שני הדרכים של השמש לכוח: הבנת ייצור מימן סולארי ואנרגיה סולארית מרוכזת

בעוד שרוב האנשים חושבים על חשמל סולארי כמו באמצעות פאנלים פוטו-וולטאיים באמצעות אור שמש לאנרגיה; יש הרבה יותר דרכים שבהן אתה יכול להפיק ערך דרך השמש מאשר רק פאנלים פוטו-וולטאיים. לדוגמה, אתה יכול לנצל את השמש כדי לייצר דלק מימן נקי ולייצר כוח שימושי בקנה מידה- באמצעות חום. ישנן כמה טכנולוגיות חדשות ומרגשות שדוחפות את המעטפת באנרגיה סולארית: מימן ממקורות אנרגיה סולארית ואנרגיה סולארית מרוכזת (CSP).

מימן ידוע בתור "הדלק של המחר" מכמה סיבות. למימן יש כ-142 MJ/kg תכולת אנרגיה, ואם אתה משתמש במימן בתא דלק, הפליטות היחידות שנוצרות הן על ידי מים. עם זאת, הפקת כמויות גדולות של דלק המימן בצורה נקייה, היא עדיין אתגר גדול להפקת מימן. אחת הדרכים לפתור את הבעיה היא להשתמש באור השמש כדי לפצל מים כאמצעי לייצור מימן, לתהליך זה יש אפס פליטת גזי חממה.

ישנם שלושה סוגים עיקריים של ייצור מימן מאנרגיה סולארית הנמצאים כיום ברמות בגרות שונות:

הטכנולוגיה הראשונה (הבוגרת ביותר) משתמשת בלוחות פוטו-וולטאיים (PV) בשילוב עם אלקטרוליזרים. אלקטרוליזרים הם מכשירים חשמליים שלוקחים חשמל וממירים מים למימן וחמצן באמצעות העברת חום וחום. מערכות PV הן המפותחות והזמינות ביותר; מערכות PV הן מאוד מודולריות ואמינות; כאשר PV ואלקטרוליזר מחוברים ללא כל התקני המרת הספק, יעילות ההמרה STH של המערכת כולה התקרבה לגבול התיאורטי.

מחקרים מראים שמערכות PV מרוכזות עולות משמעותית על המערכות הקונבנציונליות. באמצעות תאי InGaP/GaAs/Ge תחת ריכוז של 750 שמשות, מדענים השיגו יעילות STH של 18-21% עם קצבי ייצור של 0.8-1.0 ליטר מימן לדקה למ"ר של שטח מודול. מודולי סיליקון קונבנציונליים תחת שמש אחת, לשם השוואה, השיגו רק כ-9.4% יעילות STH עם קצבי ייצור בסביבות 0.3 L/min·m². זה מייצג יתרון ביצועים של פי 1.5 עד 3 עבור מערכות מרוכזות.

לאלקטרוליזה מים יש טווח שימוש יעיל בין 70-80%, מה שהופך את האפשרות הזו לאטרקטיבית יותר כאשר בוחנים מחירי חשמל עתידיים מתחדשים. האתגר הגדול היחיד כרגע הוא המחיר הגבוה של אלקטרוליזרים וחוסר הניבוי של קרינת השמש, וכתוצאה מכך יש צורך בשילוב זהיר במערכת.

מערכות פוטו-אלקטרוכימיות (PEC) משתמשות בגישה משולבת יותר משיטות קודמות לאלקטרוליזה של מים על ידי ייצור תחילה אנרגיה חשמלית ולאחר מכן ניצול אנרגיה זו להפקת מימן ממים. PECs משתמשים בחומרים מוליכים למחצה השקועים במים, המסוגלים לספוג אור מהשמש ולהמיר אותו ישירות לאגירת אנרגיה כימית בצורת מימן באמצעות אלקטרוליזה של מים. זה מתרחש כאשר אור פוגע במוליך למחצה ויוצר זוגות של אלקטרונים/חורים. האלקטרונים במנגנון המוליכים למחצה מפחיתים פרוטונים ליצירת מימן; החורים שנוצרו יחמצנו את מולקולות המים המייצרות חמצן.

PECs נחקרו לראשונה לפני כ-50 שנה על ידי Shinichiro Fujishima והונדה כאשר הם גילו שאלקטרודת טיטניום דו-חמצני (TiO2) יכולה לפצל H2O ל-H2 ו-O2 כשהיא מחוברת עם קתודה/סגסוגת פלטינה ומוארת באור UV. (זה מה שמכונה "אפקט הונדה-פוג'ישימה")

נכון לעכשיו, למערכות PEC יש עיצוב אטרקטיבי וקומפקטי עם יכולת להשיג המרת שמש-ל-מימן ישירה באמצעות מנגנון פשוט ואלגנטי. למרות תכונות העיצוב החיוביות הללו, טכנולוגיית PEC עדיין בחיתוליה היחסית וחייבת להתגבר על כמה אתגרים משמעותיים לפני שמסחור יכול להתרחש, כגון יעילות נמוכה בהמרת השמש-ל-מימן, השפלה של חומרים המשמשים ליצירת תאי PEC ויכולת מדרגיות של ביצועים. לפיכך, מתבצע מחקר מתמשך על חומרים מתקדמים ופוטואלקטרודות בעלות ננו-מבנה שנועדו לטפל בבעיות אלו.

אחת הדרכים היותר יצירתיות לעשות זאת היא להשתמש בחומרים מוליכים למחצה בגודל ננומטרי (הנקראים גם נקודות קוונטיות) המפוזרים במדיום מימי כפוטו-זרזים. עם הארה באור השמש הם מייצרים אלקטרונים (וחורים) שיכולים לנדוד לממשק החלקיק וליזום את חצי תגובות החמצון וההפחתה המתאימות המכונה התפתחות מימן והתפתחות חמצן בהתאמה.

מערכת הפוטו-קטליזטור של חלקיקים בודדים, או מערכת עירור אחד-ת אחת, דורשת שפער הפס של המוליך למחצה יעבור הן את פוטנציאל התפתחות המימן והן את פוטנציאל התפתחות החמצן. ישנה גם מערכת פוטו-זרז דו-- חלקית או תצורת פוטו-קטליזטור מסוג "Z-" שבה שני פוטו-זרזים שונים קשורים זה לזה על ידי מתווך כימי (כלומר זוג חיזור) כך שפיצול מים מתרחש בשני שלבים או חצי תגובות נפרדים. זה מוריד משמעותית את האנרגיה הדרושה לכל תגובה, תוך ניצול של מגוון גדול יותר של אור נראה.

פריצות דרך אחרונות מדגימות את הפוטנציאל של גישה זו. צוות מחקר סיני בראשות ליו גאנג במכון לחקר מתכות שיפר את הטיטניום דו חמצני -חומר הפוטו-קטליטי המפתח-על ידי הוספת סקנדיום באמצעות "עיצוב מחדש מבני" ו"החלפת אלמנטים". יוני הסקנדיום משתלבים בצורה חלקה בסריג החומר, מסירים "אזורי מלכודת" שבדרך כלל תופסים אלקטרונים, ומעצבים מחדש את פני הגביש ליצירת "כבישים מהירים אלקטרוניים" המנחים את נושאי המטען ביעילות.

החומר המשופר משתמש ביותר מ-30% מאור אולטרה סגול ומשיג קצב ייצור מימן תחת אור שמש מדומה גבוה פי 15 מאשר גרסאות קודמות. לפי צוות המחקר, פאנל פוטו-קטליטי של -מטר מרובע- אחד יכול לייצר בסביבות 10 ליטר מימן ביום תחת אור השמש.

בעוד שפוטו-קטליזה של חלקיקים נשארת במעבדה, הפוטנציאל שלה לפריסה-בקנה מידה גדול הוא משכנע. פוטוזרזים בצורת אבקה הם פשוטים יותר לטיפול ונוחים יותר להתפשטות על פני שטחים גדולים תוך שימוש בתהליכים שעלולים להיות זולים בהשוואה למערכות PV-אלקטרוליזה או PEC.

כוח שמש מרוכז (CSP) נוקט בגישה שונה מהותית לרתימת השמש. במקום להמיר אור ישירות לחשמל, CSP משתמש במראות כדי לרכז את אור השמש, לייצר חום בטמפרטורה- גבוהה ולאחר מכן להניע טורבינות קונבנציונליות לייצור חשמל.

הרעיון הבסיסי מאוד פשוט. הליוסטטים, או סידורי מראות, עוקבים אחר המסלול היומיומי של השמש ומשקפים את קרני השמש לאספן הממוקם בראש מגדל. ריכוז זה של אור השמש משמש לחימום נוזל עבודה לטמפרטורות גבוהות מאוד, וברגע הפקת החום, נעשה שימוש בנוזל העבודה המחומם לייצור קיטור שיסובב טורבינה המניעה את הגנרטור.

היכולת לשלב אחסון אנרגיה תרמית במערכת CSP היא מה שעושה CSP לערך כזה. את החום שנוצר בתהליך ריכוז קרני השמש ניתן ללכוד ולאגור במשך שעות, כלומר ייצור חשמל ממערכת ה-CSP יכול להתרחש זמן רב לאחר השקיעה. ההיבט הניתן לשיגור של CSP-כלומר, כאשר אתה צריך חשמל אתה יכול לייצר אותו-הוא מה שמבדיל את ה-CSP ממערכות PV סולאריות, שמפסיקות לייצר חשמל כשהן מתחילות להענן מעל או בלילה.

הטכנולוגיה שנמצאת בחלק העליון של הפירמידה כיום (Gemasolar בספרד, Crescent Dunes בנבאדה ונור III) מציגה מלח מותך נוזלי המשמש לא רק להעברת חום, אלא גם לאגירת אנרגיה. כל שלוש המערכות הוכיחו בהצלחה את היכולת לפעול ברציפות במשך 24 שעות שלמות תוך שמירה על יותר מ-15 שעות של אחסון אנרגיה עם מלחים מותכים נוזליים בלבד.

תוכנית האנרגיה הסולארית המרוכזת 3 (CSP Gen3) של משרד האנרגיה האמריקני תקדם טכנולוגיה זו מעבר למערכות ה-CSP הקיימות ברמה המסחרית. אחת מגישות התכנון שנבדקות במסגרת תוכנית CSP Gen3 היא מערכת "Liquid Pathway", המשתמשת בכלורידים נוזליים בעלות נמוכה יחסית כאחסון אנרגיה, ובמקלט נתרן נוזלי ב-740oC בקירוב כדי להעביר חום למחזור הכוח העל קריטי של פחמן דו חמצני (sCO2). כל מחזור הכוח sCO2 יפעל ביעילות גבוהה יותר גם ממחזורי קיטור מסורתיים מסוג Rankine.

זה מייצג התקדמות משמעותית מהמפעלים הנוכחיים, שפועלים בדרך כלל בסביבות 565 מעלות באמצעות מלחי חנקה. טמפרטורות הפעלה גבוהות יותר מאפשרות יעילות רבה יותר ומורידות את עלות האנרגיה המפולסת-היעד Gen3 הוא מתחת ל-$60 למגה וואט-שעה.

מערכת מלח מותך בשני-מכלים מאפשרת למפעילים להזרים מלח דרך מקלטים סולאריים לטעינה (חימום המיכל ה"חם") ולאחר מכן דרך מחליפי חום כדי ליצור קיטור כאשר יש צורך בפריקה. היעילות התרמית של האחסון עצמו היא גבוהה-אוגרת חום במיכלים מבודדים עולה על 90% יעילות עבור מחזורים יומיים.

עם זאת, היעילות- הלוך ושוב עבור אחסון חשמל עומדת בפני מגבלה בסיסית. המרת חום חזרה לחשמל באמצעות טורבינות קיטור משיגה בדרך כלל יעילות תרמית של 35-42% בלבד. אפילו טורבינות CO2 סופר-קריטיות מתקדמות נאבקות להגיע ל-50%. לשם השוואה, סוללות ליתיום- חורגות בדרך כלל מ-85% מהיעילות הלוך ושוב.

עונש היעילות הזה אומר ש-CSP מתאים ביותר ליישומים שבהם ערך האחסון התרמי-משך זמן ארוך, עלות נמוכה לכל קילוואט-שעת אחסון והיכולת לספק יצירה סינכרונית-עולה על הפסדי ההמרה. עבור אחסון בקנה מידה רשת שנמשך 6-12 שעות, הכלכלה עדיין יכולה לעבוד.

הפיתוח של מקורות אנרגיה מתחדשים לייצור חשמל, התרומה של CSP להפחתת הפחמן של תהליכים תעשייתיים ויצירת אחסון תרמי אפשרו ל-CSP לספק שירותים מעבר לחשמל בלבד. תהליכים תעשייתיים רבים דורשים אספקה ​​מתמשכת, לפי דרישה, של קיטור או חום ישיר בטווח טמפרטורות של 300 עד 550 מעלות צלזיוס, הכוללת תהליכים כגון ייצור נייר, זיקוק נפט ועיבוד כימי.

על ידי שימוש במערכות אחסון אנרגיה תרמית של מלח מותך בקנה מידה גדול מאוד, CSPs יכולים להשיג מטרה זו על ידי אספקת קיטור תהליך ו/או אוויר חום-על ליישומים תעשייתיים כנדרש בזמן אמת-. הקיבולת הגדולה של מערכות אחסון אנרגיה תרמית מותכת מלח-מציעות גם אלטרנטיבה-יעילה מאוד לסוללות אלקטרוכימיות, בעלות של פחות מ-$35 לקילווואט-שעה (kWh) של אחסון אנרגיה תרמית שמישה.

ישנן שיטות משלימות לניצול אנרגיית השמש, כולל הפקת מימן סולארי ואנרגיה סולארית מרוכזת (CSP). אנרגיית השמש מומרת לדלק כימי (מימן) באמצעות אלקטרוליזה פוטו-וולטאית (PV) ומערכות פוטו-קטליטיות שניתן לאחסן ללא הגבלת זמן. מימן יכול לשמש לתחבורה, תעשייה וייצור חשמל. לחלופין, CSP משתמש באור השמש כדי ליצור חום. לאחר מכן, CSP ממיר את האנרגיה התרמית הזו לחשמל לצורך משלוח (מסודר).

התקדמות מהירה בשתי הטכנולוגיות מתרחשת. יעילות מוגברת של המרת שמש-ל-מימן נובעת משיפור חומרים ושילוב מערכות; CSP ממשיך לדחוף לטמפרטורות עבודה גבוהות יותר ועלויות נמוכות יותר. בשילוב, אלקטרוליזה PV ו-CSP מאפשרים עולם-מופעל באמצעות שמש שבו לא רק שהשמש מספקת אנרגיה במידת הצורך, אלא גם מייצרת-צורת דלק מאוחסנת בקלות כדי לספק אנרגיה בתקופות-שפל לאורך היום.

כדור הארץ מקבל אספקה ​​מסיבית של אנרגיה מהשמש. זה בערך המקביל ל-173 טריליון וואט (טריליון=1,000,000,000,000) שפוגעים בכדור הארץ בכל שנייה. האתגרים וההזדמנויות של מהנדסים כוללים מציאת דרכים להשתמש במספר מצבים כדי ללכוד את אספקת האנרגיה העצומה הזו מהשמש.