler til en samler placeret i toppen af ​​et tårn. Denne koncentration af sollys bruges til at opvarme en arbejdsvæske til meget høje temperaturer, og når først varmen er produceret, bruges den opvarmede arbejdsvæske til generering af damp, der vil rotere en turbine, der driver generatoren.

Evnen til at inkorporere termisk energilagring i et CSP-system er det, der gør CSP til en sådan værdi. Den varme, der produceres ved processen med at koncentrere solens stråler, kan fanges og lagres i timevis, hvilket betyder, at elproduktion fra CSP-systemet kan ske længe efter solnedgang. Det afsendelige aspekt af CSP-det vil sige, at når du har brug for elektricitet, kan du producere det-er det, der adskiller CSP fra PV-solsystemer, som holder op med at producere elektricitet, når det begynder at skye over eller om natten.

Den teknologi, der findes i toppen af ​​pyramiden i øjeblikket (Gemasolar i Spanien, Crescent Dunes i Nevada og Noor III) omfatter flydende smeltet salt, der ikke kun bruges til at overføre varme, men også til at lagre energi. Alle tre systemer har med succes demonstreret evnen til at fungere kontinuerligt i hele 24 timer og samtidig opretholde mere end 15 timers energilagring med flydende smeltede salte alene.

Det amerikanske energiministeriums Concentrated Solar Power Generation 3 (CSP Gen3) program vil fremme denne teknologi ud over de eksisterende kommercielle CSP-systemer. En af de designtilgange, der undersøges under CSP Gen3-programmet, er "Liquid Pathway"-systemet, som bruger relativt billige-flydende chlorider som energilagring og en flydende natriummodtager ved ca. 740oC til at overføre varme til den superkritiske kuldioxid (sCO2) strømkredsløb. Hele sCO2-strømcyklussen vil også fungere med en højere effektivitet end traditionelle dampcyklusser af Rankine-typen.

Dette repræsenterer et betydeligt fremskridt fra nuværende anlæg, som typisk opererer ved omkring 565 grader ved hjælp af nitratsalte. Højere driftstemperaturer muliggør større effektivitet og sænker de udjævnede energiomkostninger-Gen3-målet er under $60 pr. megawatt-time.

Et smeltet saltsystem med to-tanke gør det muligt for operatører at cirkulere salt gennem solcellemodtagere for at lade (opvarme den "varme" tank) og derefter gennem varmevekslere for at generere damp, når udledning er påkrævet. Den termiske effektivitet af selve lagringen er høj-opbevaring af varme i isolerede tanke overstiger 90 % effektivitet for daglige cyklusser.

Effektiviteten tur-retur- for ellagring står imidlertid over for en fundamental begrænsning. Konvertering af varme tilbage til elektricitet gennem dampturbiner opnår typisk kun 35-42 % termisk effektivitet. Selv avancerede superkritiske CO2-turbiner kæmper for at overstige 50 %. Til sammenligning overstiger lithium-ion-batterier rutinemæssigt 85 % tur/retur-effektivitet.

Denne effektivitetsstraf betyder, at CSP er bedst egnet til applikationer, hvor termisk lagrings værdi-lang varighed, lave omkostninger pr. kilowatt-times lagring og evnen til at levere synkron generering-opvejer konverteringstabene. For lagring i netskala-, der varer 6-12 timer, kan økonomien stadig fungere.

Udviklingen af ​​vedvarende energikilder til at generere elektricitet, CSP's bidrag til dekarboniseringen af ​​industrielle processer og skabelsen af ​​termisk lagring har alle gjort det muligt for CSP'er at levere tjenester ud over blot elektricitet. Mange industrielle processer kræver kontinuerlige,-tilførsler af damp eller direkte varme inden for et temperaturområde på 300 til 550 grader Celsius, hvilket omfatter processer såsom papirfremstilling, olieraffinering og kemisk behandling.

Ved at bruge meget stor-skala systemer til lagring af termisk energi til smeltet salt kan CSP'er nå dette mål ved at levere procesdamp og/eller overophedningsluft til industrielle applikationer efter behov i realtid. Den store kapacitet i disse smeltede-salt termiske energilagringssystemer tilbyder også et meget omkostningseffektivt-alternativ til elektrokemiske batterier, med en pris på mindre end $35 pr. kilowatt-time (kWh) brugbar termisk energilagring.

Der er komplementære metoder til at udnytte solens energi, herunder solenergiproduktion og koncentreret solenergi (CSP). Solens energi omdannes til kemisk brændstof (brint) via fotovoltaisk (PV) elektrolyse og fotokatalytiske systemer, som kan lagres i det uendelige. Brint kan bruges til transport, industri og elproduktion. Alternativt bruger CSP sollys til at generere varme. CSP konverterer derefter den termiske energi til elektricitet til afsendelig (ordentlig) levering.

Der sker hurtige fremskridt inden for begge teknologier. Øget energikonvertering fra sol-til-brint skyldes forbedrede materialer og systemintegration; CSP fortsætter med at presse på for højere driftstemperaturer og lavere omkostninger. Når de kombineres, giver PV-elektrolyse og CSP mulighed for en-soldrevet verden, hvor solen ikke kun leverer energi, hvor det er nødvendigt, men også producerer en let-oplagret form for brændstof for at levere energi i perioder uden for-spidsbelastning i løbet af dagen.

Jorden modtager en massiv energiforsyning fra solen. Dette svarer nogenlunde til, at 173 billioner watt (1 billion=1.000.000.000.000) rammer jorden hvert sekund. Udfordringerne og mulighederne for ingeniører inkluderer at finde måder at bruge flere tilstande til at fange denne enorme forsyning af energi fra solen.