"Это первая демонстрация производства водорода на солнечном уровне на системном уровне. В отличие от обычных демонстраций в лабораторных условиях, она включает в себя все вспомогательные устройства и компоненты, поэтому дает нам лучшее представление об энергоэффективности, на которую вы можете рассчитывать, если рассмотрите всю систему в целом, а не только само устройство", - говорит София Хауссенер, руководитель лаборатории науки и техники в области возобновляемых источников энергии (LRESE) в инженерной школе.

"При выходной мощности более 2 киловатт мы преодолели потолок в 1 киловатт для нашего экспериментального реактора, сохранив при этом рекордно высокую эффективность для такого крупного масштаба. Уровень производства водорода, достигнутый в результате этой работы, представляет собой действительно обнадеживающий шаг на пути к коммерческой реализации этой технологии".

Работа основана на предварительных исследованиях, демонстрирующих концепцию в лабораторном масштабе, с использованием высокоточного солнечного симулятора LRESE, который был опубликован в Природная энергия в 2019 году. Теперь команда опубликовала результаты своего масштабированного, эффективного и многопродуктового процесса в реальных условиях в том же журнале.

Не растрачивай впустую, не желай

Производство водорода из воды с использованием солнечной энергии называется искусственным фотосинтезом, но система LRESE уникальна своей способностью также производить тепло и кислород в больших масштабах.

После того, как тарелка концентрирует солнечные лучи, вода закачивается в точку фокусировки, где расположен встроенный фотоэлектрохимический реактор. Внутри этого реактора фотоэлектрохимические элементы используют солнечную энергию для электролиза или расщепления молекул воды на водород и кислород. Тепло также генерируется, но вместо того, чтобы выделяться в виде потерь в системе, это тепло пропускается через теплообменник, чтобы его можно было использовать - например, для обогрева окружающей среды.

В дополнение к первичному выделению системой водорода и тепла, молекулы кислорода, выделяющиеся в результате реакции фотоэлектролиза, также извлекаются и используются.

"Кислород часто воспринимается как ненужный продукт, но в данном случае его также можно использовать - например, для медицинских целей", - говорит Хауссенер.

Промышленная и жилая энергетика

Система подходит для промышленного, коммерческого и жилого применения; фактически, LRESE-дочернее предприятие SoHHytec SA уже внедряет и коммерциализирует ее. Стартап EPFL сотрудничает со швейцарским предприятием по производству металла для строительства демонстрационной установки мощностью более 100 киловатт, которая будет производить водород для процессов отжига металла, кислород для близлежащих больниц и тепло для нужд завода в горячей воде.

"Благодаря пилотной демонстрации в EPFL мы достигли важной вехи, продемонстрировав беспрецедентную эффективность при высокой плотности выходной мощности. Сейчас мы расширяем систему в установке, похожей на искусственный сад, где каждое из этих "искусственных деревьев" устанавливается модульно", - говорит соучредитель и генеральный директор SoHHytec Саурабх Тембхурне.

Система может быть использована для обеспечения центрального отопления и горячей воды в жилых и коммерческих помещениях, а также для питания водородных топливных элементов. При уровне выработки около половины килограмма солнечного водорода в день система EPFL campus может обеспечить энергией около 1,5 автомобилей на водородных топливных элементах, проезжающих среднегодовое расстояние; или удовлетворить до половины потребности в электроэнергии и более половины годовой потребности в тепле типичного швейцарского домохозяйства из четырех человек.

Поскольку их система искусственного фотосинтеза находится на пути к масштабированию, компания Haussener уже изучает новые технологические направления. В частности, лаборатория работает над крупномасштабной системой на солнечных батареях, которая будет расщеплять углекислый газ вместо воды, получая полезные материалы, такие как синтез-газ для жидкого топлива или предшественник зеленого пластика этилен.