مساران للطاقة في الشمس: فهم إنتاج الهيدروجين الشمسي والطاقة الشمسية المركزة

بينما يفكر معظم الأفراد في الكهرباء الشمسية من خلال الألواح الكهروضوئية التي تستخدم ضوء الشمس للحصول على الطاقة؛ هناك العديد من الطرق التي يمكنك من خلالها استخلاص القيمة من خلال الشمس بدلاً من الألواح الكهروضوئية فقط. على سبيل المثال، يمكنك الاستفادة من الشمس لإنتاج وقود الهيدروجين النظيف وتوليد طاقة -مفيدة من خلال الحرارة. هناك نوعان من التقنيات الجديدة والمثيرة التي تدفع باتجاه الطاقة الشمسية: الهيدروجين من مصادر الطاقة الشمسية والطاقة الشمسية المركزة (CSP).

يُعرف الهيدروجين بأنه "وقود الغد" لعدة أسباب. يحتوي الهيدروجين على ما يقرب من 142 ميجا جول/كجم من محتوى الطاقة، وإذا كنت تستخدم الهيدروجين في خلية وقود، فإن الانبعاثات الوحيدة الناتجة هي عن طريق الماء. ومع ذلك، فإن إنتاج كميات كبيرة من وقود الهيدروجين بشكل نظيف، لا يزال يمثل تحديًا كبيرًا لإنتاج الهيدروجين. إحدى الطرق لحل هذه المشكلة هي استخدام ضوء الشمس لتقسيم الماء كوسيلة لإنتاج الهيدروجين، وهذه العملية لا تؤدي إلى انبعاثات غازات الدفيئة.

هناك ثلاثة أنواع رئيسية لإنتاج الهيدروجين من الطاقة الشمسية والتي وصلت حاليًا إلى مستويات نضج مختلفة:

تستخدم التقنية الأولى (الأكثر نضجًا) الألواح الكهروضوئية (PV) المقترنة بالمحللات الكهربائية. المحلل الكهربائي عبارة عن أجهزة كهربائية تستهلك الكهرباء وتحول الماء إلى هيدروجين وأكسجين باستخدام الحرارة ونقل الحرارة. الأنظمة الكهروضوئية هي الأكثر تطوراً ومتاحة بسهولة؛ تعتبر الأنظمة الكهروضوئية معيارية وموثوقة للغاية؛ عندما يتم توصيل الكهروضوئية والمحلل الكهربائي دون أي أجهزة تحويل الطاقة، فإن كفاءة تحويل STH للنظام بأكمله قد اقتربت من الحد النظري.

تظهر الأبحاث أن الأنظمة الكهروضوئية المركزة تتفوق بشكل كبير على الأنظمة التقليدية. باستخدام خلايا InGaP/GaAs/Ge تحت تركيز 750 شمس، حقق العلماء كفاءات STH بنسبة 18-21% مع معدلات إنتاج تتراوح بين 0.8-1.0 لتر من الهيدروجين في الدقيقة لكل متر مربع من مساحة الوحدة. وبالمقارنة، حققت وحدات السيليكون التقليدية تحت شمس واحدة حوالي 9.4% فقط من كفاءة STH مع معدلات إنتاج تبلغ حوالي 0.3 لتر/دقيقة · م². ويمثل هذا ميزة أداء تتراوح من 1.5 إلى 3 مرات للأنظمة المركزة.

يتمتع التحليل الكهربائي للمياه بنطاق استخدام فعال يتراوح بين 70-80%، مما يجعل هذا الخيار أكثر جاذبية عند النظر في أسعار الكهرباء من مصادر الطاقة المتجددة في المستقبل. التحدي الرئيسي الوحيد في الوقت الحالي هو ارتفاع أسعار المحللات الكهربائية وعدم القدرة على التنبؤ بالإشعاع الشمسي، مما يؤدي إلى الحاجة إلى التكامل الدقيق في النظام.

تستخدم أنظمة الكهروكيميائية الضوئية (PEC) نهجًا أكثر تكاملاً من الطرق السابقة للتحليل الكهربائي للمياه عن طريق توليد الطاقة الكهربائية أولاً ثم استخدام تلك الطاقة لتوليد الهيدروجين من الماء. تستخدم PECs مواد شبه موصلة مغمورة في الماء، وهي قادرة على امتصاص الضوء من الشمس وتحويله مباشرة لتخزين الطاقة كيميائيًا على شكل هيدروجين من خلال التحليل الكهربائي للماء. يحدث هذا عندما يضرب الضوء أشباه الموصلات مما يؤدي إلى إنشاء أزواج من الإلكترونات/الثقوب. تعمل الإلكترونات الموجودة في آلية أشباه الموصلات على اختزال البروتونات لتكوين الهيدروجين؛ سوف تؤدي الثقوب التي تم إنشاؤها إلى أكسدة جزيئات الماء المنتجة للأكسجين.

تم بحث PECs لأول مرة منذ حوالي 50 عامًا بواسطة Shinichiro Fujiشيما وهوندا عندما وجدوا أن قطب ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) يمكنه تقسيم H2O إلى H2 وO2 عندما يقترن بكاثود / سبيكة بلاتينية ومضاء بالأشعة فوق البنفسجية. (وهذا ما يشار إليه باسم "تأثير هوندا-فوجيشيما")

تتمتع أنظمة PEC حاليًا بتصميم جذاب وصغير الحجم مع القدرة على تحقيق تحويل مباشر من الطاقة الشمسية -إلى-الهيدروجين من خلال آلية بسيطة وأنيقة. على الرغم من ميزات التصميم الإيجابية هذه، لا تزال تقنية PEC في مهدها نسبيًا ويجب أن تتغلب على بعض التحديات المهمة قبل أن يتم تسويقها، مثل انخفاض الكفاءة في تحويل الطاقة الشمسية- إلى-الهيدروجين، وتدهور المواد المستخدمة لإنشاء خلايا PEC، وقابلية التوسع في الأداء. وبالتالي، يتم إجراء أبحاث مستمرة حول المواد المتقدمة والأقطاب الكهربائية الضوئية ذات البنية النانوية المصممة لمعالجة هذه المشكلات.

إحدى الطرق الأكثر إبداعًا للقيام بذلك هي استخدام مواد أشباه الموصلات ذات الحجم النانوي (وتسمى أيضًا النقاط الكمومية) المنتشرة في وسط مائي كمحفزات ضوئية. عند الإضاءة بضوء الشمس فإنها تنتج إلكترونات (وثقوب) يمكنها الانتقال إلى السطح البيني للجسيم وبدء تفاعلات الأكسدة والاختزال النصفية المشار إليها بتطور الهيدروجين وتطور الأكسجين على التوالي.

يتطلب نظام المحفز الضوئي لجسيم واحد، أو نظام الإثارة-الخطوة الواحدة، أن تكون فجوة نطاق أشباه الموصلات متداخلة بين إمكانات تطور الهيدروجين وإمكانات تطور الأكسجين. يوجد أيضًا نظام محفز ضوئي مكون من جزأين- أو تكوين محفز ضوئي "Z-مخطط" حيث يتم ربط محفزين ضوئيين مختلفين معًا بواسطة وسيط كيميائي (أي زوج الأكسدة والاختزال) بحيث يحدث انقسام الماء في خطوتين متميزتين أو نصف تفاعلات. وهذا يقلل بشكل كبير من الطاقة اللازمة لكل تفاعل، مع السماح باستخدام مجموعة أكبر من الضوء المرئي.

وتظهر الاختراقات الأخيرة إمكانات هذا النهج. قام فريق بحث صيني بقيادة ليو جانج في معهد أبحاث المعادن بتحسين ثاني أكسيد التيتانيوم-مادة التحفيز الضوئي الرئيسية-من خلال إضافة سكانديوم من خلال "إعادة التشكيل الهيكلي" و"استبدال العناصر". تتلاءم أيونات السكانديوم بسلاسة مع شبكة المادة، مما يزيل "مناطق الاصطياد" التي عادة ما تعترض الإلكترونات، وتعيد تشكيل السطح البلوري لتشكيل "طرق سريعة إلكترونية" توجه ناقلات الشحن بكفاءة.

تستخدم المادة المحسنة أكثر من 30% من الضوء فوق البنفسجي وتحقق معدل إنتاج هيدروجين تحت ضوء الشمس المحاكى أعلى بـ 15 مرة من الإصدارات السابقة. وفقًا لفريق البحث، يمكن للوحة تحفيز ضوئي تبلغ مساحتها-مربع-متر مربع أن تنتج حوالي 10 لترات من الهيدروجين يوميًا تحت ضوء الشمس.

على الرغم من أن التحفيز الضوئي للجسيمات لا يزال موجودًا في المختبر، إلا أن إمكانية نشره على نطاق واسع-مقنعة. تعتبر المحفزات الضوئية على شكل مسحوق- أسهل في التعامل معها وأكثر قابلية للنشر على مساحات كبيرة باستخدام عمليات محتملة غير مكلفة مقارنة بالتحليل الكهربائي الكهروضوئي- أو أنظمة PEC.

تتخذ الطاقة الشمسية المركزة (CSP) نهجا مختلفا جذريا لتسخير الشمس. بدلاً من تحويل الضوء مباشرة إلى كهرباء، تستخدم الطاقة الشمسية المركزة المرايا لتركيز ضوء الشمس، وتوليد حرارة ذات درجة حرارة عالية-، ثم تشغيل التوربينات التقليدية لإنتاج الكهرباء.

المفهوم الأساسي واضح جدًا. تتبع المروحيات، أو ترتيبات المرايا، المسار اليومي للشمس وتعكس أشعة الشمس إلى المجمع الموجود في أعلى البرج. يتم استخدام هذا التركيز من ضوء الشمس لتسخين سائل العمل إلى درجات حرارة عالية جدًا، وبمجرد إنتاج الحرارة، يتم استخدام سائل العمل الساخن في توليد البخار الذي سيقوم بتدوير التوربين الذي يقود المولد.

إن القدرة على دمج تخزين الطاقة الحرارية في نظام الطاقة الشمسية المركزة هو ما يجعل الطاقة الشمسية المركزة بهذه القيمة. يمكن التقاط الحرارة الناتجة عن عملية تركيز أشعة الشمس وتخزينها لساعات، مما يعني أن توليد الكهرباء من نظام الطاقة الشمسية المركزة يمكن أن يحدث بعد فترة طويلة من غروب الشمس. الجانب القابل للتوزيع من الطاقة الشمسية المركزة-أي أنه عندما تحتاج إلى الكهرباء يمكنك إنتاجها-هو ما يميز الطاقة الشمسية المركزة عن أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، التي تتوقف عن إنتاج الكهرباء عندما تبدأ السحب في الليل أو في الليل.

التكنولوجيا الموجودة في أعلى الهرم حاليًا (جيماسولار في إسبانيا، كريسنت ديونز في نيفادا ونور 3) تتميز باستخدام الملح السائل المنصهر ليس فقط لنقل الحرارة، ولكن أيضًا لتخزين الطاقة. وقد أثبتت الأنظمة الثلاثة بنجاح القدرة على العمل بشكل متواصل لمدة 24 ساعة كاملة مع الحفاظ على أكثر من 15 ساعة من تخزين الطاقة باستخدام الأملاح المنصهرة السائلة وحدها.

سيقوم برنامج توليد الطاقة الشمسية المركزة 3 (CSP Gen3) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية بتطوير هذه التكنولوجيا إلى ما هو أبعد من أنظمة الطاقة الشمسية المركزة على المستوى التجاري الحالية. أحد أساليب التصميم التي يتم استكشافها في إطار برنامج CSP Gen3 هو نظام "المسار السائل"، الذي يستخدم الكلوريدات السائلة منخفضة التكلفة نسبيًا كمخزن للطاقة، وجهاز استقبال الصوديوم السائل عند درجة حرارة 740 درجة مئوية تقريبًا لنقل الحرارة إلى دورة طاقة ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج (sCO2). ستعمل دورة طاقة sCO2 بأكملها بكفاءة أعلى من دورات البخار التقليدية من نوع رانكين أيضًا.

ويمثل هذا تقدمًا كبيرًا عن المحطات الحالية، والتي تعمل عادةً عند حوالي 565 درجة مئوية باستخدام أملاح النترات. تتيح درجات حرارة التشغيل المرتفعة كفاءة أكبر وتخفض التكلفة المعيارية للطاقة-يبلغ هدف Gen3 أقل من 60 دولارًا لكل ميجاوات-ساعة.

يسمح نظام الملح المصهور -بخزانين للمشغلين بتدوير الملح من خلال أجهزة استقبال الطاقة الشمسية للشحن (تسخين الخزان "الساخن")، ثم من خلال المبادلات الحرارية لتوليد البخار عند الحاجة إلى التفريغ. تعتبر الكفاءة الحرارية للتخزين بحد ذاتها عالية-حيث تتجاوز كفاءة تخزين الحرارة في الخزانات المعزولة 90% للدورات اليومية.

ومع ذلك، تواجه كفاءة الرحلة- ذهابًا وإيابًا لتخزين الكهرباء قيودًا أساسية. عادةً ما يحقق تحويل الحرارة مرة أخرى إلى كهرباء من خلال التوربينات البخارية 35-42% فقط من الكفاءة الحرارية. حتى توربينات ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج المتقدمة تكافح لتتجاوز 50%. للمقارنة، تتجاوز بطاريات الليثيوم-أيون بشكل روتيني 85% من كفاءة الذهاب والإياب.

تعني عقوبة الكفاءة هذه أن الطاقة الشمسية المركزة هي الأنسب للتطبيقات التي تكون فيها قيمة التخزين الحراري-طويلة المدة، والتكلفة المنخفضة لكل كيلووات-ساعة من التخزين، والقدرة على توفير توليد متزامن-تفوق خسائر التحويل. بالنسبة للتخزين على نطاق الشبكة-الذي يستمر من 6 إلى 12 ساعة، لا يزال من الممكن تحقيق النجاح الاقتصادي.

إن تطوير مصادر الطاقة المتجددة لتوليد الكهرباء، ومساهمة شركات الطاقة الشمسية المركزة في إزالة الكربون من العمليات الصناعية، وإنشاء أماكن للتخزين الحراري، كلها أمور سمحت لمقدمي الطاقة الشمسية بتقديم خدمات تتجاوز مجرد الكهرباء. تتطلب العديد من العمليات الصناعية إمدادات مستمرة-حسب الطلب من البخار أو الحرارة المباشرة في نطاق درجة حرارة يتراوح بين 300 إلى 550 درجة مئوية، والتي تتضمن عمليات مثل تصنيع الورق وتكرير النفط والمعالجة الكيميائية.

ومن خلال استخدام أنظمة تخزين الطاقة الحرارية-الكبيرة جدًا من الملح المنصهر، يمكن لمزودي الطاقة الشمسية تحقيق هذا الهدف من خلال توفير بخار المعالجة و/أو الهواء فائق الحرارة للتطبيقات الصناعية كما هو مطلوب في الوقت الفعلي-. توفر السعات الكبيرة لأنظمة تخزين الطاقة الحرارية المالحة-المذابة أيضًا بديلاً فعالاً من حيث التكلفة-للبطاريات الكهروكيميائية، بتكلفة تقل عن 35 دولارًا لكل كيلووات-ساعة (كيلووات ساعة) من تخزين الطاقة الحرارية القابلة للاستخدام.

هناك طرق تكميلية لاستغلال طاقة الشمس، بما في ذلك إنتاج الهيدروجين الشمسي والطاقة الشمسية المركزة (CSP). يتم تحويل طاقة الشمس إلى وقود كيميائي (الهيدروجين) عن طريق التحليل الكهربائي الكهروضوئي (PV) وأنظمة التحفيز الضوئي التي يمكن تخزينها إلى أجل غير مسمى. يمكن استخدام الهيدروجين في النقل والصناعة وتوليد الكهرباء. وبدلاً من ذلك، تستخدم الطاقة الشمسية المركزة ضوء الشمس لتوليد الحرارة. يقوم مزود الطاقة الشمسية المركزة بعد ذلك بتحويل تلك الطاقة الحرارية إلى كهرباء للتسليم القابل للتوزيع (المنظم).

ويحدث تقدم سريع في كلتا التقنيتين. زيادة كفاءات تحويل الطاقة الشمسية-إلى-الهيدروجين ناتجة عن تحسين المواد وتكامل النظام؛ تواصل الطاقة الشمسية المركزة الضغط من أجل ارتفاع درجات حرارة التشغيل وخفض التكاليف. عند دمجهما، يتيح التحليل الكهربائي الكهروضوئي والطاقة الشمسية المركزة وجود عالم يعمل بالطاقة الشمسية-لا توفر فيه الشمس الطاقة عند الحاجة فحسب، بل تنتج أيضًا شكلاً من الوقود -يسهل تخزينه لتوفير الطاقة خارج فترات الذروة-على مدار اليوم.

تتلقى الأرض كمية هائلة من الطاقة من الشمس. وهذا يعادل تقريبًا 173 تريليون واط (1 تريليون=1,000,000,000,000) تصل إلى الأرض كل ثانية. تشمل التحديات والفرص المتاحة للمهندسين إيجاد طرق لاستخدام وسائط متعددة لالتقاط هذا المخزون الهائل من الطاقة من الشمس.