Hai con đường dẫn đến năng lượng của Mặt trời: Tìm hiểu về sản xuất hydro mặt trời và năng lượng mặt trời tập trung

Trong khi hầu hết mọi người nghĩ về điện mặt trời thông qua các tấm quang điện sử dụng ánh sáng mặt trời để làm năng lượng; có nhiều cách khác để bạn có thể thu được giá trị thông qua mặt trời thay vì chỉ sử dụng các tấm quang điện. Ví dụ: bạn có thể tận dụng mặt trời để sản xuất nhiên liệu hydro sạch và tạo ra năng lượng-tiện ích thông qua nhiệt. Có một số công nghệ mới thú vị đang thúc đẩy năng lượng mặt trời: hydro từ các nguồn năng lượng mặt trời và năng lượng mặt trời tập trung (CSP).

Hydro được mệnh danh là "nhiên liệu của ngày mai" vì nhiều lý do. Hydro có hàm lượng năng lượng xấp xỉ 142 MJ/kg và nếu bạn sử dụng hydro trong pin nhiên liệu thì lượng khí thải duy nhất được tạo ra là do nước. Tuy nhiên, việc sản xuất một lượng lớn nhiên liệu hydro một cách sạch sẽ vẫn là một thách thức lớn đối với việc sản xuất hydro. Một cách để giải quyết vấn đề này là sử dụng ánh sáng mặt trời để tách nước làm phương tiện sản xuất hydro, quá trình này không phát thải khí nhà kính.

Có ba loại sản xuất hydro chính từ năng lượng mặt trời hiện đang ở các mức độ trưởng thành khác nhau:

Công nghệ đầu tiên (hoàn thiện nhất) sử dụng các tấm quang điện (PV) kết hợp với máy điện phân. Máy điện phân là thiết bị điện lấy điện và chuyển đổi nước thành hydro và oxy bằng cách sử dụng nhiệt và truyền nhiệt. Hệ thống PV được phát triển nhất và sẵn có; Hệ thống PV rất mô-đun và đáng tin cậy; khi PV và máy điện phân được kết nối mà không có bất kỳ thiết bị chuyển đổi điện nào, hiệu suất chuyển đổi STH của toàn bộ hệ thống đã đạt đến giới hạn lý thuyết.

Nghiên cứu cho thấy các hệ thống PV tập trung hoạt động tốt hơn đáng kể so với các hệ thống thông thường. Sử dụng tế bào InGaP/GaAs/Ge dưới nồng độ 750 mặt trời, các nhà khoa học đã đạt được hiệu suất STH là 18-21% với tốc độ sản xuất 0,8-1,0 lít hydro mỗi phút trên một mét vuông diện tích mô-đun. Khi so sánh, các mô-đun silicon thông thường dưới một mặt trời chỉ đạt hiệu suất khoảng 9,4% STH với tốc độ sản xuất khoảng 0,3 L/phút·m2. Điều này thể hiện lợi thế hiệu suất gấp 1,5 đến 3 lần đối với các hệ thống tập trung.

Điện phân nước có phạm vi sử dụng hiệu quả từ 70-80%, khiến phương án này trở nên hấp dẫn hơn khi xem xét giá điện tái tạo trong tương lai. Thách thức lớn duy nhất hiện nay là giá máy điện phân cao và tính khó dự đoán của bức xạ mặt trời, dẫn đến nhu cầu tích hợp cẩn thận vào hệ thống.

Các hệ thống quang điện hóa (PEC) sử dụng phương pháp tích hợp hơn các phương pháp điện phân nước trước đây bằng cách tạo ra năng lượng điện trước tiên và sau đó sử dụng năng lượng đó để tạo ra hydro từ nước. PEC sử dụng vật liệu bán dẫn chìm trong nước, có khả năng hấp thụ ánh sáng từ mặt trời và chuyển đổi trực tiếp để lưu trữ năng lượng hóa học dưới dạng hydro thông qua quá trình điện phân nước. Điều này xảy ra khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn tạo ra các cặp electron/lỗ trống. Các electron trong cơ chế bán dẫn khử proton để tạo thành hydro; các lỗ được tạo ra sẽ oxy hóa các phân tử nước tạo ra oxy.

PEC được Shinichiro Fujishima và Honda nghiên cứu lần đầu tiên cách đây khoảng 50 năm khi họ phát hiện ra rằng điện cực titan dioxide (TiO2) có thể phân tách H2O thành H2 và O2 khi kết hợp với cực âm/hợp kim bạch kim và được chiếu sáng bằng tia UV. (Đây là cái được gọi là "Honda-hiệu ứng Fujishima")

Hiện tại, hệ thống PEC có thiết kế nhỏ gọn, hấp dẫn với khả năng chuyển đổi trực tiếp năng lượng mặt trời-thành-hydro thông qua một cơ chế đơn giản và tinh tế. Bất chấp những đặc điểm thiết kế tích cực này, công nghệ PEC vẫn còn ở giai đoạn sơ khai và phải vượt qua một số thách thức đáng kể trước khi có thể thương mại hóa, chẳng hạn như hiệu suất thấp trong quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời-thành-hydro, sự xuống cấp của vật liệu dùng để tạo ra tế bào PEC và khả năng mở rộng hiệu suất. Do đó, nghiên cứu đang được tiến hành về các vật liệu tiên tiến và điện cực quang có cấu trúc nano được thiết kế để giải quyết những vấn đề này.

Một trong những cách sáng tạo hơn để thực hiện điều này là sử dụng vật liệu bán dẫn có kích thước nano (còn gọi là chấm lượng tử) phân tán trong môi trường nước làm chất xúc tác quang. Khi được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời, chúng tạo ra các electron (và lỗ trống) có thể di chuyển đến bề mặt phân cách của hạt và bắt đầu các phản ứng nửa oxy hóa và khử tương ứng được gọi là tiến hóa hydro và tiến hóa oxy tương ứng.

Hệ thống xúc tác quang hạt đơn hay hệ thống kích thích một{0}}bước yêu cầu dải năng lượng của chất bán dẫn nằm giữa thế năng tiến hóa hydro và thế năng tiến hóa oxy. Ngoài ra còn có hệ thống xúc tác quang hai phần-hoặc cấu hình quang xúc tác "sơ đồ Z-" trong đó hai chất xúc tác quang khác nhau được liên kết với nhau bằng chất trung gian hóa học (tức là cặp oxi hóa khử) để quá trình phân tách nước xảy ra theo hai bước riêng biệt hoặc một nửa phản ứng. Điều này làm giảm đáng kể năng lượng cần thiết cho mỗi phản ứng, đồng thời cho phép sử dụng nhiều loại ánh sáng khả kiến ​​hơn.

Những đột phá gần đây chứng minh tiềm năng của phương pháp này. Một nhóm nghiên cứu Trung Quốc do Liu Gang dẫn đầu tại Viện Nghiên cứu kim loại đã tăng cường titan dioxide-vật liệu xúc tác quang quan trọng-bằng cách thêm scandium thông qua "định hình lại cấu trúc" và "thay thế nguyên tố". Các ion scandium vừa khít với mạng tinh thể của vật liệu, loại bỏ các "vùng bẫy" thường bắt giữ các electron và định hình lại bề mặt tinh thể để tạo thành các "đường cao tốc điện tử" dẫn đường cho các hạt mang điện một cách hiệu quả.

Vật liệu cải tiến sử dụng hơn 30% ánh sáng cực tím và đạt tốc độ sản xuất hydro dưới ánh sáng mặt trời mô phỏng cao hơn 15 lần so với các phiên bản trước đó. Theo nhóm nghiên cứu, một tấm xúc tác quang rộng một-m2{4}}mét có thể tạo ra khoảng 10 lít hydro mỗi ngày dưới ánh sáng mặt trời.

Mặc dù phương pháp xúc tác quang dạng hạt vẫn còn trong phòng thí nghiệm nhưng tiềm năng triển khai trên quy mô lớn{0}}của nó là rất hấp dẫn. Chất xúc tác quang-dạng bột dễ xử lý hơn và dễ phân tán trên diện rộng hơn bằng cách sử dụng các quy trình có khả năng rẻ tiền so với hệ thống điện phân PV-hoặc PEC.

Năng lượng mặt trời tập trung (CSP) có cách tiếp cận khác về cơ bản để khai thác năng lượng mặt trời. Thay vì chuyển đổi ánh sáng trực tiếp thành điện năng, CSP sử dụng gương để tập trung ánh sáng mặt trời, tạo ra nhiệt-ở nhiệt độ cao rồi chạy các tua-bin thông thường để sản xuất điện.

Khái niệm cơ bản rất đơn giản. Heliostats, hay sự sắp xếp của các tấm gương, đi theo quỹ đạo hàng ngày của Mặt trời và phản chiếu các tia sáng của Mặt trời tới một bộ thu nằm trên đỉnh tháp. Sự tập trung ánh sáng mặt trời này được sử dụng để làm nóng chất lỏng làm việc đến nhiệt độ rất cao và khi nhiệt được tạo ra, chất lỏng làm việc được làm nóng sẽ được sử dụng để tạo ra hơi nước làm quay tuabin dẫn động máy phát điện.

Khả năng kết hợp bộ lưu trữ năng lượng nhiệt vào hệ thống CSP là điều khiến CSP có giá trị như vậy. Nhiệt sinh ra từ quá trình tập trung các tia Mặt trời có thể được thu giữ và lưu trữ trong nhiều giờ, nghĩa là việc sản xuất điện từ hệ thống CSP có thể diễn ra rất lâu sau khi mặt trời lặn. Khía cạnh có thể điều phối của CSP-tức là khi bạn cần điện, bạn có thể sản xuất ra nó-là điểm phân biệt CSP với các hệ thống năng lượng mặt trời PV, ngừng sản xuất điện khi trời bắt đầu có mây che phủ hoặc vào ban đêm.

Công nghệ được tìm thấy ở đỉnh kim tự tháp hiện nay (Gemasolar ở Tây Ban Nha, Crescent Dunes ở Nevada và Noor III) có muối nóng chảy lỏng không chỉ được sử dụng để truyền nhiệt mà còn lưu trữ năng lượng. Cả ba hệ thống đều đã thể hiện thành công khả năng hoạt động liên tục trọn vẹn 24 giờ trong khi duy trì hơn 15 giờ dự trữ năng lượng chỉ với muối nóng chảy lỏng.

Chương trình Phát điện Mặt trời Tập trung 3 (CSP Gen3) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ sẽ nâng cao công nghệ này vượt xa các hệ thống CSP cấp thương mại hiện có. Một trong những phương pháp thiết kế đang được khám phá trong chương trình CSP Gen3 là hệ thống "Con đường chất lỏng", sử dụng-clorua lỏng có chi phí tương đối thấp làm nơi lưu trữ năng lượng và bộ thu natri lỏng ở nhiệt độ khoảng 740oC để truyền nhiệt tới chu trình năng lượng carbon dioxide (sCO2) siêu tới hạn. Toàn bộ chu trình năng lượng sCO2 cũng sẽ hoạt động với hiệu suất cao hơn so với chu trình loại Rankine hơi nước truyền thống.

Đây là bước tiến đáng kể so với các nhà máy hiện tại vốn thường hoạt động ở nhiệt độ khoảng 565 độ bằng cách sử dụng muối nitrat. Nhiệt độ hoạt động cao hơn mang lại hiệu suất cao hơn và giảm chi phí năng lượng quy dẫn-mục tiêu của Gen3 là dưới 60 USD mỗi megawatt-giờ.

Hệ thống muối nóng chảy hai bể cho phép người vận hành luân chuyển muối qua bộ thu năng lượng mặt trời để sạc (làm nóng bể "nóng"), sau đó qua bộ trao đổi nhiệt để tạo ra hơi nước khi cần xả. Bản thân hiệu suất nhiệt của kho lưu trữ là-nhiệt lưu trữ cao trong bể cách nhiệt có hiệu suất vượt quá 90% cho chu kỳ hàng ngày.

Tuy nhiên,-hiệu suất khứ hồi của việc lưu trữ điện gặp phải một hạn chế cơ bản. Việc chuyển đổi nhiệt trở lại thành điện thông qua tua bin hơi nước thường chỉ đạt được hiệu suất nhiệt 35-42%. Ngay cả các tua bin CO2 siêu tới hạn tiên tiến cũng phải vật lộn để vượt quá 50%. Để so sánh, pin lithium{9}}ion thường có hiệu suất vượt quá 85% cho mỗi chuyến đi.

Mức phạt về hiệu suất này có nghĩa là CSP phù hợp nhất cho các ứng dụng có giá trị-thời gian dài của bộ lưu trữ nhiệt, chi phí mỗi kilowatt-giờ lưu trữ thấp và khả năng cung cấp khả năng tạo đồng bộ-lớn hơn tổn thất chuyển đổi. Đối với việc lưu trữ ở quy mô lưới-kéo dài 6-12 giờ, tính kinh tế vẫn có thể có hiệu quả.

Sự phát triển của các nguồn năng lượng tái tạo để tạo ra điện, sự đóng góp của CSP trong quá trình khử cacbon trong các quy trình công nghiệp và việc tạo ra kho lưu trữ nhiệt đều đã cho phép CSP cung cấp các dịch vụ ngoài điện. Nhiều quy trình công nghiệp yêu cầu cung cấp hơi nước hoặc nhiệt trực tiếp theo yêu cầu, liên tục-trong phạm vi nhiệt độ từ 300 đến 550 độ C, bao gồm các quy trình như sản xuất giấy, lọc dầu và xử lý hóa học.

Bằng cách sử dụng-hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt muối nóng chảy quy mô rất lớn, CSP có thể đạt được mục tiêu này bằng cách cung cấp hơi nước xử lý và/hoặc không khí quá nhiệt cho các ứng dụng công nghiệp theo yêu cầu trong-thời gian thực. Công suất lớn của các hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt bằng muối-nóng chảy này cũng mang lại giải pháp thay thế-hiệu quả về mặt chi phí cho pin điện hóa, có chi phí lưu trữ năng lượng nhiệt có thể sử dụng thấp hơn 35 USD cho mỗi kilowatt-giờ (kWh).

Có các phương pháp bổ sung để khai thác năng lượng mặt trời, bao gồm sản xuất hydro từ mặt trời và năng lượng mặt trời tập trung (CSP). Năng lượng của mặt trời được chuyển đổi thành nhiên liệu hóa học (hydro) thông qua hệ thống điện phân quang điện (PV) và xúc tác quang có thể được lưu trữ vô thời hạn. Hydro có thể được sử dụng cho giao thông vận tải, công nghiệp và sản xuất điện. Ngoài ra, CSP sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra nhiệt. CSP sau đó chuyển đổi năng lượng nhiệt đó thành điện năng để phân phối (có trật tự).

Những tiến bộ nhanh chóng trong cả hai công nghệ đang diễn ra. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời-thành{2}}hydro tăng lên nhờ tích hợp hệ thống và vật liệu được cải tiến; CSP tiếp tục thúc đẩy nhiệt độ vận hành cao hơn và chi phí thấp hơn. Khi kết hợp, điện phân PV và CSP cho phép tạo ra một thế giới-năng lượng mặt trời, trong đó mặt trời không chỉ cung cấp năng lượng khi cần thiết mà còn tạo ra một dạng nhiên liệu-dễ dàng lưu trữ để cung cấp năng lượng trong những khoảng thời gian-không cao điểm trong ngày.

Trái đất nhận được nguồn năng lượng khổng lồ từ mặt trời. Con số này gần tương đương với 173 nghìn tỷ watt (1 nghìn tỷ=1,000.000.000.000) chạm vào trái đất mỗi giây. Những thách thức và cơ hội đối với các kỹ sư bao gồm việc tìm cách sử dụng nhiều chế độ để thu được nguồn năng lượng khổng lồ này từ mặt trời.