Güneş Işığı, Geleceğin Yakıtı İçin Suyu Doğrudan Hidrojene Ayırabilir

[™ Admin]

Güneş Işığı, Geleceğin Yakıtı İçin Suyu Doğrudan Hidrojene Ayırabilir

Sadece güneş ışığı ve fotokatalizörler kullanan 100 metrekarelik (1.076 fit kare) bir reaktör, üç yıl boyunca karbon içermeyen hidrojen üretti ve bu da konseptin potansiyelini gösterdi. Bu yaklaşım, fotovoltaik panellerin önce güneş ışığını elektriğe dönüştürdüğü daha yaygın yöntemden hala önemli ölçüde daha az verimlidir, ancak teoride doğrudan yaklaşım üretim maliyetlerini daha da düşürebilir.

Hidrojen, nihai temiz yakıttır - bir yakıt hücresinde yakıldığında veya reaksiyona sokulduğunda yalnızca su üretir. Örneğin, gübre ve metanol yapmak için zaten büyük miktarda hidrojen kullanıyoruz. Ancak, bunun çoğu fosil yakıtlar (sözde "gri hidrojen") kullanılarak yapılır ve karbondioksit salınır. Kirletmeyen ulaşım, ısıtma veya çelik üretimi için hidrojen kullanma konusundaki yaygın (ancak oldukça tartışmalı) hayaller bir yana, mevcut kullanımlar için daha iyi bir yol şarttır.

Yeşil hidrojenin böyle bir kirliliği yoktur, bunun yerine su moleküllerini bileşen elementlerine ayırmak için güneş veya rüzgar enerjisine güvenir. Küçük olmasına rağmen bu hızla büyüyor, ancak ezici bir şekilde ara adım olarak elektriğe dönüştürmeye güveniyor. Shinshu Üniversitesi'nden Profesör Takashi Hisatomi ve Profesör Kazunari Domen, bu aşamayı atlayarak daha iyisini yapabileceğimizi düşünüyor ve henüz uygulanabilir olmasa da olasılığını gösterdiler.

Domen bir bildiride, "Fotokatalizörler kullanılarak güneş ışığıyla çalışan su ayırma, güneşten kimyasal enerjiye dönüşüm ve depolama için ideal bir teknolojidir ve fotokatalitik malzemeler ve sistemlerdeki son gelişmeler bunun gerçekleşmesi için umutları artırıyor" dedi.

Adından da anlaşılacağı gibi, fotokatalizörler ışık varlığında kimyasal reaksiyonları uyarır. Bunun yararlı olabileceği birçok reaksiyon olmasına rağmen, dünyayı değiştirme potansiyeli suyun hidrojen ve oksijene parçalanmasında yatmaktadır.

Hisatomi ve Domen liderliğindeki bir ekip, SrTiO:Al fotokatalizör tabakalarını kullanarak 100 m'lik bir prototip reaktör inşa etti. Birkaç yardımcı katalizör bu levhaların üzerine çözeltiye yerleştirildi ve su buharlaştırıldı. Su katalizörlerin yanından aktı ve gazlar tüplere çekildi.

Hiçbir enerji dönüşümü %100 verimli değildir, bu nedenle her ekstra aşama maksimum toplam verimlilik için tavanı düşürür. Örneğin, dünyadaki en verimli güneş hücreleri güneş ışığındaki enerjinin %30'unu elektriğe dönüştürmekte zorlanırken, seri üretimdekiler ancak %20'nin üzerindedir. Elektrik suya uygulandığında, özellikle değerli metallerden yapılanlar yerine ucuz nikel bazlı katalizörler kullanılırsa, yine verimsizlik meydana gelir. Bunu iyileştirmek için kapsamlı çalışmalar yapılıyor, ancak her aşama %30 verimli olsa bile, bu kombinasyon hidrojen yakıtının Güneş'in enerjisinin sadece %9'una sahip olması anlamına geliyor.

Uygun fotokatalizörlerin verimliliği %10 olsaydı, bu aynı miktarda güneş ışığı için daha fazla hidrojen anlamına gelirdi. Bu muhtemelen yeşil hidrojenin fiyat açısından nihayet gri ürünle rekabet etmesini sağlardı.

Ne yazık ki, şu anda bu mümkün değil. Simüle edilmiş güneş ışığı kullanılarak doğrudan dönüşüme ilişkin laboratuvar tabanlı çalışmalar acınacak derecede düşük verimlilikler üretti. Herhangi bir yeniliğin gerçek dünyaya taşındığında daha da büyük kayıplara uğraması normaldir, ancak bu durumda, inşaatçılar hoş bir sürprizle karşılaştılar.

Hisatomi, "Ultraviyoleye duyarlı bir fotokatalizör kullanan sistemimizde, güneş enerjisi dönüşüm verimliliği doğal güneş ışığı altında yaklaşık bir buçuk kat daha yüksekti" dedi. Bu, simüle edilmiş güneş ışığı için küresel standardın test reaktörünün konumu olan Tokyo'dan daha yüksek enlemlerdeki koşullara dayanmasının bir sonucudur - bilimin tarihsel kuzey eğilimi, güneş araştırmalarında bile bir miras bırakmıştır. Güneş ışığının daha da yüksek bir ultraviyole bileşenine sahip olduğu tropik bölgelerdeki reaktörler daha da iyi performans göstermelidir.

Bununla birlikte, çalışma hala olması gereken yere yakın değil. Hisatomi, "Şu anda simüle edilmiş standart güneş ışığında verimlilik en iyi ihtimalle %1 ve doğal güneş ışığında %5 verimliliğe ulaşamayacak," dedi.

Düşük verimlilik sadece maliyetleri artırmakla kalmıyor: verimsiz reaktörler ayrıca üzerlerine çok fazla güneş ışığı düşmesi gerektiğinden pratik olmayan miktarda yer kaplıyor.

Daha büyük reaktörler verimliliği bir nebze artırabilir, ancak gerçek ilerleme daha verimli fotokatalizörler bulmaya bağlı. Bu alandaki çalışmalar yaygın ancak verimsiz olan titanyum dioksit ile başladı ve şimdi RhCrO/SrTiO:Al gibi çok daha karmaşık katalizörlere odaklanıyor.

Ele alınması gereken diğer sorunlar, hidrojen ve oksijenin ayrı ayrı güvenli bir şekilde depolanmadan önce bazen patlayıcı bir şekilde yeniden birleşmesini önlemek gibi her türlü su ayrışması için geçerlidir.

Hisatomi ve Domen, oraya ulaşmak için, tutarlı güvenlik düzenlemeleri ve verimlilik standartları olan güneş hücresi verimliliği iddiaları gibi küresel bir akreditasyon sürecine ihtiyacımız olduğunu savunuyor.

Şu anda bu şekilde üretilen hidrojen ile kirletici versiyonu arasında çok büyük bir maliyet farkı var. Ancak Domen cesaretini kaybetmiş değil. Daha iyi fotokatalizörler ortaya çıkarsa, "Birçok araştırmacı seri üretim teknolojisi ve gaz ayırma süreçlerinin yanı sıra büyük ölçekli tesis inşaatı üzerinde ciddi bir şekilde çalışacak. Bu ayrıca, politika yapıcılar da dahil olmak üzere birçok insanın güneş enerjisi dönüşümü hakkındaki düşünme biçimini değiştirecek ve güneş yakıtlarıyla ilgili altyapı, yasa ve düzenlemelerin gelişimini hızlandıracak." dedi.

Bazıları, yakın zamanda daha önce düşünülenden çok daha bol olduğu bulunan doğal hidrojen madenciliğinin bizi kurtaracağını umuyor, ancak yaygın hasatın pratikliği neredeyse hiç incelenmedi.

Güneş ışığı kullanılarak doğrudan hidrojen üretiminin durumuna ilişkin bir inceleme, Frontiers in Science dergisinde açık erişim olarak yayınlandı. Ekibin 100m reaktörünün gösterimi Nature dergisinde açık erişim olarak yayınlandı.

Kaynak: IFLScience