Как солнце питает биотопливо

Фото: Ричард Ридж

За один час Земля получает от Солнца достаточно энергии, чтобы удовлетворить все потребности человечества в энергии на год. Тем не менее, мир использует немногим более одного процента солнечной энергии для наших нужд в электричестве. Основным препятствием на пути использования всего потенциала солнечной энергии является то, что она носит непостоянный характер — мы не можем получать стабильную поставку солнечной энергии, потому что солнце не всегда светит.

Для того чтобы возобновляемые источники энергии получили распространение в масштабах, необходимых для борьбы с изменением климата, необходим эффективный и экономичный способ хранения солнечной энергии в периоды, когда солнце не светит.Но даже когда эта технология станет доступной, нам все равно нужно будет найти способ использовать возобновляемую энергию для питания транспортного сектора, одного из крупнейших источников выбросов парниковых газов.

По словам Нейта Льюиса, директора-основателя Объединенного центра искусственного фотосинтеза, «все исследования системы экологически чистой энергии, которые я когда-либо видел, выявили одни и те же два технологических пробела. Массивное хранилище энергии в масштабе сети для компенсации прерывистости ветровой и солнечной энергии, а также энергоемкое, углеродно-нейтральное жидкое транспортное топливо». Большое количество исследований направлено на разработку лучших аккумуляторов для хранения энергии. Но именно «солнечное топливо» потенциально может хранить, транспортировать и использовать солнечную энергию для производства электроэнергии. а также заменить ископаемое топливо в транспортных средствах.

Солнечный свет и воду можно использовать для производства водорода, солнечного топлива, с использованием специальных солнечных элементов, называемых фотоэлектрохимическими (PEC) элементами, и фотогальваническими (PV) электролизными реакторами. Технология сохраняет солнечную энергию в виде химических связей, а затем превращает ее в электричество с помощью водородного топливного элемента. До сих пор большинство фотоэлектрохимических реакторов основывались на использовании платины и иридия, редких и дорогих элементов.

я говорил с Дэн Эспозито, доцент кафедры химического машиностроения Колумбийского университета и ведущий преподаватель Центра устойчивой энергетики Ленфест, который вместе с исследовательской группой Эспозито занимается поиском эффективных, стабильных материалов, изготовленных из элементов, содержащихся в земле. . Группа также работает над тем, чтобы применить свои выводы для проектирования и масштабирования «реальных» технологических систем.

Почему у солнечного топлива такой большой потенциал?

Есть два ключевых преимущества солнечной топливной системы.Традиционная солнечная фотоэлектрическая энергия переходит от солнечной энергии к электричеству, тогда как с технологией солнечного топлива вы берете солнечный свет и используете его для преобразования низкоэнергетической молекулы реагента, такой как вода, затем обновляете ее, увеличивая ее энергосодержание и образуя химическую энергию или топливо. . Вы берете энергию солнца и переводите ее в энергию, заключенную в связях молекул.

Самое замечательное в топливе то, что его можно хранить, поэтому мы можем хранить его, поместить в бак или какой-либо другой сосуд и использовать позже. Топливо очень хорошо дополняет прерывистые возобновляемые ресурсы, такие как солнечная энергия или ветер, — они помогают преодолеть изменчивость. Еще одна интересная особенность топлива заключается в том, что его можно использовать во многих различных секторах общества — в транспорте, в промышленном использовании энергии и в бытовом использовании энергии. Это более универсальная система.

Можете ли вы привести пример того, как можно использовать солнечное топливо?

Возьмем автомобиль с нулевым уровнем выбросов водородных топливных элементов. Наиболее часто рассматриваемым примером солнечного топлива является водород, который можно производить из воды ( H₂О). По сути, вы расщепляете воду на водород и кислород. Вы сохраняете водород в качестве топлива, которое можно использовать в автомобиле на водородных топливных элементах. Вы берете водород, отправляете его в топливный элемент и извлекаете электричество.

Заправка топливного автомобиля водородом.

Вы перезаряжаете его так же, как заливаете бензин в бензобак обычного автомобиля. Обычно это сжатый водород, еще в газовой фазе. Еще одна особенность водородного топлива заключается в том, что его также можно преобразовать в полезную работу с двигателем внутреннего сгорания, как и бензин. Фактически, энергия внутреннего сгорания, использующая в качестве топлива водород, а не бензин, может быть более эффективной, чем бензиновый двигатель. Автомобили на водородных топливных элементах обычно оснащены водородными баками, которые позволяют автомобилю проезжать около 400 миль между заправками, возможно, благодаря высокой плотности энергии сжатого водорода.Этот большой запас хода в сочетании с относительно быстрым временем дозаправки автомобиля на водородных топливных элементах обычно считается основным преимуществом автомобиля на водородных топливных элементах по сравнению с электромобилем. Почти каждый крупный производитель автомобилей разрабатывает автомобили на водородных топливных элементах, которые они выпустят к 2020 году. Однако одна из проблем — стоимость, а другая — инфраструктура — наличие заправочных станций.

Другой пример связан с электрической сетью, пытающейся решить эту проблему перемежаемости, связанную с ветром и солнцем. На самом деле в мире есть места, где люди пытаются извлечь выгоду из дешевого электричества от солнца и ветра, используя водород в качестве средства хранения этой энергии, а затем преобразовывая его обратно в электричество, когда солнце не светит или ветер дует. т дует. Это называется «энергия в газ», и в Германии это довольно активно изучают. Общая идея здесь заключается в том, чтобы брать электричество, когда оно дешевое, когда действительно солнечно или ветрено. Вы отправляете его в электрохимическое устройство, называемое электролизером [устройство, которое расщепляет раствор на атомы, из которых он состоит, пропуская через него электричество], и используете его для преобразования вашего низкоэнергетического реагента, такого как вода, в водород. Затем вы берете этот водород и впрыскиваете его в газопровод. Позже, когда цена на электроэнергию повысится — когда солнце не светит — вы снова преобразуете ее в электроэнергию с помощью традиционной электростанции, работающей на природном газе.

Как работают фотогальванические электролизеры и фотоэлектрохимические элементы?

С фотоэлектрическим электролизером подумайте о том, чтобы взять традиционный солнечный элемент — фотоэлектрическую панель — и подключить его непосредственно к электролизёру. У вас есть два отдельных устройства.

Фотоэлектрохимическая ячейка сочетает в себе функциональность обоих этих устройств в одном интегрированном устройстве. У вас есть два электрода, ваш анод и ваш катод, но ключевое отличие здесь в том, что один из этих электродов сделан из полупроводника.В фотоэлектрохимической ячейке напряжение, генерируемое этим фотоэлектродом [либо анодом, либо катодом], используется для запуска электрохимической реакции. Обычно фотоэлектроды, с которыми мы работаем, имеют размер порядка сантиметра в квадрате или двух сантиметров в квадрате. Фотоэлектрод действительно можно считать сердцем клетки. Он должен поглощать свет, создавать фотонапряжение [напряжение, создаваемое фотогальваническим эффектом], а затем использовать эту энергию для эффективного облегчения химического превращения реагентов (в данном случае воды) в продукты [водород и кислород]. Важный процесс, посредством которого эти химические превращения эффективно происходят на поверхности электродов, называется катализом.

И именно здесь многие исследования материалов становятся действительно важными, потому что мы хотели бы, чтобы каталитические материалы, которые используются в этих фотоэлектродах, были широко распространены, недороги и стабильны. Гарантия на солнечную батарею, которую вы купите и поставите на крышу прямо сейчас, составляет около 25 лет. Так что, если эта технология будет конкурировать, вам нужно, чтобы эти вещи прослужили не менее пяти или десяти лет. Это большая проблема, потому что вы, по сути, берете солнечную батарею и погружаете ее в жидкость, обычно в воду. Коррозия может быть гораздо более серьезной проблемой в этом случае.

Каково состояние техники сегодня?

Существующие технологии, помимо того, что мы делаем в нашей лаборатории, более продвинуты в случае фотогальванического электролиза, потому что электролизеры и фотогальванические элементы являются коммерческой технологией. Вы можете пойти и купить их и настроить систему сегодня. Электролизеры и фотоэлектрические элементы называются модульными технологиями, потому что вы можете взять один блок и присоединить его к другому блоку. В зависимости от того, сколько топлива вы хотите, вы должны масштабировать и выбирать количество единиц соответствующим образом. Но, насколько мне известно, сегодня вы не можете купить фотоэлектрический химический реактор — он все еще находится в стадии исследований и разработок.

Чего вы пытаетесь достичь своим исследованием?

Как инженеры-химики, мы заинтересованы в разработке более дешевых и эффективных материалов для этих устройств, а также в разработке устройств и реакторов, в которые эти материалы будут включены. Как в фотоэлектрохимическом элементе, так и в фотогальваническом электролизере происходит по существу один и тот же химический процесс, поэтому, если мы найдем более эффективный каталитический материал, подходящий для одной из этих реакций, мы сможем поместить его в любое устройство. Мы считаем, что в одновременной разработке материалов и устройств есть много синергии и преимуществ. Они часто информируют друг друга. Мы также думаем о новых типах архитектур или компоновках существующих материалов, которые могут позволить устройству работать более эффективно и быть более стабильным в течение длительных периодов времени.

Какой параметр может оптимизировать характеристики материала?

Эффективность очень важна для этих устройств. У нас есть определенное количество солнечного света или электричества, которое поступает в одно из электрохимических устройств, и мы хотим преобразовать как можно больше этого количества в топливо. Если у вас есть материал на поверхности этих электродов, который не очень эффективен для содействия этому химическому превращению, вы получаете меньше этой энергии в виде топлива. Для электролизера это означает, что вам нужно приложить большее напряжение, чтобы реакция происходила с той же скоростью. Дополнительная энергия, которая идет на реакцию с неэффективным материалом, теряется в виде тепла. Мы хотим, чтобы эта энергия шла на топливо.

Как вы относитесь к поиску лучших материалов?

У нас есть несколько различных типов зондов, которые мы используем для изучения материалов электродов на очень малых расстояниях, пока эти материалы работают в фотоэлектрохимической ячейке или электролизере.. К ним относятся физические зонды, такие как ручка, сканирующая поверхность, а также оптические зонды, сфокусированный луч света.Мы можем использовать эти зонды для локального изучения свойств и характеристик электродов, которые мы пытаемся разработать. Существуют различия в свойствах, обычно в микро- и наномасштабе, и эти инструменты позволяют нам видеть в реактивной среде вещи, которые вы просто не можете увидеть невооруженным глазом. Поняв, какие конфигурации являются наиболее эффективными в микро- и наномасштабах, мы можем затем вернуться к началу процесса проектирования и переделать материалы и электроды, пытаясь максимизировать или оптимизировать эти действительно эффективные нано- или микромасштабы. — структуры.

Мы также сотрудничаем с Институтом наук о данных и инженерии Колумбийского университета в разработке новых зондов, которые помогут ускорить процесс обнаружения материалов. Их опыт работы с аналитикой больших данных и передовыми методами анализа сигналов станет важной частью процесса проектирования и открытия материалов.

Вы нашли какие-то многообещающие новые материалы или конструкции?

У нас были хорошие результаты с точки зрения исследования материалов, а также с устройствами. Мы опубликовали нашу первую статью об оригинальном исследовании нашей лаборатории нового типа электролизера… новой конструкции.

Идея здесь в том, что мы пытаемся упростить конструкцию электролизера по сравнению с существующей коммерческой технологией. Большинство коммерческих электролизеров имеют конструкцию, включающую анод и катод, расположенные на противоположных сторонах мембраны, что важно для проведения ионов — заряженных молекул — между анодом и катодом при одновременном разделении молекул водорода и кислорода. Мы работаем над созданием электролизеров, для которых не требуется мембрана. Таким образом, в то время как обычный электролиз будет состоять как минимум из дюжины частей, конструкция, которую мы придумали, работает всего с тремя частями.

Сколько энергии он может производить?

Довольно небольшая сумма.Когда вы занимаетесь исследованиями и разработками, удобно работать в небольших масштабах из соображений безопасности, а также потому, что скорость исследования, как правило, проще и дешевле. Но вы можете масштабировать это. С большим количеством этих электродов мы можем сделать эту штуку высокой и прямоугольной, а затем вы можете взять это и поставить рядом с другими. Если вы хотите получить достаточное количество водорода для одного автомобиля на водородных топливных элементах, вам понадобится корпус размером с мини-холодильник.

Как вы относитесь к будущему этой технологии?

Я думаю, что есть еще много вопросов о том, как эта технология в конечном итоге будет выглядеть. Это захватывающий аспект работы в этой области. Никто на самом деле не знает, какой будет форма или масштаб. Будет ли фотоэлектрический электролиз иметь больше смысла, чем встроенный фотоэлектрический химический элемент или наоборот? Есть плюсы и минусы для обоих из них.

Мы надеемся, что, работая как в области материалов, так и в области устройств, мы сможем помочь ускорить процесс разработки и приблизиться к моменту, когда некоторые из этих технологий смогут изменить мир к лучшему.

В июле Эспозито написал письмо представителю США Ламару Смиту, председателю комитета Палаты представителей по науке, космосу и технологиям, в котором призвал принять Закон об инновациях в области солнечного топлива. Законодательство потребует от Министерства энергетики поддерживать и продвигать исследования и разработки технологий производства топлива из солнечного света.