Urządzenie do wytwarzania wodoru z wody przy użyciu światła słonecznego tworzą naukowcy z Turcji, Rumunii i Polski. Zamiast klasycznego zestawu, łączącego panele słoneczne i elektrolizer, powstanie jedno, zintegrowane rozwiązanie, które posłuży jako mobilna minielektrownia. Projekt zdobył finansowanie z sieci M-ERA.NET.
Koncepcja zakłada połączenie ogniwa fotoelektrochemicznego (PEC) z baterią cynkowo-jonową ładowaną światłem (photo-ZIB). Dzięki temu powstanie urządzenie całkowicie samowystarczalne energetycznie. Ten cel wymaga opracowania nowych, niedrogich i jednocześnie bardzo trwałych materiałów elektrodowych. Badacze chcą wykorzystać łatwo dostępne pierwiastki, takie jak cynk, miedź czy cyna, zamiast rzadkich i toksycznych, np. platyny czy kadmu, a także cermikę. Planują również stworzenie nowej membrany polimerowej (BPS), która poprawi czystość i wydajność procesu produkcji wodoru.
Ostatecznym celem jest skonstruowanie kompaktowego, taniego i przyjaznego dla środowiska urządzenia o docelowej sprawności konwersji energii słonecznej na wodór (STH) powyżej 25 proc. Taka technologia może w przyszłości stać się realną alternatywą dla tradycyjnych systemów PV–elektrolizer.
W projekcie biorą udział naukowcy z Polski, Turcji i Rumunii. Inicjatywa wyszła z Centrum NanoBioMedycznego Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. Zespół Materiałów Funkcjonalnych kierowany przez prof. Igora Iatsunskiego od wielu lat współpracuje z prof. Nurdan Demirci Sankir z Uniwersytetu Ekonomicznego i Technologicznego TOBB w Turcji, ekspertką specjalizującą się w fotowoltaice. Zakres tej współpracy obejmuje badania nad materiałami do fotoelektrochemicznego rozszczepiania wody oraz rozwojem tzw. fotosuperkondensatorów. W ramach obecnego projektu PECZIB powstanie urządzenie do wytwarzania wodoru z wody przy użyciu światła słonecznego.
Obecnie energia do produkcji wodoru pochodzi głównie z systemów fotowoltaicznych połączonych z elektrolizerami – relacjonuje dr Mykola Pavlenko z UAM. – Nasza strategia zakłada bardziej zintegrowane podejście: zaprojektowane fotoelektrody będą jednocześnie pochłaniać światło i generować fotoprąd, który zasila reakcję rozszczepienia wody prowadzącą do wydzielania wodoru. Dzięki temu możliwe będzie stworzenie bardziej kompaktowego i efektywnego systemu – wyjaśnia.
Projekt PECZIB wpisuje się w cele zielonej gospodarki Unii Europejskiej i dekarbonizacji do 2050 r. Obecnie uważa się, że paliwem przyszłości jest wodór – pierwiastek, który może odegrać kluczową rolę w ograniczaniu emisji dwutlenku węgla. Można go wytwarzać bez użycia paliw kopalnych, rozdzielając wodę na tlen i wodór za pomocą elektrolizera. Aby jednak produkcja była naprawdę ekologiczna, potrzebna energia powinna pochodzić ze źródeł odnawialnych.
Dlatego właśnie baterie photo-ZIB będą ładowane bezpośrednio energią słoneczną. Do ich produkcji naukowcy użyją nowoczesnych materiałów, takich jak MOF, dwutlenek manganu i MAXene, które zwiększają wydajność i zapobiegają problemom, np. tworzeniu się dendrytów (wyrostków metalicznych wywołujących spięcia w bateriach). Badacze chcą też użyć ogniw fotowoltaicznych wykorzystujących nie tylko światło UV (fale o długości ok. 400 nm), ale również światło widzialne (400-800 nm) oraz częściowo światło podczerwone – IR (powyżej 1000 nm). Około 50 proc. energii promieniowania słonecznego przypada na zakres bliskiej podczerwieni (700-2500 nm), z czego 30–35 proc. znajduje się powyżej 1000 nm. Dzięki poszerzeniu zakresu absorpcji urządzenie będzie mogło pracować efektywnie także przy niższym nasłonecznieniu.
Jeśli uda się osiągnąć gęstość fotoprądu rzędu 25–30 mlA na 1 cm kw., to przy elektrodach o powierzchni liczonej w metrach kwadratowych będzie można zbudować wyjątkowo wydajne i efektywne urządzenie – tłumaczą naukowcy zaangażowani w projekt.
Badacze z Turcji wyprodukowali już warstwy i struktury całej fotoelektrody, natomiast zespół z Poznania zajmuje się badaniem jej właściwości fotoelektronicznych. Z kolei znajdujące się w Rumunii urządzenia do pomiarów rezonansu paramagnetycznego elektronów (EPR/ESR) pozwolą na analizę defektów oraz badanie właściwości struktury krystalicznej warstw.
Efekty projektu mają być praktyczne. Celem jest opatentowanie technologii, którą będzie można wykorzystać w gospodarce do produkcji modułów wytwarzających wodór. Projekt PECZIB znajduje się obecnie na wczesnym etapie rozwoju technologii (TRL 2), a konsorcjanci chcą doprowadzić do poziomu laboratoryjnego prototypu (TRL 4–5), co oznacza przejście od koncepcji do działającego układu możliwego do dalszego skalowania. Już trzy firmy z Turcji i Polski są zainteresowane tym rozwiązaniem. Technologia ma być gotowa do współpracy z przemysłem.
Rezultaty projektu mogą zostać wykorzystane do opracowania modułów wodorowych, które mogą służyć jako mobilne elektrownie, np. w gospodarstwach rolnych, które trudno jest podłączyć do sieci energetycznej, lub w miejscach, gdzie istnieje ryzyko przerw w dostawie prądu spowodowanych katastrofami naturalnymi lub działaniami wojennymi. To idealne rozwiązanie także dla nowoczesnych systemów magazynowania energii – przekonuje dr Mykola Pavlenko.
Największą zaletą systemu modułowego jest jego mobilność i stabilność. Takie źródła energii można rozmieścić w dowolnej lokalizacji, dzięki czemu cały system jest znacznie bardziej odporny na awarie. W tradycyjnym modelu, opartym na dużych elektrowniach, awaria jednego obiektu powoduje paraliż całej sieci. Natomiast w modelu rozproszonym podobne uszkodzenie nie zakłóci pracy systemu.
Dodatkowym atutem jest czas – podczas gdy budowa dużej elektrowni trwa kilka lat, instalacja lub wymiana modułów może być zrealizowana w znacznie krótszym czasie, liczonym w tygodniach. System modułowy pozwala elastycznie dostosowywać źródła energii do potrzeb lokalnych społeczności, a ewentualne niedobory mogą być uzupełniane poprzez integrację z innymi modułami. Wodór wyprodukowany w ten sposób może zasilać pojazdy, ogniwa paliwowe, przemysł chemiczny i hutniczy. Photo-ZIB może być używany również w elektronice użytkowej, czujnikach, medycynie i systemach internetu rzeczy.
Projekt zdobył finansowanie z M-ERA.NET, europejskiej sieci finansowania badań i innowacji w obszarze nauki o materiałach i inżynierii materiałowej.
Ewa Konarzewska-Michalak, źródło: UAM