Блог

Dec 22, 2023

Солнце

За последние годы был достигнут значительный прогресс в производстве электроэнергии из возобновляемых источников. Однако производство химического топлива, которое в настоящее время составляет около 80%

За последние годы был достигнут значительный прогресс в производстве электроэнергии из возобновляемых источников. Однако производство химического топлива, которое в настоящее время составляет около 80% потребляемой нами энергии (МЭА, World Energy Balances, 2020), из возобновляемых источников энергии является более сложной задачей. Разработка экологически чистых методов производства химического топлива, в которых возобновляемая энергия хранится в химических связях, таких как углеводороды и водород, имеет решающее значение как способ буферизации непостоянных источников энергии (таких как ветер и солнечная энергия), что является ключевым моментом в поддержке национального или международного транспорт энергии и полезен при обеспечении энергией удаленных или децентрализованных мест.

Для решения этой проблемы компания Sun-To-X была профинансирована программой Европейского Союза Horizon 2020 и представляет собой консорциум из девяти партнеров, в состав которых входят научно-исследовательские и технологические организации (НИТИ), промышленность и малые и средние предприятия (МСП). Проект стартовал в сентябре 2020 года и планируется завершить в феврале 2024 года.

Проект Sun-To-X направлен на изучение новой цепочки создания стоимости в области химического хранения энергии (рис. 1). На первом этапе солнечная энергия используется для производства водорода из влажности окружающей среды или дождя в качестве водного сырья. Этот водород затем подвергается термохимической реакции с перерабатываемым прекурсором на основе оксида кремния с образованием HydroSil – безуглеродного, нетоксичного, энергоемкого жидкого топлива, которое может быть непосредственно применимо в транспортном и энергетическом секторах.

Молекула HydroSil стабильна более одного года, что делает ее пригодной для длительного хранения возобновляемой энергии. Затем мы исследуем другое применение HydroSil в восстановительной деполимеризации пластиковых отходов с целью развития экономики замкнутого цикла. Во всех процессах в этой цепочке создания стоимости консорциум сосредоточил внимание на использовании богатых материалов, чтобы минимизировать воздействие на окружающую среду.

Проект преследует следующие ключевые технические цели:

Эти цели способствуют достижению целей Европейского Союза и миссии «Инновации» по экономическому развитию, а также повышению энергетической безопасности посредством построения устойчивой энергетической системы.

Солнечный водород можно производить с помощью различных технологий, включая комбинацию фотоэлектрических панелей и электролизеров (PV-E), которые уже коммерциализируются в небольших масштабах. Однако проблемы, связанные с себестоимостью производства солнечного водорода, привели к развитию альтернативных технологий, таких как фотоэлектрохимические подходы. Фотоэлектрохимические технологии объединяют функции поглощения света и электродов в одном компоненте: полупроводниковом фотоэлектроде. Реализация этих более интегрированных систем может привести к снижению стоимости будущего производства солнечного водорода (Shaner et al., Energy Environmental Science, 2016). Наши цели направлены на разработку устройства с 10% эффективностью преобразования солнечной энергии в водород.

Большая часть исследований в области фотоэлектрохимических технологий сосредоточена на использовании жидкой воды в качестве водного сырья. Использование влажности окружающей среды в качестве альтернативы является все более исследуемым вариантом расширения географической применимости устройства, решения технических проблем, таких как образование пузырьков (которые могут рассеивать свет и блокировать каталитические центры) и отражение света от поверхности воды. Ключевым отличием между использованием источника воды в жидкой и газовой фазах является использование пористых фотоэлектродов, позволяющих влаге проникать в устройство, тогда как в случае жидкой фазы можно использовать тонкопленочный фотоэлектрод. Кроме того, для газофазной реакции необходимо использование водопоглощающего твердого электролита, такого как нафион, для обеспечения контакта влаги с фотоэлектродом.

В идеале фотоэлектроды должны быть расположены в так называемой тандемной конфигурации, где каждый фотоанод и фотокатод поглощают разные части солнечного спектра (т. е. синий и красный свет), а структура нашего целевого устройства показана на рис. 2, чтобы максимизировать эффективность использования солнечной энергии и водорода. Это проблематично при использовании газофазной конфигурации, поскольку для эффективной передачи заряда фотоэлектрод должен быть нанесен на подложку, проводящую заряд. В случае плоских фотоэлектродов можно использовать стеклянные панели с покрытием из легированного фтором оксида олова (FTO), которое является одновременно проводящим и прозрачным, позволяя свету проходить на второй фотоэлектрод. Однако пористые проводящие подложки или газодиффузионные слои обычно изготавливаются из углерода или металлов (таких как титан), которые являются полностью непрозрачными. В настоящее время проблемы с масштабируемостью и стабильностью фотоэлектрохимических систем означают, что уровень технологической готовности (TRL) этих тандемных систем в настоящее время равен трем (функционален в лабораторных условиях). В рамках проекта целью является увеличение TRL до пяти (демонстрация в соответствующей среде).