Улучшение производства водорода с генерацией гибридных солнечных электростанций
Австралийские ученые продемонстрировали два метода уменьшения потерь, которые могут повысить эффективность преобразования солнечной энергии в водород (STH) и могут заложить основу для более дешевого производства водорода на основе генерации солнечных электростанций. Объединив эти два метода, они смогли достичь эффективности STH около 19,4% при реалистичных рабочих температурах.
Исследователи из Австралийского национального университета (АНУ) определили количественные потери в схеме работы солнечных электростанций для производства водорода на основе фотоэлектрических модулей и предложили ряд методов уменьшения потерь для повышения эффективности преобразования солнечной энергии в водородную (STH).
В исследовании «Количественная оценка и сравнение механизмов фундаментальных потерь с эффективностью преобразования солнечной энергии в гидроген выше 20% при использовании перовскит-кремниевых тандемных абсорберов», опубликованном в журнале «Advanced Energy & Sustainability Research», ученые определили эффективность STH как решающий фактор, который необходимо улучшить, чтобы снизить общие затраты на производство водорода на основе фотоэлектрических модулей. «Министерство энергетики США установило цель в 20% эффективности STH к 2020 году и конечную цель в 25%, чтобы обеспечить экономическую жизнеспособность производства зеленого водорода на основе фотоэлектрических модулей для крупномасштабного производства водорода», — уточнили они, добавив, что текущий уровень эффективности варьируется от 10 до 15%.
Более высокая эффективность STH, около 18%, уже достигнута на экспериментальном уровне, по данным австралийской группы, с использованием перовскит-кремниевых тандемных фотоэлектрических модулей. «Однако, несмотря на хороший прогресс, необходимы дальнейшие успехи для достижения эффективности STH выше 20% при использовании недорогих материалов», — поясняется далее.
Понимание различных механизмов потерь, влияющих на преобразование STH, все еще проблематично, продолжили исследователи ANU, а применяемые в настоящее время методы снижения потерь увеличивают стоимость и сложность производства водорода на основе гибридных солнечных электростанций.
Две наиболее значительные потери, выявленные учеными, связаны с потерей тепла в фотоэлектрическом модуле, а также с требованиями по соответствию тока и напряжения между фотоэлектрическим модулем и генерацией водорода электролизерами. Для смягчения первой из них они предложили методику тепловой интеграции, позволяющую повысить температуру электролита и улучшить динамику реакции расщепления воды, а для второй — использовать блок управления электропитанием для отделения фотоэлектрической установки от реакции.
Была разработана зависящая от температуры модель идеальной системы для оценки величины потерь и эффекта предлагаемых методов смягчения последствий. Согласно их измерениям, стандартная система без снижения потерь продемонстрировала эффективность STH на уровне 17,5%. Однако с повышением температуры эффективность снизилась до 10,9%, и только путем применения метода тепловой интеграции ученые смогли поднять ее до 13,4%.
С помощью блока управления электропитанием они также смогли увеличить его еще больше — до 20,3% при комнатной температуре и до 17,9% при высокой рабочей температуре без какой-либо тепловой интеграции. «Сочетание двух различных техник механизма компенсации потерь дает максимальное улучшение, в результате чего эффективность STH составляет 19.4% при реалистичных рабочих температурах 343 К для термически интегрированной развязанной системы», — пояснили в исследовательской группе.
Эксперимент подтвердил, что использование этих двух методов усложняет и удешевляет производство водорода на основе гибридных солнечных электростанций . «Мы избежали подробного технико-экономического обоснования для сравнения рассматриваемых здесь систем из-за сложности оценки стоимости новых технологий и потери обобщения», — заключили исследователи. «Тем не менее, будет важно понять экономику различных методов снижения потерь для коммерческих систем».