Przełom w dziedzinie paliw słonecznych zwiastunem nowej ery przemysłowej
Nasza oparta na paliwach kopalnych gospodarka nie jest zrównoważona. Energia i substancje chemiczne wytwarzane podczas spalania ropy naftowej i węgla każdego roku uwalniają miliardy ton dwutlenku węgla (CO2) do atmosfery, potęgując zmianę klimatu. Aby przejść na gospodarkę opartą na obiegu zamkniętym i zasadach zrównoważonego rozwoju, koniecznie musimy opracować alternatywne technologie umożliwiające wykorzystywanie odnawialnych źródeł energii. Muszą one jednak być nie tylko przyjazne dla środowiska, ale także dobrze funkcjonować w skali przemysłowej i być opłacalne. Jednym z obiecujących obszarów badań jest wytwarzanie paliwa słonecznego / związków chemicznych, które opiera się na wykorzystaniu sztucznego lub naturalnego światła w celu przemiany cząsteczek, takich jak CO2, w wysokoenergetyczne związki chemiczne. Wdrożenie tej technologii w skali przemysłowej mogłoby uniezależnić nas od paliw kopalnych i umożliwić przekształcanie CO2 w użyteczny surowiec.
Poszukiwanie opłacalnych prototypów
Finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych projekt PEC_Flow opierał się na poprzedniej inicjatywie nazwanej HybridSolarFuels, w ramach której opracowano fotoelektrody przekształcające CO2 w substancje chemiczne, takie jak kwas mrówkowy, tlenek węgla, metanol i etanol. Zespół projektu PEC_Flow postanowił rozszerzyć te badania. Naukowcy chcieli opracować najbardziej wydajne technologicznie i opłacalne ogniwa fotoelektrod zdolne do nieprzerwanego wytwarzania substancji chemicznych. Powodzenie tego przedsięwzięcia mogłoby wytyczyć kierunek kluczowych obszarów badań. „W tym celu porównaliśmy różne rodzaje ogniw fotoelektrochemicznych”, wyjaśnia Csaba Janáky, koordynator projektu PEC_Flow z Uniwersytetu w Segedynie na Węgrzech. „Chcieliśmy dokonać ich oceny nie tylko z perspektywy technologicznej i naukowej, ale także gospodarczej”. Janáky i jego zespół rozpoczęli pracę od gromadzenia danych i analizy różnych typów ogniw. Po dokładnym badaniu spośród czterech różnych konfiguracji ogniw wybrano dwa, a następnie przeprowadzono szeroko zakrojoną analizę technologiczno-ekonomiczną. Zbadano takie kwestie jak potencjał rynkowy i inwestycyjny. „Ostatecznie została jedna konfiguracja”, mówi Janáky. „W tym prototypie ogniwo słoneczne zostało odłączone od części elektrolizera. Według naszych ustaleń to rozwiązanie może być dużo bardziej konkurencyjne ekonomicznie niż rozwiązanie zintegrowane, biorąc pod uwagę obecny stan technologii”.
Procesy przemysłowe przyszłości
Wyniki uzyskane przez zespół PEC_Flow sugerują zatem, że obecnie najbardziej wykonalny plan rozwoju zasilanych energią słoneczną technologii konwersji CO2 na skalę przemysłową opiera się na odłączeniu ogniwa fotowoltaicznego od elektrolizera. Co jednak równie ważne, projekt pomógł w rozpoznaniu luk w wiedzy i technologii, które należy wypełnić, jeśli chcemy kiedyś opracować wydajne zintegrowane ogniwa fotochemiczne. „To ważne, ponieważ przez następne kilkadziesiąt lat będziemy potrzebować wielu równoległych technologii wykorzystywania CO2”, zauważa Janáky. Wiele sektorów może sporo skorzystać na rozwoju technologii paliw słonecznych. Na przykład przemysł chemiczny, który generuje dużo emisji, mógłby wykorzystywać systemy fotoelektrochemiczne, by wychwytywać CO2 i konwertować go na użyteczne produkty. Teraz zespół projektowy będzie pracował nad podejściem opartym na odłączeniu ogniwa fotowoltaicznego od elektrolizera, w co zaangażują się także partnerzy przemysłowi, oraz stopniowo przygotowywał rozwiązanie do wprowadzenia na rynek. „Wymaga to zbudowania małoskalowego prototypu, który mógłby być dalej skalowany”, dodaje Janáky. W dalszym ciągu prowadzone będą również podstawowe badania nad usunięciem naukowych i technologicznych przeszkód w rozwoju zintegrowanych ogniw fotoelektrochemicznych.
Słowa kluczowe
PEC_Flow, słoneczne, paliwo, CO2, gaz cieplarniany, paliwa kopalne, energia, środki chemiczne, zrównoważony charakter