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
auto
2024. 06. 13. csütörtök

Napfényből hidrogént? Így működik egy hidrogénpanel

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

A világ évente megközelítőleg 75 millió tonna hidrogént használ fel, amelynek a 99%-a fosszilis energiából származik. Rengeteg hidrogénre van tehát szükségünk már azelőtt is, hogy az energiatárolás egyáltalán szóba kerülne, és szeretnénk, ha ez a mennyiség fenntartható forrásokból származna.

A zöld hidrogén előállításának legismertebb, és ma még szinte egyeduralkodónak számító formája az elektrolízis, amikor is megújuló energiából származó áram segítségével vizet bontunk. A megújuló energia lehet például napenergia, ám a nap fényével más módokon is készíthetünk hidrogént ipari mennyiségben. A következőkben ezekről az alternatívákról fogunk egy rövid áttekintést adni az amerikai Energiaügyi Minisztérium által készített tájékoztató segítségével.

A fotobiológiai módszer

A fotolitikus biológiai rendszerekben a mikroorganizmusok – például a zöld mikroalgák vagy a cianobaktériumok – napfény segítségével oxigén- és hidrogénionokra bontják a vizet. A hidrogénionok közvetlen vagy közvetett úton egyesülhetnek, és hidrogéngázként szabadulhatnak fel. Ennek a módszernek a kihívásai közé tartozik a hidrogéntermelés alacsony sebessége, valamint az a tény, hogy a víz bontása során oxigén is keletkezik, amely gyorsan gátolja a hidrogéntermelő reakciót, és bizonyos koncentrációkban a hidrogénnel keveredve biztonsági problémát jelenthet. A kutatók olyan módszerek kifejlesztésén dolgoznak, amelyek lehetővé teszik, hogy a mikrobák hosszabb ideig termeljenek hidrogént, és növeljék a termelés sebességét.

Egyes fotoszintetikus mikrobák a napfényt használják a szerves anyagok lebontására, hidrogént szabadítva fel. Ezt nevezik fotofermentatív hidrogéntermelésnek. Ennek a folyamatnak a legnagyobb kihívásai közé tartozik a nagyon alacsony hidrogéntermelési sebesség és az alacsony napenergia-hidrogén hatásfok, ami miatt ez a megoldás jelenleg kereskedelmi szempontból nem életképes a hidrogén előállítására.

A kutatók azt vizsgálják, hogyan lehetne a mikrobákat jobbá tenni az energia gyűjtésében és felhasználásában, hogy több energia álljon rendelkezésre a hidrogéntermeléshez, és hogyan lehetne megváltoztatni a mikrobák szokásos biológiai folyamatait a hidrogéntermelés sebességének növelése érdekében.

Termokémiai vízbontás

A termokémiai vízbontási folyamatok magas hőmérsékletet (500-2000°C) használnak fel egy sor kémiai reakció elindítására, amelyek során hidrogén keletkezik. A folyamat során felhasznált vegyi anyagokat minden egyes ciklusban újra felhasználják, így egy zárt körfolyamat jön létre, amely csak vizet fogyaszt, és hidrogént, illetve oxigént termel. A vízbontáshoz szükséges magas hőmérsékletet a napfény koncentrálásával állítják elő, de egyébként a nukleáris energiával történő hidrogéngyártás is ezt a módszert alkalmazza.

A hidrogén előállítására számos különböző termokémiai vízbontó ciklus ismert, amelyek mindegyike különböző működési feltételekkel, műszaki kihívásokkal és hidrogéntermelési lehetőségekkel rendelkezik. A szakirodalomban több mint 300 különböző metódust írnak le.

A termokémiai vízbontó ciklusok két példáját, a „közvetlen” kétlépcsős cérium-oxid termikus ciklust, és a „hibrid” réz-klorid ciklust az alábbi ábra szemlélteti. A közvetlen ciklusok jellemzően kevésbé bonyolultak, kevesebb lépést tartalmaznak, de a bonyolultabb hibrid ciklusokhoz képest magasabb üzemi hőmérsékletet igényelnek.

Kép: energy.gov

A kereskedelmi szempontból is életképes termokémiai ciklusok és reaktorok kutatása, fejlesztése és demonstrációja azonban továbbra is kihívást jelent:

  • Javítani kell a termokémiai ciklusokban használt reaktánsanyagok hatékonyságát és tartósságát.
  • Hatékony és robusztus reaktorkonstrukciókat kell kifejleszteni, amelyek kompatibilisek a magas hőmérsékletekkel és a hőciklusokkal.
  • A termokémiai napkollektoros rendszerek esetében csökkenteni kell a koncentráló tükörrendszerek költségeit.

A koncentrált napenergia-technológiákkal és az újonnan megjelenő napenergiás üzemanyag-előállítási technológiákkal való szinergiák kihasználása azonban komoly lehetőségekkel kecsegteti a kutatókat. A termokémiai vízbontás előnye, hogy a napfénynek olyan spektrumait is képes hasznosítani, amit a fotovoltaikus panelek nem.

Fotoelektrokémiai és fotokatalitikus vízbontás

A FEK eljárás során félvezető anyagokat használnak a vízmolekulák bontására. Ezek a félvezető anyagok hasonlóak a fotovoltaikus napelemekben használtakhoz, de a FEK alkalmazásokban vízalapú elektrolitba vannak merítve. A félvezető fotoelektródában a fény hatására elektron-lyuk párok keletkeznek, ezeket a töltéshordozókat azonban nem áram formájában „nyerik ki” a rendszerből (mint egy napelemnél), hanem redukciós és oxidációs kémiai reakciókat hajtanak végre.

A fotokatalitikus vízbontás is hasonló elven működik, de itt nanoméretű fotoaktív részecskéket alkalmaznak, amelyek az elektrolittal együtt egy iszapszerű elegyet alkotnak.

Mindkét megközelítésnek megvannak a maga előnyei és kihívásai, de az elmondható, hogy a panelrendszereket vizsgálták a legszélesebb körben, a bevált fotovoltaikus paneltechnológiákkal való hasonlóság miatt.

A következő ábra a FEK-reaktor lehetséges tervezési sémáit mutatja. Az a)-val jelölt rész egy síkágyas, illetve egy csöves reaktort (amely koncentrálja is a napfényt egy elektródára) mutat be, míg a b) egy műanyag „zacskóval” fedett, kétágyas részecskés reaktort ábrázol.

Kép: energy.gov

A piaci életképességhez a hatékonyság, a tartósság és a költségek folyamatos javítására van szükség. A FEK anyagok, eszközök és rendszerek fejlesztése azonban jelentős előrehaladást ért el az elmúlt években, így a közeljövőben számos megoldás piacra lépése várható.

A fotoelektrokémiai vízbontás előnye, hogy hatékonyabb és potenciálisan olcsóbb megoldás lehet az elektrolízishez képest.

Ez még nagy durranás lehet: érkezik a hidrogént termelő napelem

Kép: solhyd.org

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

dr. Papp László (Sol Invictus)

Technológiai elemző, és a Villanyautosok.hu csapatának megújuló energiákkal, energiatárolással, illetve piaci trendekkel foglalkozó szakértője. Célja, hogy minél többek számára tegye egyértelművé, hogy a fenntartható jövő gazdaságilag is a legracionálisabb választás.