تبیان، دستیار زندگی
چگونه می توان انرژی خورشیدی را برای استفاده در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد ذخیره کرد؟ یک راه حل تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن توسط الکترولیز آب است.
بازدید :
زمان تقریبی مطالعه :

راه حلی مؤثر و کم هزینه برای ذخیره انرژی خورشیدی

چگونه می توان انرژی خورشیدی را برای استفاده در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد ذخیره کرد؟ یک راه حل تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن توسط الکترولیز آب است.

فرآوری بخش دانش و زندگی تبیان

انرژی خورشید

این ایده به این صورت است که از الکتریسیته ای که توسط انرژی خورشیدی (پنلهای خورشیدی) بدست می آید برای تجزیه مولکول های آب به اکسیژن و هیدروژن استفاده شود. سپس هیدروژن خالص را می توان بعنوان منبع انرژی الکتریسیته و یا یک منبع سوختی استفاده کرد. اما دقیقاً همینجاست که موضوع پیچیده می شود. حتی با وجود فناوری های مختلفِ تولید هیدروژن و نتایج نوید بخش آزمایشگاهی، هنوز این روش بسیار ناپایدار و گران است و صرفاً برای استفاده های بزرگ تجاری دارای صرفه است. حال، رویکرد جدیدی توسط محققانِ سوئیسی عرضه شده است.

این رویکرد توسط محققان مؤسسه تحقیقاتی لوزان (EPFL) و مرکز الکترونیک و میکروتکنولوژی سوئیس (CSEM) ارائه شده است که در درون خود هر آنچه را که یک سیستم قوی و مؤثر در صنایع داشته است، را دارد. این نمونه، از سه بخش بهم پیوسته و نسل جدید از سلول های خورشیدیِ موسوم به crystalline silicon (سیلیکون های متبلور) که به یک سیستم الکترولیز متصل شده، تشکیل شده است که حتی برای اجرا به فلزات کمیاب نیز متکی نیستند. این نمونه، قادر خواهد بود که انرژی نوری را به هیدروژن با نرخ 14.2 درصد تبدیل کند که این نرخ در طول یکصد ساعت اجرای کار سیستم در شرایط آزمایشگاهی ثابت بود. از لحاظ عملکرد، این نرخ، یک رکورد جهانی برای سلول های نوری سیلیکونی و همچنین برای تولید هیدروژن بدون استفاده از فلزات کمیاب می باشد. همچنین به خاطر سطح پایداری سیستم نیز یک رکورد محسوب می شود.

قدرت لازم برای حرکت اتومبیل به میزان 10 هزار کیلومتر در سال

مقاله مربوط به این روش که به نسبت تحقیقات و تولیدات پیشین، در زمینه های قابلیت اجرایی، شرایط پایداری، طول عمر و هزینه مؤثر یک سروگردن بالاتر است در ژورنال The Electrochemical Society منتشر شده است. کریستوف بالیف همکار نویسنده مطالعه می گوید: «یک سیستم 12 تا 14 متر مربعی که در شرایط آفتاب سوئیس آزمایش شد توانست هیدروژن کافی برای یک اتومبیل برقی برای حرکت به اندازه ده هزار کیلومتر را فراهم کند.»

گرمای جمع شده در جاذب های خورشیدی روی پشت بام در تابستان، می تواند در سنگ ها یا خاک ذخیره شده و برای گرمایش منازل در زمستان استفاده شود. برق اضافی یا ارزان قیمت می تواند برای درست کردن یخ استفاده شود که بعداً هنگامی که قیمت برق زیاد است، برای خنک کاری مناسب است

دلیل اصلی کارکرد اعجاب آور این سیستم، استفاده از ترکیب نوعی از سلول های خورشیدیِ سیلیکون های متبلور می باشد که بر اساس فناوری هتروجانکشن ساخته شده اند. ساختمان ساندویچی تولید شده توسط محققان که از لایه هایی از سیلیکون های متبلور و سیلیکون های بی نظم تشکیل شده است اجازه دستیابی به ولتاژهای بالا را می دهد. این موضوع بدین معناست که تنها سه عدد از این سلول های مرتبط با هم می توانند انرژی لازم برای الکترولیز آب را تحویل بدهند. فرآیند الکتروشیمیاییِ تجزیه آب نیز توسط کاتالیستی انجام می پذیرد که از نیکل تشکیل شده است و صد البته نیکل به وفور در دسترس است.

میگوئل مودستینو از مرکز EPFL می گوید: «با تکنولوژی سیلیکون های متبلور فعلی برای دستیابی به چنین ولتاژی نیاز به استفاده از چهار سلول بود که همین موضوع برتری سیستم جدید را نشان می دهد.»

روشی پایدار و اقتصادی در طول زمان

این سیستم جدید تا بدینجا از منظر هزینه، قابلیت و طول عمر بی همتاست. ژان ویلِم شاتهاف، محققی از CSEM و همکار نویسنده مطالعه می گوید: «ما قصد داشتیم یک سیستم با کارایی بسیار بالا را توسعه دهیم که تحت هر شرایطی به خوبی کار کند. سلول های هتروجانکشن که ما استفاده کردیم متعلق به خانواده سلول های سیلیکونی متبلور بودند و در بازار پنل های خورشیدی به وفور یافت می شوند.»

محققان در این نمونه، از سلول های هتروجانکشن استاندارد استفاده کردند. آنها با استفاده از سلول هایی که کیفیت بالایی دارند توانستند به نرخ 16 درصد دست پیدا کنند.

تحقیقات اخیر نشان می دهد که ژنراتورهای باد، آب و خورشید، می‌توانند به صورت تئوری منجر به یک شبکه ملی قابل اعتماد و تهیه شوند اگر این ژنراتورها با مخزن ارزانی ترکیب شوند. محققان دانشگاه استنفورد، در طول یک دهه به بررسی مجموعه ای از برنامه ها بر پایه مقدار زیادی اطلاعات پرداخته اند تا تعیین کنند در کدام حالت آمریکا می تواند از سخت های فسیلی کاملاً به سمت انرژی های تجدیدپذیر روانه شود. سیستم فرض شده، بر پایه ذخیره و بازگرداندن گرما، سرما و برق برای ارضای نیاز مشتری در هر زمانی وابسته است.

گرمای جمع شده در جاذب های خورشیدی روی پشت بام در تابستان، می تواند در سنگ ها یا خاک ذخیره شده و برای گرمایش منازل در زمستان استفاده شود. برق اضافی یا ارزان قیمت می تواند برای درست کردن یخ استفاده شود که بعداً هنگامی که قیمت برق زیاد است، برای خنک کاری مناسب است.

برق اضافی می تواند برای تولید برق بیشتر استفاده شود. این عمل با استفاده مکمل از مکانیسم های تولید که محرک نیروگاه های خورشیدی و تجهیزات هیدروالکتریک هستند، انجام می شود. همچنین این دستگاه ها، انگیزه هایی برای کاهش مصرف انرژی در زمان اوج مصرف فراهم می آورند.

در این برنامه، هیدروژن نیز به عنوان وسیله ذخیره سازی استفاده می شود. در ساعت های کاهش مصرف، برق اضافی می تواند برای ساخت هیدروژن استفاده شود.

این مدل یک کشور کاملاً الکتریکی که تقریباً با هرچیزی که 100 درصد با برق کار می کنند مانند: ماشین ها، قطارها، اتوبوس ها، صنایع، گرمایش و سرمایش را پیش بینی می کند.

در چنین حالتی، هیچ نیازی به زغال سنگ، گاز طبیعی، سوخت های زیستی، انرژی اتمی و مزرعه های بزرگ باتری برای ذخیره برق نیست. چنین جهانی تا سال 2050 به طور کامل پاک و تمیز خواهد شد.

کارهای قبلی محققان پیشرفت های قابل توجهی داشته ولیکن منتقدان بر این باورند که یک شبکه الکتریکی ملی بدون ایستگاه های توان که با زغال سنگ یا گاز طبیعی کار کنند، قابل اعتماد نیست. زیرا که باد همیشه در حال وزیدن نیست، خورشید همواره نمی تابد و باتری ها برای ذخیره سازی و مدیریت برق ملی، به طور کافی قابل تأمین نیستند.

بازسازی شبکه

در تحقیقات اخیر این محققان، ترکیب راه های کم هزینه موجود برای ذخیره انرژی پاک و استفاده از انرژی ذخیره شده برای هموار کردن تقاضاهای نابرابر برای برق، گرما و سرما به طور همزمان برای حل این مشکل پیشنهاد می شود.

تمام انرژی خام این سیستم از باد، آب یا خورشید تأمین شده و از هیچ گاز طبیعی، سوخت های زیستی، زغال سنگ یا انرژی اتمی استفاده نمی شود. در نتیجه این امر، با کاهش آلودگی هوا، سالانه 10 هزار نفر نجات می یابند.

یک جامعه تماماً برقی می تواند سود بسیار زیادی داشته باشد. اگرچه ممکن است هزینه برق در این سیستم به ازای هر کیلووات ساعت در حدود برق تولیدی از سوخت های فسیلی باشد، اما در واقع، استفاده کننده ها 30 درصد کمتر از سیستم جدید استفاده می کنند زیرا که در سیستم جدید، کارایی موتورهای الکتریکی بسیار بیشتر از موتورهای احتراق شده است. همچنین ذخیره انرژی در این حالت، ارزان تر از باتری ها است. برخی از توربین ها، هنگامی که تقاضای فوری برای برقشان وجود ندارد، خاموش می شوند زیرا که هزینه ذخیره سازی بسیار بالا است. استفاده از برق اضافی برای تولید گرما به صورت همزمان با استفاده از جاذب های خورشیدی برای تولید گرما، مقدار انرژی ذخیره شده موجود را افزایش می دهد.

نکته مهم دیگر در استفاده از این پروژه، هزینه بسیار کمتر ذخیره سازی نسبت با باتری ها است. هزینه ذخیره سازی انرژی به این روش 1/10 هزینه ذخیره سازی در باتری است. از مزایای دیگر آن، حذف آلودگی هوا و پدیده گرمایش جهانی، پایداری سوخت های فسیلی، اشتغال زایی و کاهش احتمال قطع شدن توان به دلیل عواملی مانند تروریست است زیرا که انرژی بیشتری در وسعت بیشتری از زمین پراکنده شده است.


منابع: کوی دانش، پرتال جامع انرژی