Nowy materiał opracowany w Linköping umożliwia rozdzielanie wody wyłącznie za pomocą światła słonecznego, zbliżając się do progu 10% wydajności.
- Nowa technologia bardziej wydajnej produkcji wodoru
- Trójwarstwowy materiał: krzem, kobalt i katalizator
- Osiem razy większa wydajność niż w przypadku poprzednich technologii
- Zielony wodór napędzany bezpośrednim światłem słonecznym
- Prawdziwa alternatywa dla transportu ciężkiego i lotnictwa.
Nowy materiał do rozdzielania wody za pomocą światła słonecznego
Produkcja zielonego wodoru z wody i energii słonecznej robi krok naprzód dzięki nowemu materiałowi opracowanemu przez zespół naukowców z Uniwersytetu w Linköping w Szwecji. Dzięki trójwarstwowej strukturze udało im się ośmiokrotnie zwiększyć wydajność fotokatalizy wody, co może przyspieszyć przejście na model energetyczny bez emisji.
Prace, kierowane przez profesora Jianwu Sun i opublikowane w Journal of the American Chemical Society, koncentrują się na poprawie zdolności niektórych materiałów do wychwytywania światła słonecznego i wykorzystywania tej energii do rozdzielania cząsteczek wody na wodór (H₂) i tlen (O₂). Proces ten, znany jako fotokataliza, może stanowić czysty i zrównoważony sposób produkcji wodoru bez konieczności stosowania paliw kopalnych.
Dlaczego to osiągnięcie jest ważne?
W związku z zaplanowanym na 2035 r. wycofaniem z rynku nowych samochodów z silnikami benzynowymi i wysokoprężnymi w Unii Europejskiej, transport lądowy zmierza w kierunku elektryfikacji. Jednak sektory takie jak lotnictwo, transport morski czy transport dalekobieżny ciężarówek będą miały trudności z funkcjonowaniem wyłącznie na zasilaniu akumulatorowym ze względu na ograniczoną masę i zasięg.
W takich przypadkach zielony wodór wydaje się realnym rozwiązaniem. Nie emituje CO₂ podczas użytkowania i może być przechowywany w postaci ciekłej lub gazowej, co zapewnia odpowiednią gęstość energii dla pojazdów ciężarowych. Jednak do tej pory jego produkcja była kosztowna i uzależniona od zewnętrznej energii odnawialnej, co ograniczało jego ekonomiczną opłacalność.
Sercem przełomu jest trójwarstwowa struktura
Nowy materiał łączy kubiczny węglik krzemu (3C-SiC), znany ze swojej zdolności do pochłaniania światła słonecznego, z tlenkiem kobaltu (Co₃O₄) i powłoką z wodorotlenku niklu (Ni(OH)₂), która działa jako katalizator. Kluczem jest sposób, w jaki warstwy te współpracują ze sobą, aby:
- Poprawić absorpcję widma słonecznego.
- Skuteczne oddzielanie ładunków elektrycznych generowanych przez światło (zapobiegając ich rekombinacji).
- Ułatwienie reakcji chemicznej rozkładającej wodę.
Ta synergia pozwala na ośmiokrotny wzrost wydajności w porównaniu z samym węglowodorem krzemu, co stanowi znaczący postęp w dziedzinie, w której postępy są zazwyczaj stopniowe.
Bliższa przyszłość dla wodoru słonecznego
Obecnie większość wodoru produkowanego na świecie to wodór szary, pozyskiwany z gazu ziemnego w procesie emitującym duże ilości dwutlenku węgla. Tylko niewielka część to wodór zielony, wytwarzany z energii odnawialnej. Jednak nawet ta ekologiczna opcja wymaga infrastruktury elektrycznej i może być kosztowna lub ograniczona dostępnością energii w czasie rzeczywistym.
Innowacyjność podejścia Jianwu Sun i jego zespołu polega na całkowitej rezygnacji z sieci elektrycznej: proces działałby wyłącznie przy bezpośrednim nasłonecznieniu. Jeśli uda się osiągnąć cel 10% wydajności, uznawany za minimalny standard dla industrializacji, otworzy to drogę do autonomicznych instalacji do produkcji wodoru, nawet w odległych lub słonecznych regionach bez dostępu do złożonej infrastruktury energetycznej.
Obecnie wydajność podobnych materiałów wynosi około 1% do 3%, więc wyzwanie jest techniczne, ale możliwe do osiągnięcia. Naukowcy szacują, że w ciągu pięciu do dziesięciu lat mogą mieć gotową wersję do testów na większą skalę.
Przykłady i rzeczywiste implikacje
Pionierskie projekty, takie jak HyDeal España, który planuje produkcję zielonego wodoru na dużą skalę z energii słonecznej na południu kraju, czy korytarz zielonego wodoru w północnej Europie, pokazują, że infrastruktura do wykorzystania tego rodzaju wodoru zaczyna już nabierać kształtu. Jednak bez takich postępów w dziedzinie materiałów koszty pozostają przeszkodą.
Ponadto możliwość tworzenia systemów produkcji na miejscu przy użyciu energii słonecznej pozwoliłaby społecznościom wiejskim lub wyspom wytwarzać własne paliwo bez konieczności uzależniania się od dostaw paliw kopalnych lub kosztownych sieci elektrycznych.
Potencjał
Ten nowy materiał i towarzysząca mu technologia mogą stać się kluczowym elementem globalnej dekarbonizacji, jeśli uda się zwiększyć jego wykorzystanie. Niektóre realistyczne zastosowania obejmują:
- Zaopatrzenie w energię flot ciężkich (ciężarówek, statków, pociągów) bez emisji.
- Rozwój lokalnych stacji wodorowych w obszarach o wysokim nasłonecznieniu, takich jak region Morza Śródziemnego, Sahel czy Ameryka Łacińska.
- Zdecentralizowana produkcja zrównoważonych paliw dla lotnictwa, takich jak syntetyczny nafta na bazie zielonego wodoru.
- Drastyczne ograniczenie emisji w przemyśle chemicznym i stalowym, sektorach trudnych do elektryfikacji.
- Energetyczna niezależność społeczności o słabej infrastrukturze elektrycznej, ale dużym potencjale słonecznym.
Podsumowując, badania zespołu z Linköping stanowią nie tylko postęp naukowy, ale także otwierają drzwi do nowego paradygmatu energetycznego, w którym światło słoneczne może zasilać całe gałęzie przemysłu bez pozostawiania śladu węglowego.