Специалисты Fraunhofer разработали компактные электростанции для зеленого водорода

Водород, полученный с помощью энергии солнца, может в будущем в значительной степени заменить ископаемое топливо, способствуя снижению выбросов углерода. В исследовательском проекте Neo-PEC специалисты Fraunhofer разработали тандемный модуль, который является самодостаточным и надежным для производства зеленого водорода, полученного с помощью солнечной энергии.

Водород является ключевой отправной точкой в преобразовании промышленных процессов для снижения воздействия на климат. Однако топливо, которое сгорает без выделения CO2, также должно производиться без какого-либо углеродного следа, если это вообще возможно. Одним из классических процессов для этого является электролиз, в котором электричество используется для расщепления воды на водород и кислород. Если электричество, необходимое для электролиза, поступает из возобновляемых источников, таких как солнечные батареи, результатом является зеленый водород. 

Недостатком является то, что электролизеры, необходимые для этого процесса, обычно представляют собой большие, очень сложные системы. Это дорогостоящее и требующее большого обслуживания оборудование также сейчас становится все более дефицитным, особенно на фоне текущих изменений в глобальной климатической политике.

Генерация солнечного водорода

Прямое использование солнечной энергии для расщепления воды с использованием, так называемого фотоэлектрохимического элемента (PEC) предлагает захватывающую альтернативу. В совместном исследовательском проекте Neo-PEC исследователи из трех институтов Fraunhofer объединились, чтобы разработать модульное решение, которое обеспечивает высокогибкую генерацию водорода и снабжение его солнечной энергией.

Центральным элементом этой разработки Fraunhofer является тандемный модуль PEC. Он похож на свой традиционный фотоэлектрический аналог, но с одним важным отличием: электричество не вырабатывается для целей последующего электролиза в другом месте. Весь процесс происходит в одном и том же блоке. Необходимо соблюдать осторожность: поскольку в результате процесса образуются водород и кислород, структура должна быть спроектирована так, чтобы поддерживать строгое разделение между двумя элементами во время генерации и после нее.

Для производства тандемной ячейки специалисты покрывают стандартное коммерчески доступное флоат-стекло или листовое стекло полупроводниковыми материалами с обеих сторон. Когда солнечный свет попадает на стекло, одна сторона модуля поглощает коротковолновый свет. В то же время длинноволновый свет проходит через верхний слой стекла и поглощается на обратной стороне. Модуль выделяет водород на обратной или катодной стороне и кислород на верхней стороне, которая является анодной стороной.

За три года проекта ученые Fraunhofer исследовали и разработали высокочистые полупроводниковые материалы, которые они наносят с помощью ультрамягких методов нанесения покрытий. Это позволяет значительно увеличить выход водорода.

«Мы используем паровую фазу для формирования слоев толщиной всего в несколько нанометров на стекле. Структуры, созданные в процессе, оказывают огромное влияние на активность реактора, в дополнение к фактическим свойствам материала, которые мы также оптимизировали», — объясняет доктор Арно Гёрне, руководитель группы функциональных материалов для гибридных микросистем в Институте керамических технологий и систем Fraunhofer IKTS. Фотоэлектрические элементы, соединенные в модуле, снабжают систему дополнительным напряжением — турбо, который ускоряет активность, дополнительно повышая эффективность.

Безопасность и практичность в квадрате

В результате получается реактор с активной поверхностью в половину квадратного метра. Отделенный от кислорода, он генерирует водород, который можно улавливать и количественно определять напрямую. Прямо сейчас один модуль, подвергающийся воздействию солнечного света в европейских условиях, может генерировать более 30 килограммов водорода в год на площади 100 квадратных метров. С таким выходом водородный автомобиль мог бы проехать, например, от 15 000 до 20 000 километров.

«С точки зрения размеров тандемной ячейки мы ограничены тем фактом, что наш модуль разделяет воду напрямую, но для этого также необходимо, чтобы электричество попадало с одной стороны на другую. По мере увеличения площади модуля растущее сопротивление оказывает неблагоприятное воздействие на систему. При текущем положении дел существующий формат оказался оптимальным. Он стабилен, надежен и значительно больше любого сопоставимого решения», — отмечает Герне. Компактные элементы можно подключать по мере необходимости без каких-либо негативных побочных эффектов, от одного модуля до больших площадей — существенное преимущество для решения Fraunhofer.

Объединение экспертных знаний

Проект, который теперь завершен, также является успешным примером межведомственного сотрудничества и объединения дополнительных знаний Fraunhofer. Fraunhofer IKTS исследовал материалы и обработку для фотоактивного слоя. Коллеги из Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films IST поделились своим опытом использования физического осаждения из паровой фазы для покрытия больших площадей. Проектирование реактора, недорогое и надежное производство и последующая оценка модулей были в руках экспертов Fraunhofer Center for Silicon Photovoltaics CSP.

Партнеры проекта уже провели многочисленные полевые испытания, продемонстрировав стабильную и бесперебойную работу как модуля, так и взаимосвязей. Но это не конец для команд Fraunhofer, которые впервые представили свой реактор на выставке Achema 2024 во Франкфурте в июне, поскольку они давно начали планировать свои следующие шаги. Во-первых, они планируют продолжить успешное межинститутское сотрудничество в следующем проекте, а во-вторых, они намерены и дальше развивать свое решение в различных направлениях в сотрудничестве с частным сектором — для прямой, безопасной и эффективной децентрализованной генерации и поставки водорода.

Источник