Эффективное производство водорода, топлива и даже питьевой воды на крышах или в солнечных парках — это то, чего исследователи Технологического института Карлсруэ (KIT) и их канадские партнеры хотят достичь с помощью недорогих фотореакторных модулей. Теперь они достигли значительного прогресса. Они сообщают о своих результатах в джоулях.
Искусственный фотосинтез означает, что химические реакции осуществляются с помощью солнечного света. Как и в природе, фотоны поглощаются фотокаталитически активным материалом, и их энергия используется для непосредственного запуска химической реакции. «Между тем известны различные фотокатализаторы. Они могут быть применены для разложения воды на водород и кислород или для производства климатически нейтрального топлива из воды и углекислого газа», — говорит Пол Кант из Института микропроцессорной инженерии KIT (IMVT).
До сих пор эта технология в основном использовалась в лабораторных условиях, поскольку затраты на производство солнечного водорода были слишком высоки. Теперь команда достигла решающего прогресса в разработке концепции высокоэффективных фотореакторных панелей, которые можно вставлять в недорогие модули.
Кант считает, что широкое использование таких новых фотореакторных модулей для производства водорода или топлива на крышах или в солнечных электростанциях может стать одним из больших технологических шансов человечества в борьбе с климатическим кризисом. «Это может сделать использование ископаемых энергоносителей излишним». Кант руководил исследовательской деятельностью во время работы над докторской диссертацией у профессора Роланда Диттмейера в IMVT. Они включены в программу «Материалы и технологии для перехода к энергетике» имени Гельмгольца.
Оптимизированная концепция реактора для массового рынка
Эффективный модуль фотореактора для практического использования должен, по существу, состоять из двух компонентов: подходящего фотокатализатора, который запускает химическую реакцию, и фотореактора, содержащего фотокатализатор и исходное сырье для химической реакции. «В идеальном случае фотореактор должен направлять падающий солнечный свет на фотокатализатор практически без потерь, независимо от того, откуда он поступает и где в данный момент находится солнце», — объясняет Кант.
«Более того, структура и материал фотореактора должны обеспечивать оптимальную работу фотокатализатора, например, правильную температуру или интенсивность поглощения света». Концепция фотореактора, представленная командой, решает эту двойную задачу: Он состоит из микроструктурированных полимерных панелей, покрытых алюминием для достижения высокой отражательной способности. Это также обеспечивает оптимальные условия работы и эффективную подачу света к фотокатализатору в течение дня. Исследователи разработали систему с помощью компьютерной оптимизации геометрии и фотокаталитической модельной системы. Первая демонстрация в лабораторных условиях прошла успешно.
Лабораторный демонстратор нового фотореактора. Автор: Амадеус Брамсипе, КИТ
Снижение затрат благодаря недорогим модулям
Основываясь на общем руководстве, разработанном исследователями после детального анализа их концепции реактора, будущие модули фотореактора теперь могут быть легко спроектированы таким образом, чтобы достичь максимальной эффективности для различных применений. Однако высокая эффективность химической реакции — это лишь одно из требований, которое должно быть выполнено, прежде чем искусственный фотосинтез сможет стать эффективной технологией.
Для производства соответствующих количеств продукта панели фотореактора должны покрывать чрезвычайно большие поверхности. «Чтобы снизить затраты, мы используем недорогие материалы и геометрию, которые уже можно производить серийно», — говорит Кант. По первым оценкам исследователей, квадратный метр модуля фотореактора стоит около 22 долларов.
Сейчас команды Ансельма Дреера из IMVT и профессора Джеффри Озина из Торонто разрабатывают фотокатализатор, который эффективно разлагает воду на водород и кислород. Он будет интегрирован в представленные фотореакторы. Более того, в настоящее время изучается возможность массового производства панелей.