Гориво на бъдещето: Водород от вода чрез слънчевата светлина

Използвайки само слънчева светлина и фотокатализатори, реактор с площ 100 кв. м. успява да произвежда безвъглероден водород в продължение на 3 години, демонстрирайки потенциала на концепцията. Подходът все още е значително по-неефективен от по-разпространения метод, при който фотоволтаичните панели първо превръщат слънчевата светлина в електричество, но на теория този директен вариант би могъл да доведе до по-нататъшно намаляване на производствените разходи.

Водородът е най-чистото гориво – при изгаряне или реакция в горивна клетка той произвежда само вода. Вече използваме огромни количества водород, например за производството на торове и метанол. По-голямата част от тях обаче се произвеждат с изкопаеми горива (т.нар. „сив водород“), при което се отделя въглероден диоксид.

Зеленият водород обаче не замърсява околната среда, като вместо това разчита на слънчева или вятърна енергия за разделяне на водните молекули на съставните им елементи. Макар и малък, този сектор се развива бързо, но в преобладаващата си част има междинен етап, в който се преобразува електричество. Професор Такаши Хисатоми и професор Казунари Домен от университета Шиншу смятат, че можем да постигнем по-добри резултати, като прескочим този етап, и успяват да демонстрират тази възможност, макар и все още не на практика.

„Задвижваното от слънчевата светлина разделяне на водата с помощта на фотокатализатори е идеална технология за преобразуване и съхранение на слънчева в химическа енергия, а последните разработки в областта на фотокаталитичните материали и системи пораждат надежди за нейното осъществяване“, казва Домен в изявление.

Както подсказва името, фотокатализаторите стимулират химичните реакции чрез светлина. Въпреки че има много реакции, при които това може да бъде полезно, разграждането на водата на водород и кислород е мястото, където се крие най-значителният потенциал за промяна на света.

Екипът, ръководен от Хисатоми и Домен, построява прототип на реактор с площ 100 м², използвайки листове от фотокатализатора SrTiO₃:Al.

Нито една трансформация на енергия не е 100% ефективна и всеки допълнителен етап понижава тавана на максималната ефективност. Например най-ефективните слънчеви клетки в света едвам реализират 30% от енергията на слънчевата светлина в електричество, а тези в масово производство едва надхвърлят 20%. Когато електроенергията се прилага към водата, отново се появява неефективност, особено ако се използват евтини катализатори на никелова основа вместо такива от благородни метали. В момента се работи усилено по подобряването на този процес, но дори и всеки етап да е с 30% ефективност, водородното гориво в крайна сметка ще получава само 9% от енергията на Слънцето.

Ако подходящите фотокатализатори имат ефективност от 10%, това би означавало повече водород за същото количество слънчева светлина. Което вероятно ще позволи на зеления водород най-накрая да се конкурира със сивия продукт по отношение на цената.

За съжаление, в момента това не е възможно. Лабораторните изследвания на директното преобразуване, които използват симулирана слънчева светлина, показват жалко ниска ефективност. Нормално е всяко нововъведение да претърпи още по-големи загуби, когато бъде пренесено в реалния свят, но в този случай конструкторите са приятно изненадани.

„В нашата система ефективността на преобразуване на слънчевата енергия беше около един и половина пъти по-висока при естествена слънчева светлина“, казва Хисатоми. Това е следствие от факта, че световният стандарт за симулиране на слънчева светлина се основава на условия на по-високи географски ширини от тези в Токио, където се намира тестовият реактор. Реакторите в тропиците, където слънчевата светлина има още по-силен ултравиолетов компонент, би трябвало да се справят още по-добре.

Въпреки това работата все още не е достигнала необходимото ниво. „В момента ефективността при симулирана стандартна слънчева светлина е в най-добрия случай 1%, а при естествена няма да достигне 5%“, казва Хисатоми.

Ниската ефективност не само повишава разходите: неефективните реактори заемат и много място, тъй като има нужда повечко светлина да пада върху тях.

По-големите реактори подобряват донякъде ефективността, но истинският напредък зависи от намирането на по-ефективни фотокатализатори. Работата в тази област започна с титаниев диоксид, който е често срещан, но неефективен, а сега се фокусира върху много по-сложни катализатори като RhCrOx/SrTiO₃:Al.

Други въпроси, които трябва да бъдат решени, се отнасят до разделянето на водата, като например предотвратяването на рекомбинацията на водорода и кислорода, понякога експлозивна, преди да бъдат безопасно съхранени поотделно.

Хисатоми и Домен твърдят, че за да се постигне това, е необходим глобален стандарт като този за ефективността на слънчевите клетки, с последователни правила за безопасност и ефективност.

Понастоящем има много голяма разлика в цената на водорода, произведен по този начин, и на замърсяващия вариант. Ако се появят обаче по-добри фотокатализатори, Домен казва: „Много изследователи ще работят сериозно върху създаването на технология за масово производство и процеси за отделяне на газ, както и върху изграждането на мащабни инсталации. Това ще промени и начина, по който много хора, включително политиците, мислят за преобразуването на слънчевата енергия, и ще ускори развитието на инфраструктурата, законите и разпоредбите, свързани със слънчевите горива.“

Някои се надяват, че добивът на природен водород, за който наскоро бе установено, че е много по-разпространен, отколкото се смяташе досега, ще ни спаси, но практическата приложимост на широко разпространения добив почти не е проучена.