От солнечной энергии к водородному топливу

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (Швейцария) разработали новый метод выделения водорода из воды с помощью солнечной энергии. Он не требует высоких температур и применения благородных металлов, а по эффективности сравним с лучшей на сегодня технологией, использующей платиновые катализаторы.

Солнце всегда рассматривалось как основной источник в альтернативной энергетике. В существующих схемах его энергия преобразуется в электрическую напрямую (с помощью фотоэлементов) или через нагрев теплоносителя в станциях коллекторного типа.

Отдельные компании разрабатывают комбинированные варианты, в которых световая энергия оптического диапазона и тепловой части спектра утилизируются по-разному. Это необходимо потому, что преобразование солнечной энергии всегда сопряжено с задачей её накопления. Электростанция должна работать круглосуточно и обладать запасом мощности, чтобы обеспечивать пиковые нагрузки сети в определённые часы.

Солнечная электростанция Gemasolar (Севилья, Испания. Фото: swns.com).

Запасать энергию в виде тепловой часто оказывается менее затратно, чем обслуживать ёмкие аккумуляторы и преобразователи напряжения. Однако есть и другой способ накапливать полученную от Солнца энергию – расходовать её на выработку из воды водорода для топливных элементов.

Любая установка, выделяющая водород из воды, тратит на это некоторое количество энергии. В разное время были предложены два основных пути: нагревать воду, доводя её до состояния перегретого пара, и затем пропускать его через электрическое поле с напряжением в тысячи вольт, или использовать электролиз.

Второй метод в целом безопаснее и не требует изначально высоких затрат энергии для начала реакции. Всё, что требуется на первом этапе – преодолеть барьер в 1,7 В. Для этого можно применять фотоэлектрохимические ячейки, которые непосредственно будут выделять водород, или обычный электролизер, питаемый от солнечных батарей.

Выделение водорода из воды методом электролиза (фото: EPFL / LPI / Alain Herzog).

Пока специализированные ячейки – перспективная и дорогая технология. Чаще разработчики шли по второму пути, используя солнечные батареи из трёх последовательно соединённых элементов с разницей потенциалов по 0,6 – 0,7 В.

До сих пор эффективность преобразования солнечной энергии таким способом была ниже десяти процентов. Рекордный показатель в 12,4% был достигнут в 1998 году на компактной экспериментальной установке с платиновым электродом и другими дорогостоящими деталями. Высокая себестоимость сделала неоправданным промышленное применение, и о технологии забыли до лучших времён.

Параллельно исследователи выполняли поиск более дешёвых материалов, способных улучшить характеристики как самих фотоэлементов, так и электролизёра, обеспечив большую разность потенциалов и сравнимый с платиной показатель эффективности.

Таким вариантом стали катализаторы на основе никеля и железа, а также перовскитные фотоэлементы. Изначально перовскитом называли сам минерал (титанат кальция), отрытый в 1839 году на Уральских горах. Затем термин «перовскиты» стал применяться и к другим соединениям, имеющим схожее строение кристаллической решётки.

Электрод и перовскитная солнечная батарея из двух элементов (фото: EPFL).

Редакция журнала «Science» указала перовскиты в списке десяти научных прорывов прошлого года за их многообещающие свойства в солнечной энергетике. Перовскитные солнечные панели гораздо легче традиционных, изготовленных из кремния. Сегодня они производятся методом простого осаждения из газовой фазы, поэтому обходятся примерно вчетверо дешевле кремниевых по себестоимости.

В каждой перовскитной ячейке создаётся разность потенциалов около одного вольта. Используя всего пару элементов такой солнечной батареи (вместо трёх) и дешёвые электроды, исследователи из Лаборатория фотоники EPFL под руководством докторанта Цзиншань Ло получили эффективность преобразования солнечной энергии в водород на уровне 12,3%. На сегодня это можно считать рекордом среди концептов, допускающих малозатратное масштабирование до уровня промышленной установки.

Главной проблемой остаётся неустойчивость элементов на основе перовскита, что приводит к падению напряжения по мере их работы. Природа этого явления пока не ясна. В прошлом году группа Генри Снейта (Henry Snaith) из Оксфордского университета полностью изменила представления о процессах движения экситонов в фотоэлементе из титаната кальция, что позволило упростить их изготовление. Возможно, дальнейшее изучение перовскитов поможет добиться стабильности характеристик солнечных панелей на их основе.