Környezetvédelem

Napelemmel állítják elő a jövő olcsó hidrogénjét

Közvetlen szolár hidrogén előállítási technológia, amely 24,3%-os hatékonyságú tandem perovszkit-szilícium napelem cellával működik.

Ingyen napelem! 100%-os EU-s támogatással. Kalkuláljon itt ingyenesen (x)

Az ausztrál tudósok által kidolgozott, bemutatott rendszerről állítják, hogy 20%-os hatékonyságú a szolár hidrogénné alakításánál, és a hidrogén fajlagos költsége (levelized cost of energy, LCOE) kilogrammonként 4,10 USD. A közvetlen szolár hidrogén előállítási technológia olyan tandem perovszkit-szilícium napelem cellával működik, amelynek páratlanul magas üresjárati feszültsége eléri az 1271 V-t, míg energiaátalakítási hatékonysága a 24,3%-ot. Ausztrália Nemzeti Egyetemhez és az Új Dél-Wales-i Egyetemhez (UNSW) tartozó kutatókból álló csoport új technológiát dolgozott ki a közvetlen szolár hidrogén előállítás (direct solar hydrogen generation, DSTH), amely a beszámolók szerint 20% körüli szolár-hidrogén hatékonysággal működik, írta az mnnsz.hu. A DSTH projekteknél a fotovoltaikus egység által megtermelt elektromos áramot használják fel közvetlenül a vízbontás redoxireakciójához, elektrolizáló berendezés vagy bonyolult áram infrastruktúra nélkül. Azonban a kereskedelmi hasznosíthatóság elérése még igen távoli a 19% körüli hatékonyságok ellenére is, a drága félvezetők és a nemesfém katalizátorok miatt. „A bemutatást szolgáló projektünknél olcsó félvezetőket használtunk, és alacsony költségű nikkelalapú katalizátorokat, hogy bemutassuk az ipari léptékben rejlő hatalmas potenciált” – tájékoztatta Siva Karuturi kutató a pv magazine-t.

„A tandem perovszkit-szilícium napelem cellák kereskedelmi forgalomba hozásáért folyó munka mellett a nagyüzemi vízbontó cellákkal végzett munka folytatása készítheti elő az utat az ipari termelés számára.” Az ausztrál csoport által kidolgozott integrált vízbontó cella „virágszár” alakú, és a tervek szerint hidrogénfejlesztési reakció (hydrogen evolution reaction, HER) lesz az alapja, nikkel-molibdén elektróda mellett, amely nem nemesfém alapú, hatékony katalizátora a hidrogénfejlesztési reakciónak, hidrogén megkötésére alkalmas energiájának és kiváló lúggal szembeni korróziós tulajdonságának köszönhetően. Ezt az elektródát oxigénfejlesztési reakcióra alkalmas, alacsony költségű nikkel-vas (NiFe) ötvözetből készült elektródával társítják, amely cserébe kiválóan alkalmas az oxigénfejlesztés katalizálására.

A közvetlen szolár hidrogén előállítási rendszereket (DSTH) rendszerint két vagy több különálló fotovoltaikus cellával építik meg, mivel a víz bontás reakciója viszonylag magas feszültséget igényel. Ezzel szemben a bemutatott rendszert egyetlen, 24,3%-os hatékonyságú tandem perovszkit-szilícium napelem cellával valósították meg, amelynek energiaátalakítási hatékonysága 15,3%, üresjárati feszültsége „példátlan” , 1271 V, zárlati áramsűrűsége 17,8 mA/cm-2, míg töltési tényezője 68%. „A munkánk során kapott magas feszültség döntő jelentőségűnek bizonyult a tandencella által előállított áram és a katalizáló elektródák számára a víz bontásához szükséges energia optimális illesztésében, így keletkezett a kiemelkedő szolár-hidrogén hatékonyság” – magyarázta Karuturi.

A perovszkit-réteg felületét n-dodecil-ammónium-bromid (C12H28BrN) néven ismert szerves kationnal passziválták, amelyben hosszú alkil lánc található. A tandem cellát vezetékes csatlakozás segítségével kapcsolták összes a cella katalizáló elektródjaival. A tudósok szerint elemzésük azt támasztotta alá, hogy a javasolt rendszer elérheti a 20%-os szolár-hidrogén hatékonyságot kilogrammonként 4,10 USD fajlagos költség (levelized cost of energy, LCOE) mellett. „Kizárólag a perovszkitcella fejlesztése emelheti a szolár-hidrogén hatékonyságot (STH efficiency) 25% közelébe” – vonták le a következtetést. „A fotovoltaikus panelek és membránok költségeinek jövőbeli csökkenésével együtt elérhetővé válik a 2,30 USD/kg-1 fajlagos költség, amely figyelemre méltó lehetőséget kínál az olcsó megújuló hidrogén megvalósítására.

A kutatás megállapításai a Közvetlen szolár hidrogén előállítás 20%-os hatékonysággal alacsony költségű anyagok felhasználásával (Direct Solar Hydrogen Generation at 20% Efficiency Using Low-Cost Materials) címen olvashatók az Advanced Energy Materials folyóirat nemrégiben megjelent kiadásában. „A DSTH technológia gyakorlatban megvalósíthatóvá tétele érdekében az elengedhetetlen lépések a következők: reaktor optimalizálás a H2 gáz előállításához költséghatékony nagyságrendben, és a technológiát eljuttatni a piacra lépéshez szükséges technológiai készültség fokára” – vonta le a következtetést Karuturi.