Güneşin Güce Giden İki Yolu: Güneş Hidrojen Üretimini ve Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisini Anlamak

Çoğu kişi güneş elektriğini enerji için güneş ışığını kullanan fotovoltaik paneller aracılığıyla düşünürken; Güneşten değer elde etmenin fotovoltaik panellerden çok daha fazla yolu var. Örneğin, temiz hidrojen yakıtı üretmek ve ısı yoluyla fayda-ölçekli güç üretmek için güneşten yararlanabilirsiniz. Güneş enerjisinin sınırlarını zorlayan birkaç heyecan verici yeni teknoloji var: Güneş enerjisi kaynaklarından elde edilen hidrojen ve yoğunlaştırılmış güneş enerjisi (CSP).

Hidrojen çeşitli nedenlerden dolayı “yarının yakıtı” olarak biliniyor. Hidrojenin yaklaşık 142 MJ/kg enerji içeriği vardır ve hidrojeni bir yakıt hücresinde kullanırsanız üretilen emisyonlar yalnızca sudan kaynaklanır. Bununla birlikte, büyük miktarlarda hidrojen yakıtını temiz bir şekilde üretmek, hidrojen üretimi için hala büyük bir zorluktur. Bu sorunu çözmenin bir yolu, hidrojen üretimi aracı olarak suyu ayrıştırmak için güneş ışığını kullanmaktır; bu işlem sıfır sera gazı emisyonuna sahiptir.

Şu anda farklı olgunluk seviyelerinde olan güneş enerjisinden hidrojen üretiminin üç ana türü vardır:

İlk teknoloji (en olgun olanı), elektrolizörlerle birleştirilmiş fotovoltaik (PV) panelleri kullanır. Elektrolizörler, ısı ve ısı transferini kullanarak elektriği alıp suyu hidrojen ve oksijene dönüştüren elektrikli cihazlardır. PV sistemleri en gelişmiş ve kolaylıkla bulunabilen sistemlerdir; PV sistemleri oldukça modüler ve güvenilirdir; PV ve elektrolizör herhangi bir güç dönüştürme cihazı olmadan bağlandığında, tüm sistemin STH dönüşüm verimliliği teorik sınıra yaklaşmıştır.

Araştırmalar, konsantre PV sistemlerinin geleneksel olanlardan önemli ölçüde daha iyi performans gösterdiğini gösteriyor. Bilim insanları, 750 güneş konsantrasyonu altında InGaP/GaAs/Ge hücrelerini kullanarak, modül alanının metrekaresi başına dakikada 0,8-1,0 litre hidrojen üretim oranlarıyla %18-21 STH verimliliği elde etti. Karşılaştırıldığında, tek güneş altındaki geleneksel silikon modüller, 0,3 L/dak·m² civarındaki üretim hızlarıyla yalnızca %9,4 civarında STH verimliliği elde etti. Bu, konsantre sistemler için 1,5 ila 3 kat performans avantajını temsil eder.

Su elektrolizinin %70-80 arasında etkili bir kullanım aralığına sahip olması, gelecekteki yenilenebilir elektrik fiyatları dikkate alındığında bu seçeneği daha cazip hale getirmektedir. Şu andaki tek büyük zorluk, elektrolizörlerin yüksek fiyatı ve güneş ışınımının öngörülemezliğidir; bu da sisteme dikkatli entegrasyon ihtiyacını doğurur.

Fotoelektrokimyasal (PEC) sistemler, önce elektrik enerjisi üreterek ve daha sonra bu enerjiyi sudan hidrojen üretmek için kullanarak suyun elektrolizi için önceki yöntemlerden daha entegre bir yaklaşım kullanır. PEC'ler, güneşten gelen ışığı emebilen ve suyun elektrolizi yoluyla doğrudan kimyasal olarak hidrojen formunda enerji depolamak için dönüştürebilen, suya batırılmış yarı iletken malzemeleri kullanır. Bu, ışık yarı iletkene çarparak elektron/delik çiftleri oluşturduğunda meydana gelir. Yarı iletken mekanizmadaki elektronlar protonları indirgeyerek hidrojen oluşturur; Açılan delikler oksijen üreten su moleküllerini oksitleyecektir.

PEC'ler ilk olarak yaklaşık 50 yıl önce Shinichiro Fujishima ve Honda tarafından, bir titanyum dioksit (TiO2) elektrodunun, bir platin katot/alaşımı ile birleştirildiğinde ve UV ışığıyla aydınlatıldığında H2O'yu H2 ve O2'ye ayırabildiğini bulduklarında araştırıldı. (Buna "Honda-Fujishima etkisi" denir)

Şu anda PEC sistemleri, basit ve zarif bir mekanizma aracılığıyla doğrudan güneş enerjisinden-hidrojene-dönüşümü gerçekleştirme yeteneğine sahip, çekici ve kompakt bir tasarıma sahiptir. Bu olumlu tasarım özelliklerine rağmen, PEC teknolojisi henüz başlangıç ​​aşamasındadır ve ticarileşmenin gerçekleşmesinden önce, güneş enerjisinin-hidrojene- dönüşümünde düşük verimlilik, PEC hücrelerini oluşturmak için kullanılan malzemelerin bozulması ve performansın ölçeklenebilirliği gibi bazı önemli zorlukların üstesinden gelmesi gerekmektedir. Bu nedenle, bu sorunları çözmek için tasarlanan gelişmiş malzemeler ve nanoyapılı fotoelektrotlar üzerinde devam eden araştırmalar yürütülmektedir.

Bunu yapmanın daha yaratıcı yollarından biri, fotokatalizör olarak sulu bir ortamda dağılmış nano ölçekli boyutlu yarı iletken malzemeleri (kuantum noktaları olarak da bilinir) kullanmaktır. Güneş ışığıyla aydınlatıldığında, parçacığın arayüzüne göç edebilen ve sırasıyla hidrojen gelişimi ve oksijen gelişimi olarak adlandırılan ilgili oksidasyon ve indirgeme yarı reaksiyonlarını başlatabilen elektronlar (ve delikler) üretirler.

Tek parçacıklı fotokatalizör sistemi veya tek-adımlı uyarma sistemi, yarı iletkenin bant aralığının hem hidrojen oluşum potansiyelini hem de oksijen oluşum potansiyelini aşmasını gerektirir. Ayrıca, iki-parçalı fotokatalist sistemi veya "Z-düzeni" fotokatalist konfigürasyonu da vardır; burada iki farklı fotokatalist, kimyasal bir aracı (yani redoks çifti) tarafından birbirine bağlanır, böylece su bölünmesi iki ayrı adımda veya yarım reaksiyonda gerçekleşir. Bu, her reaksiyon için gereken enerjiyi önemli ölçüde azaltırken, daha çeşitli görünür ışığın kullanılmasına olanak tanır.

Son gelişmeler bu yaklaşımın potansiyelini ortaya koyuyor. Metal Araştırma Enstitüsü'nden Liu Gang liderliğindeki Çinli bir araştırma ekibi, "yapısal yeniden şekillendirme" ve "element ikamesi" yoluyla skandiyum ekleyerek titanyum dioksiti-temel fotokatalitik malzemeyi- geliştirdi. Skandiyum iyonları, malzemenin kafesine düzgün bir şekilde yerleşiyor, normalde elektronları yakalayan "tuzak bölgelerini" ortadan kaldırıyor ve yük taşıyıcılarını verimli bir şekilde yönlendiren "elektronik otoyollar" oluşturmak için kristal yüzeyini yeniden şekillendiriyor.

Geliştirilmiş malzeme %30'dan fazla ultraviyole ışık kullanıyor ve simüle edilmiş güneş ışığı altında önceki versiyonlara göre 15 kat daha yüksek bir hidrojen üretim hızına ulaşıyor. Araştırma ekibine göre, bir{{3}metrekarelik-metrekarelik bir fotokatalitik panel, güneş ışığı altında günde yaklaşık 10 litre hidrojen üretebilir.

Parçacık fotokatalizi laboratuvarda kalsa da, büyük-ölçekli dağıtım potansiyeli ilgi çekicidir. Toz-formlu fotokatalizörlerin kullanımı daha basittir ve PV-elektrolizi veya PEC sistemleriyle karşılaştırıldığında potansiyel olarak ucuz işlemler kullanılarak geniş alanlara yayılmaya daha uygundur.

Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi (CSP), güneşten yararlanma konusunda temelde farklı bir yaklaşım benimsiyor. CSP, ışığı doğrudan elektriğe dönüştürmek yerine güneş ışığını yoğunlaştırmak, yüksek- sıcaklıkta ısı üretmek ve ardından elektrik üretmek için geleneksel türbinleri çalıştırmak için aynaları kullanır.

Temel kavram çok basittir. Heliostatlar veya ayna düzenlemeleri Güneş'in günlük seyrini takip eder ve Güneş ışınlarını bir kulenin tepesinde bulunan bir toplayıcıya yansıtır. Bu güneş ışığı konsantrasyonu, çalışma sıvısını çok yüksek sıcaklıklara ısıtmak için kullanılır ve ısı üretildiğinde, ısıtılan çalışma sıvısı, jeneratörü çalıştıran bir türbini döndürecek buharın üretiminde kullanılır.

CSP'yi bu kadar değerli kılan şey, termal enerji depolamasını bir CSP sistemine dahil edebilme yeteneğidir. Güneş ışınlarının yoğunlaştırılması işlemiyle üretilen ısı yakalanıp saatlerce saklanabiliyor; bu da CSP sisteminden elektrik üretiminin gün batımından çok sonra bile gerçekleşebileceği anlamına geliyor. CSP'nin dağıtılabilir yönü-yani elektriğe ihtiyaç duyduğunuzda onu üretebilmeniz-CSP'yi, bulutlanmaya başladığında veya geceleri elektrik üretmeyi bırakan PV güneş sistemlerinden ayıran şeydir.

Şu anda piramidin tepesinde bulunan teknoloji (İspanya'da Gemasolar, Nevada'da Crescent Dunes ve Noor III), sıvı erimiş tuzun yalnızca ısıyı aktarmak için değil, aynı zamanda enerji depolamak için de kullanılmasını içeriyor. Her üç sistem de, yalnızca sıvı erimiş tuzlarla 15 saatten fazla enerji depolamayı sürdürürken, tam 24 saat boyunca sürekli çalışma yeteneğini başarıyla gösterdi.

ABD Enerji Bakanlığı'nın Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi Üretimi 3 (CSP Gen3) programı, bu teknolojiyi mevcut ticari seviyedeki CSP sistemlerinin ötesine taşıyacaktır. CSP Gen3 programı kapsamında araştırılan tasarım yaklaşımlarından biri, enerji depolaması olarak nispeten düşük-maliyetli sıvı klorürleri ve ısıyı süperkritik karbon dioksit (sCO2) güç döngüsüne aktarmak için yaklaşık 740oC'de bir sıvı sodyum alıcısını kullanan "Sıvı Yol" sistemidir. Tüm sCO2 güç çevrimi, geleneksel buharlı Rankine tipi çevrimlerden daha yüksek bir verimlilikle çalışacaktır.

Bu, genellikle nitrat tuzları kullanarak yaklaşık 565 derecede çalışan mevcut tesislerden önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor. Daha yüksek çalışma sıcaklıkları daha fazla verimlilik sağlar ve enerjinin seviyelendirilmiş maliyetini düşürür-3. Nesil hedefi megawatt-saat başına 60 doların altındadır.

İki-tanklı erimiş tuz sistemi, operatörlerin tuzu şarj etmek ("sıcak" tankı ısıtmak) için güneş enerjisi alıcıları aracılığıyla ve ardından boşaltma gerektiğinde buhar üretmek için ısı eşanjörleri aracılığıyla dolaştırmasına olanak tanır. Depolamanın termal verimliliği yüksektir-ısıyı yalıtımlı tanklarda depolamak günlük döngüler için %90'ı aşan bir verimlilik sağlar.

Ancak elektrik depolamanın gidiş-dönüş verimliliği-temel bir sınırlamayla karşı karşıyadır. Buhar türbinleri aracılığıyla ısının tekrar elektriğe dönüştürülmesi genellikle yalnızca %35-42 termal verimlilik sağlar. Gelişmiş süperkritik CO2 türbinleri bile %50'yi aşmaya çabalıyor. Karşılaştırma yapmak gerekirse, lityum-iyon piller rutin olarak gidiş-dönüş verimliliğinin %85'ini aşar.

Bu verimlilik kaybı, CSP'nin, termal depolamanın değerinin-uzun olduğu, depolamanın kilowatt-saat başına düşük maliyetinin ve eşzamanlı üretim sağlama yeteneğinin-dönüşüm kayıplarından daha ağır bastığı uygulamalar için en uygun olduğu anlamına gelir. 6-12 saat süren şebeke-ölçekli depolama için ekonomi hâlâ işe yarayabilir.

Elektrik üretmek için yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesi, CSP'nin endüstriyel süreçlerin karbonsuzlaştırılmasına katkısı ve termal depolamanın yaratılması, CSP'lerin elektriğin ötesinde hizmetler sunmasına olanak tanıdı. Kağıt üretimi, petrol rafinerisi ve kimyasal işleme gibi süreçlerin de dahil olduğu pek çok endüstriyel süreç,-300 ila 550 santigrat derece sıcaklık aralığında sürekli, isteğe bağlı buhar veya doğrudan ısı tedariki gerektirir.

CSP'ler, çok büyük-ölçekli erimiş tuz termal enerji depolama sistemlerini kullanarak, endüstriyel uygulamalar için gerektiği gibi gerçek zamanlı olarak proses buharı ve/veya kızgın hava sağlayarak bu hedefe ulaşabilirler. Bu erimiş-tuzlu termal enerji depolama sistemlerinin büyük kapasiteleri, kullanılabilir termal enerji depolamanın kilovat-saati (kWh) başına 35 ABD Dolarından daha az bir maliyete sahip olup, elektrokimyasal pillere oldukça uygun maliyetli-etkin bir alternatif sunar.

Güneş enerjisinden yararlanmak için güneş enerjisi hidrojen üretimi ve konsantre güneş enerjisi (CSP) dahil olmak üzere tamamlayıcı yöntemler vardır. Güneş enerjisi, fotovoltaik (PV) elektroliz ve süresiz olarak depolanabilen fotokatalitik sistemler aracılığıyla kimyasal yakıta (hidrojen) dönüştürülür. Hidrojen ulaşımda, sanayide ve elektrik üretiminde kullanılabilir. Alternatif olarak CSP, ısı üretmek için güneş ışığını kullanır. CSP daha sonra bu termal enerjiyi dağıtılabilir (düzenli) teslimat için elektriğe dönüştürür.

Her iki teknolojide de hızlı gelişmeler yaşanıyor. Güneşin-hidrojene-dönüştürme verimliliğinin artması, iyileştirilmiş malzeme ve sistem entegrasyonundan kaynaklanmaktadır; CSP, daha yüksek çalışma sıcaklıkları ve daha düşük maliyetler için baskı yapmaya devam ediyor. PV elektrolizi ve CSP birleştirildiğinde, güneşin yalnızca gerektiğinde enerji sağlamakla kalmayıp, aynı zamanda gün boyunca-yoğun olmayan dönemlerde de enerji sağlamak için-kolayca depolanan bir yakıt biçimi ürettiği, güneş-enerjisiyle çalışan bir dünyaya izin verir.

Dünya güneşten büyük miktarda enerji alıyor. Bu, kabaca her saniyede dünyaya çarpan 173 trilyon watt'a (1 trilyon=1,000,000,000,000) eşdeğerdir. Mühendislerin karşılaştığı zorluklar ve fırsatlar arasında, güneşten gelen bu büyük enerji kaynağını yakalamak için birden fazla modu kullanmanın yollarını bulmak yer alıyor.