Поліпшення виробництва водню з генерацією гібридних сонячних електростанцій

Австралійські вчені продемонстрували два методи зменшення втрат, які можуть підвищити ефективність перетворення сонячної енергії в водень (STH) і можуть закласти основу для більш дешевого виробництва водню на основі генерації сонячних електростанцій. Об’єднавши ці два методи, вони змогли досягти ефективності STH близько 19,4% при реалістичних робочих температурах.

Дослідники з Австралійського національного університету (АНУ) визначили кількісні втрати в схемі роботи сонячних електростанцій для виробництва водню на основі фотоелектричних модулів і запропонували ряд методів зменшення втрат для підвищення ефективності перетворення сонячної енергії в водневу (STH).

У дослідженні “Кількісна оцінка і порівняння механізмів фундаментальних втрат з ефективністю перетворення сонячної енергії в гидроген вище 20% при використанні перовскит-кремнієвих тандемних абсорберов”, опублікованому в журналі “Advanced Energy & Sustainability Research”, вчені визначили ефективність STH як вирішальний фактор, який необхідно поліпшити, щоб знизити загальні витрати на виробництво водню на основі фотоелектричних модулів. “Міністерство енергетики США встановило мета в 20% ефективності STH до 2020 року і кінцеву мету в 25%, щоб забезпечити економічну життєздатність виробництва зеленого водню на основі фотоелектричних модулів для великомасштабного виробництва водню”, – уточнили вони, додавши, що поточний рівень ефективності варіюється від 10 до 15%.

Більш висока ефективність STH, близько 18%, вже досягнута на експериментальному рівні, за даними австралійської групи, з використанням перовскит-кремнієвих тандемних фотоелектричних модулів. “Однак, незважаючи на хороший прогрес, необхідні подальші успіхи для досягнення ефективності STH вище 20% при використанні недорогих матеріалів”, – пояснюється далі.

Розуміння різних механізмів втрат, що впливають на перетворення STH, все ще проблематично, продовжили дослідники ANU, а застосовувані в даний час методи зниження втрат збільшують вартість і складність виробництва водню на основі гібридних сонячних електростанцій.

Дві найбільш значні втрати, виявлені вченими, пов’язані з втратою тепла в фотоелектричному модулі, а також з вимогами щодо відповідності струму і напруги між фотоелектричним модулем і генерацією водню електролізерами. Для пом’якшення першої з них вони запропонували методику теплової інтеграції, що дозволяє підвищити температуру електроліту і поліпшити динаміку реакції розщеплення води, а для другої – використовувати блок управління електроживленням для відділення фотоелектричної установки від реакції.

Була розроблена залежить від температури модель ідеальної системи для оцінки величини втрат і ефекту пропонованих методів пом’якшення наслідків. Відповідно до їхніх вимірів, стандартна система без зниження втрат продемонструвала ефективність STH на рівні 17,5%. Однак з підвищенням температури ефективність знизилася до 10,9%, і тільки шляхом застосування методу теплової інтеграції вчені змогли підняти її до 13,4%.

За допомогою блоку управління електроживленням вони також змогли збільшити його ще більше – до 20,3% при кімнатній температурі і до 17,9% при високій робочій температурі без будь-якої теплової інтеграції. “Поєднання двох різних технік механізму компенсації втрат дає максимальне поліпшення, в результаті чого ефективність STH становить 19.4% при реалістичних робочих температурах 343 К для термічно інтегрованої розв’язаної системи”, – пояснили в дослідницькій групі.

Експеримент підтвердив, що використання цих двох методів ускладнює і здешевлює виробництво водню на основі гібридних сонячних електростанцій. “Ми уникли докладного техніко-економічного обґрунтування для порівняння розглянутих тут систем через складність оцінки вартості нових технологій і втрати узагальнення”, – уклали дослідники. “Тим не менш, буде важливо зрозуміти економіку різних методів зниження втрат для комерційних систем”.