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
auto

Napfényből hidrogént? Így működik egy hidrogénpanel

energia
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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.

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

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

A hidrogénről további, sokkal bővebb információk találhatóak az alábbi oldalunkon.

Hidrogén

Kép: solhyd.org

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.