Pilotażowa instalacja do produkcji wodoru z energii słonecznej osiągnęła ponad 1 kW

Naukowcy ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii (EPFL) w Lozannie zbudowali pilotażową instalację, która przy użyciu energii słonecznej może produkować zarówno ekologiczny wodór, jak i ciepło. Urządzenie jest największym tego typu zbudowanym do tej pory i produkuje około pół kilograma wodoru w ciągu 8 godzin, co odpowiada nieco ponad 2 kilowatom równoważnej mocy wyjściowej.

Pokonaliśmy pułap 1-kW w produkcji wodoru ze słońca. Pół kilograma wodoru pozwala na przejechanie samochodem około 100 kilometrów. Można też użyć go w ogniwie paliwowym do produkcji energii elektrycznej i zaspokoić około połowy zapotrzebowania na energię elektryczną czteroosobowego gospodarstwa domowego dziennie – mówi Sophia Haussener, profesor w EPFL.

Około 95 procent wodoru używanego obecnie na świecie – głównie do produkcji nawozów i innych chemikaliów lub do rafinacji ropy naftowej – powstaje w wyniku krakingu gazu ziemnego. W tym procesie wytwarza się niestety dwutlenek węgla, co eliminuje go jako źródło bezemisyjne. Jednak wodór ma również ogromne szanse jako paliwo dla lokomotyw, samolotów, statków czy ciężarówek, do ogrzewania domów i produkcji energii elektrycznej.

Aby jednak wodór był paliwem zrównoważonym, musi być produkowany z wykorzystaniem energii odnawialnej lub jądrowej przy minimalnej emisji. Idea zielonego wodoru nabiera obecnie tempa na całym świecie. Jest to na przykład główny element planów Australii dotyczących dekarbonizacji gospodarki.

Jednym z najbardziej zrównoważonych sposobów wytwarzania wodoru jest wykorzystanie energii słonecznej do rozdzielenia wody na wodór i tlen. Można to zrobić za pomocą systemów fotoelektrochemicznych (PEC), które łączą urządzenie fotowoltaiczne i elektrolizer. Fotowoltaika absorbuje światło słoneczne i generuje energię elektryczną, która napędza elektrolizę.

Nie musisz projektować i płacić za dwa oddzielne systemy. Jest to jeden zintegrowany układ, więc ostatecznie jest to korzyść finansowa – mówi Haussener.

Systemy PEC okazały się niezwykle wydajne w skali laboratoryjnej. Naukowcy do tej pory zademonstrowali małe układy o mocy wyjściowej poniżej 100 watów. Haussener mówi, że skalowanie do większych systemów nie jest łatwe, ponieważ wymaga zrównoważenia wydajności, stabilności i kosztów operacyjnych oraz maksymalizacji wydajności produkcji.

Aby osiągnąć tę równowagę, ona i koledzy, za pomocą luster, skupiają promieniowanie słoneczne w małym punkcie, w którym umieszczono moduł ogniw. Używają tandemowych, wielofunkcyjnych półprzewodnikowych ogniw słonecznych III-V, które są bardzo wydajne w przetwarzaniu światła słonecznego na energię elektryczną, ale zbyt drogie, by stosować je w urządzeniach o dużej powierzchni.

Samochody wodorowe (Elektrycznie Tematyczni #2)

Instalacja produkuje wodór i całkiem sporo ciepła

W przypadku dużego, kilowatowego systemu, naukowcy zbudowali paraboliczne lustro o średnicy 7 metrów, które koncentruje światło do poziomu około 1000 razy wyższego niż normalna moc słońca. Talerz śledzi słońce przez 6 do 8 godzin.

Energia elektryczna wytwarzana przez moduł ogniwa słonecznego napędza elektrolizer membranowy z elektrolitem polimerowym, rodzaj elektrolizera, który wykorzystuje stały materiał jako elektrolit. Urządzenia te mogą pracować przy bardzo dużych gęstościach prądu, co daje im przewagę nad innymi w połączeniu z energią wiatrową i słoneczną, które mogą powodować nagłe skoki mocy.

Energia słoneczna jest zamieniana na energię elektryczną, ale oczywiście nie w całości. Część zamienia się w ciepło odpadowe, które zespół naukowców odzyskuje za pomocą wymiennika ciepła. Może być ono wykorzystane do ogrzewania pomieszczeń lub wody w budynkach, lub użyta w procesach przemysłowych.

Budowa systemu na terenie kampusu EPFL zajęła zespołowi około dwóch lat, podczas których udało się pokonać kilka wyzwań projektowych. Jednym z kluczowych było zarządzanie takim przepływem wody przez układ, aby zmaksymalizować wykorzystanie ciepła i zwiększyć wydajność.

Zielony wodór jest dziś tańszy niż szary

W chwili obecnej wodór produkowany przez instalację zasila ogniwo paliwowe służące do produkcji energii elektrycznej w sąsiednim budynku. Za pośrednictwem startupu o nazwie SoHHytec, zespół EPFL skaluje obecnie swoją technologię produkcji wodoru i ciepła w celu jej komercjalizacji.

SoHHytec buduje system z większym, 9-metrowym lustrem, a wiele takich konstrukcji można połączyć, aby stworzyć system tak duży lub mały, jak potrzebują tego klienci. Pierwszy projekt demonstracyjny, który ma być uruchomiony do końca roku, będzie realizowany dla firmy zajmującej się obróbką metali, która będzie wykorzystywać wodór i ciepło w swoich procesach produkcyjnych.