De twee wegen van de zon naar energie: inzicht in de waterstofproductie op zonne-energie en geconcentreerde zonne-energie

Terwijl de meeste mensen zonne-elektriciteit beschouwen als via fotovoltaïsche panelen die zonlicht gebruiken voor energie; er zijn veel meer manieren waarop u waarde uit de zon kunt halen dan alleen fotovoltaïsche panelen. U kunt de zon bijvoorbeeld gebruiken om schone waterstofbrandstof te produceren en door middel van warmte energie op nutsschaal-op te wekken. Er zijn een paar opwindende nieuwe technologieën die de grenzen van zonne-energie verleggen: waterstof uit zonne-energiebronnen en geconcentreerde zonne-energie (CSP).

Waterstof staat om verschillende redenen bekend als de ‘brandstof van morgen’. Waterstof heeft een energie-inhoud van ongeveer 142 MJ/kg, en als je waterstof in een brandstofcel gebruikt, is de enige uitstoot die wordt veroorzaakt door water. Het schoon produceren van grote hoeveelheden waterstofbrandstof is echter nog steeds een grote uitdaging voor de productie van waterstof. Eén manier om dit probleem op te lossen is door zonlicht te gebruiken om water te splitsen als middel voor de productie van waterstof. Dit proces heeft geen uitstoot van broeikasgassen.

Er zijn drie hoofdtypen waterstofproductie uit zonne-energie die zich momenteel op verschillende volwassenheidsniveaus bevinden:

De eerste (meest volwassen) technologie maakt gebruik van fotovoltaïsche (PV) panelen in combinatie met elektrolyzers. Electrolyzers zijn elektrische apparaten die elektriciteit opnemen en water omzetten in waterstof en zuurstof door gebruik te maken van warmte en warmteoverdracht. PV-systemen zijn het meest ontwikkeld en direct beschikbaar; PV-systemen zijn zeer modulair en betrouwbaar; wanneer PV en elektrolyzer zijn aangesloten zonder enige stroomconversie-apparatuur, heeft de STH-conversie-efficiëntie van het hele systeem de theoretische limiet bereikt.

Uit onderzoek blijkt dat geconcentreerde PV-systemen aanzienlijk beter presteren dan conventionele systemen. Met behulp van InGaP/GaAs/Ge-cellen onder een concentratie van 750 zonnen bereikten wetenschappers STH-efficiënties van 18-21% met productiesnelheden van 0,8-1,0 liter waterstof per minuut per vierkante meter moduleoppervlak. Conventionele siliciummodules onder één zon behaalden ter vergelijking slechts een STH-efficiëntie van ongeveer 9,4% met productiesnelheden van ongeveer 0,3 l/min·m². Dit vertegenwoordigt een prestatievoordeel van 1,5 tot 3 keer voor geconcentreerde systemen.

Waterelektrolyse heeft een effectief gebruiksbereik tussen 70-80%, waardoor deze optie aantrekkelijker wordt bij het overwegen van toekomstige elektriciteitsprijzen voor hernieuwbare energiebronnen. De enige grote uitdaging op dit moment zijn de hoge prijs van elektrolyzers en de onvoorspelbaarheid van de zonnestraling, waardoor een zorgvuldige integratie in het systeem nodig is.

Foto-elektrochemische (PEC) systemen maken gebruik van een meer geïntegreerde aanpak dan eerdere methoden voor de elektrolyse van water door eerst elektrische energie op te wekken en die energie vervolgens te gebruiken voor het genereren van waterstof uit water. PEC's maken gebruik van halfgeleidermaterialen ondergedompeld in water, die in staat zijn licht van de zon te absorberen en dit direct om te zetten in chemische opslag van energie in de vorm van waterstof door middel van de elektrolyse van water. Dit gebeurt wanneer licht de halfgeleider raakt, waardoor paren elektronen/gaten ontstaan. De elektronen in het halfgeleidermechanisme reduceren protonen om waterstof te vormen; de gecreëerde gaten zullen de watermoleculen oxideren en zuurstof produceren.

PEC's werden ongeveer 50 jaar geleden voor het eerst onderzocht door Shinichiro Fujishima en Honda toen ze ontdekten dat een titaniumdioxide (TiO2)-elektrode H2O in H2 en O2 kon splitsen wanneer deze werd gekoppeld aan een platina-kathode/legering en werd belicht met UV-licht. (Dit is wat het 'Honda-Fujishima-effect' wordt genoemd)

Momenteel hebben PEC-systemen een aantrekkelijk, compact ontwerp met de mogelijkheid om directe conversie van zonne-energie-naar-waterstof te realiseren via een eenvoudig en elegant mechanisme. Ondanks deze positieve ontwerpkenmerken staat de PEC-technologie nog in de relatieve kinderschoenen en moet ze een aantal belangrijke uitdagingen overwinnen voordat commercialisering kan plaatsvinden, zoals een laag rendement bij de omzetting van zonne-energie-naar-waterstof, degradatie van materialen die worden gebruikt om PEC-cellen te maken, en schaalbaarheid van de prestaties. Daarom wordt er voortdurend onderzoek gedaan naar geavanceerde materialen en nanogestructureerde foto-elektroden die zijn ontworpen om deze problemen aan te pakken.

Een van de creatievere manieren om dit te doen is het gebruik van halfgeleidermaterialen op nanoschaal (ook wel quantum dots genoemd) verspreid in een waterig medium als fotokatalysatoren. Bij belichting met zonlicht produceren ze elektronen (en gaten) die naar het grensvlak van het deeltje kunnen migreren en de respectievelijke oxidatie- en reductiehalfreacties kunnen initiëren die respectievelijk waterstofontwikkeling en zuurstofontwikkeling worden genoemd.

Het fotokatalysatorsysteem met enkele deeltjes, of een-staps-excitatiesysteem, vereist dat de bandgap van de halfgeleider zowel het waterstof-evolutiepotentieel als het zuurstof-evolutiepotentieel overspant. Er is ook een twee-delig fotokatalysatorsysteem of een "Z-schema" fotokatalysatorconfiguratie waarbij twee verschillende fotokatalysatoren met elkaar worden verbonden door een chemische mediator (dat wil zeggen een redoxkoppel), zodat de watersplitsing plaatsvindt in twee verschillende stappen of halve reacties. Dit verlaagt de energie die nodig is voor elke reactie aanzienlijk, terwijl een grotere verscheidenheid aan zichtbaar licht kan worden gebruikt.

Recente doorbraken tonen het potentieel van deze aanpak aan. Een Chinees onderzoeksteam onder leiding van Liu Gang van het Institute of Metal Research verbeterde titaniumdioxide-het belangrijkste fotokatalytische materiaal-door scandium toe te voegen via 'structurele hervorming' en 'elementvervanging'. De scandiumionen passen soepel in het rooster van het materiaal, verwijderen "valzones" die normaal gesproken elektronen vasthouden, en hervormen het kristaloppervlak om "elektronische snelwegen" te vormen die ladingsdragers efficiënt geleiden.

Het verbeterde materiaal gebruikt meer dan 30% ultraviolet licht en bereikt een waterstofproductiesnelheid onder gesimuleerd zonlicht die 15 keer hoger is dan bij eerdere versies. Volgens het onderzoeksteam zou een fotokatalytisch paneel van één-vierkante-meter onder zonlicht ongeveer 10 liter waterstof per dag kunnen produceren.

Hoewel deeltjesfotokatalyse in het laboratorium blijft, is het potentieel ervan voor grootschalige implementatie- overtuigend. Poeder{2}}fotokatalysatoren zijn eenvoudiger te hanteren en gemakkelijker te verspreiden over grote gebieden met behulp van potentieel goedkope processen in vergelijking met PV-elektrolyse- of PEC-systemen.

Geconcentreerde zonne-energie (CSP) hanteert een fundamenteel andere benadering bij het benutten van de zon. In plaats van licht rechtstreeks in elektriciteit om te zetten, gebruikt CSP spiegels om zonlicht te concentreren, warmte op hoge- temperatuur te genereren en vervolgens conventionele turbines aan te drijven om elektriciteit te produceren.

Het fundamentele concept is heel eenvoudig. Heliostaten, of opstellingen van spiegels, volgen de dagelijkse koers van de zon en reflecteren de zonnestralen naar een collector op de top van een toren. Deze concentratie zonlicht wordt gebruikt om een ​​werkvloeistof tot zeer hoge temperaturen te verwarmen, en zodra de warmte is geproduceerd, wordt de verwarmde werkvloeistof gebruikt bij het genereren van stoom die een turbine laat draaien die de generator aandrijft.

Het vermogen om thermische energieopslag in een CSP-systeem op te nemen, maakt CSP zo waardevol. De warmte die wordt geproduceerd door het proces van het concentreren van de zonnestralen kan urenlang worden opgevangen en opgeslagen, wat betekent dat de elektriciteitsopwekking uit het CSP-systeem lang na zonsondergang kan plaatsvinden. Het afschakelbare aspect van CSP-dat wil zeggen: wanneer u elektriciteit nodig heeft, kunt u deze produceren-is wat CSP onderscheidt van PV-zonnesystemen, die ophouden elektriciteit te produceren wanneer het begint te bewolken of 's nachts.

De technologie die momenteel bovenaan de piramide wordt gevonden (Gemasolar in Spanje, Crescent Dunes in Nevada en Noor III) maakt gebruik van vloeibaar gesmolten zout dat niet alleen wordt gebruikt voor het overbrengen van warmte, maar ook voor het opslaan van energie. Alle drie de systemen hebben met succes aangetoond dat ze 24 uur lang continu kunnen werken en tegelijkertijd meer dan 15 uur energie kunnen opslaan met alleen vloeibare gesmolten zouten.

Het Concentrated Solar Power Generation 3 (CSP Gen3)-programma van het Amerikaanse ministerie van Energie zal deze technologie verder brengen dan de bestaande CSP-systemen op commercieel niveau. Een van de ontwerpbenaderingen die worden onderzocht in het kader van het CSP Gen3-programma is het 'Liquid Pathway'-systeem, dat relatief goedkope -kostbare vloeibare chloriden gebruikt als energieopslag, en een vloeibare natriumontvanger van ongeveer 740oC om warmte over te dragen aan de superkritische koolstofdioxide (sCO2)-energiecyclus. De gehele sCO2-vermogenscyclus zal ook met een hogere efficiëntie werken dan traditionele stoom-Rankine-type cycli.

Dit vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang ten opzichte van de huidige centrales, die doorgaans bij een temperatuur van ongeveer 565 graden werken en nitraatzouten gebruiken. Hogere bedrijfstemperaturen maken een grotere efficiëntie mogelijk en verlagen de energiekosten.-Het Gen3-doel ligt onder de $ 60 per megawatt-uur.

Met een gesmolten zoutsysteem met twee-tanks kunnen operators zout door zonne-energieontvangers laten circuleren om op te laden (de "hete" tank te verwarmen) en vervolgens door warmtewisselaars om stoom te genereren wanneer ontlading nodig is. De thermische efficiëntie van de opslag zelf is hoog.-Het opslaan van warmte in geïsoleerde tanks bedraagt ​​meer dan 90% efficiëntie voor dagelijkse cycli.

De round-efficiëntie voor elektriciteitsopslag heeft echter te maken met een fundamentele beperking. Door warmte via stoomturbines weer om te zetten in elektriciteit wordt doorgaans slechts 35-42% thermisch rendement bereikt. Zelfs geavanceerde superkritische CO2-turbines hebben moeite om de 50% te overschrijden. Ter vergelijking: lithium-ion-batterijen overschrijden routinematig een rendement van 85%.

Dit efficiëntieverlies betekent dat CSP het meest geschikt is voor toepassingen waarbij de waarde van thermische opslag-lange duur, lage kosten per kilowatt-uur opslag en de mogelijkheid om synchrone opwekking te bieden-opweegt tegen de conversieverliezen. Voor opslag op grid-schaal die 6 tot 12 uur duurt, kan de economie nog steeds werken.

De ontwikkeling van hernieuwbare energiebronnen om elektriciteit op te wekken, de bijdrage van CSP aan het koolstofarm maken van industriële processen en de creatie van thermische opslag hebben CSP's allemaal in staat gesteld diensten te verlenen die verder gaan dan alleen elektriciteit. Veel industriële processen vereisen een continue, on-demand levering van stoom of directe warmte binnen een temperatuurbereik van 300 tot 550 graden Celsius, waaronder processen zoals papierproductie, olieraffinage en chemische verwerking.

Door zeer grootschalige -opslagsystemen voor gesmolten zout-thermische energie te gebruiken, kunnen CSP's dit doel bereiken door, indien nodig, in realtime processtoom en/of oververhitte lucht te leveren voor industriële toepassingen. De grote capaciteiten van deze gesmolten-zout-thermische-energieopslagsystemen bieden ook een zeer kosten-effectief alternatief voor elektrochemische batterijen, aangezien de kosten minder dan $35 per kilowatt-uur (kWh) bruikbare thermische-energieopslag bedragen.

Er zijn aanvullende methoden om de energie van de zon te benutten, waaronder de productie van waterstof op zonne-energie en geconcentreerde zonne-energie (CSP). De energie van de zon wordt via fotovoltaïsche (PV) elektrolyse en fotokatalytische systemen omgezet in chemische brandstof (waterstof), die voor onbepaalde tijd kan worden opgeslagen. Waterstof kan worden gebruikt voor transport, industrie en elektriciteitsopwekking. Als alternatief gebruikt CSP zonlicht om warmte te genereren. CSP zet die thermische energie vervolgens om in elektriciteit voor verzendbare (ordelijke) levering.

Er zijn snelle ontwikkelingen in beide technologieën gaande. Een grotere efficiëntie van de conversie van zonne-energie- naar- waterstof is het gevolg van verbeterde materialen en systeemintegratie; CSP blijft aandringen op hogere bedrijfstemperaturen en lagere kosten. Gecombineerd zorgen PV-elektrolyse en CSP voor een wereld op zonne-energie- waarin de zon niet alleen energie levert waar dat nodig is, maar ook een gemakkelijk-opgeslagen vorm van brandstof produceert om energie te leveren in de- daluren gedurende de dag.

De aarde ontvangt een enorme hoeveelheid energie van de zon. Dit komt ruwweg overeen met het feit dat er elke seconde 173 biljoen watt (1 biljoen=1.000.000.000.000) op de aarde terechtkomt. De uitdagingen en kansen voor ingenieurs omvatten onder meer het vinden van manieren om meerdere modi te gebruiken om dit enorme aanbod aan energie uit de zon op te vangen.