Водород будет играть ключевую роль в снижении нашей зависимости от ископаемого топлива. Его можно устойчиво производить, используя солнечную энергию для расщепления молекул воды. Полученную чистую энергию можно хранить, использовать для заправки автомобилей или преобразовывать в электроэнергию по требованию. Но сделать это надежно в больших масштабах и по доступной цене - задача для исследователей. Для эффективного производства солнечного водорода требуются редкие и дорогие материалы - как для солнечных элементов, так и для катализатора - для сбора энергии и последующего ее преобразования.
Ученые из Лаборатории науки и техники в области возобновляемых источников энергии (LRESE) EPFL выдвинули идею концентрации солнечного излучения для производства большего количества водорода на заданной площади с меньшими затратами. Они разработали усовершенствованную фотоэлектрохимическую систему, которая при использовании в сочетании с концентрированным солнечным излучением и интеллектуальным управлением температурой может превращать солнечную энергию в водород с коэффициентом преобразования 17% и беспрецедентной мощностью и плотностью тока. Более того, их технология стабильна и может обрабатывать стохастическую динамику ежедневного солнечного излучения.
Результаты их исследования только что были опубликованы в журнале Nature Energy. «В нашем устройстве тонкий слой воды омывает солнечный элемент для его охлаждения. Температура системы остается относительно низкой, что позволяет солнечному элементу работать лучше», - говорит Саураб Тембхерн, соавтор исследования. «В то же время тепло, извлекаемое водой, передается катализаторам, тем самым улучшая химическую реакцию и увеличивая скорость производства водорода», - добавляет Фреди Нанджоу, исследователь из LRESE. Таким образом, производство водорода оптимизируется на каждом этапе процесса конверсии.
Ученые использовали уникальный симулятор солнечной энергии LRESE, чтобы продемонстрировать стабильную работу своего устройства. Результаты лабораторных демонстраций были настолько многообещающими, что устройство было расширено и теперь тестируется на открытом воздухе, в кампусе EPFL в Лозанне. Исследовательская группа установила параболическое зеркало диаметром 7 метров, которое концентрирует солнечное излучение в 1000 раз и приводит в действие устройство. Проводятся первые испытания.
Водородные станции
Ученые подсчитали, что их система может работать более 30 000 часов, или почти четыре года, без замены каких-либо частей и до 20 лет, если некоторые части заменяются каждые четыре года. Их солнечный концентратор поворачивается и следует за солнцем по небу, чтобы максимизировать его выход. София Хауссенер, глава LRESE и руководитель проекта, объясняет: «В солнечную погоду наша система может генерировать до 1 килограмма водорода в день, чего достаточно для автомобиля на водородном топливе, чтобы проехать от 100 до 150 километров."
Для распределенного крупномасштабного производства водорода несколько систем концентраторов могут использоваться вместе для производства водорода на химических заводах или водородных станциях. Тембхерн и Хауссенер планируют перенести свои технологии из лаборатории в промышленность с помощью дочерней компании под названием SoHHytec.
Программное обеспечение с открытым исходным кодом
Благодаря открытому интерфейсу можно будет следить за мгновенной производительностью системы.
В рамках своего исследования ученые также провели технологическое и экономическое обоснование и разработали программу с открытым исходным кодом под названием SPECDO (Solar PhotoElectroChemical Device Optimization). Эта программа может помочь инженерам в разработке компонентов для недорогих фотоэлектрохимических систем. для производства солнечного водорода. Кроме того, они предоставили инструмент динамического бенчмаркинга под названием SPECDC (Сравнение солнечных фотоэлектрохимических устройств) для сравнения и оценки всех демонстраций фотоэлектрохимических систем.