Najlepsze połączenia elektrolizerów i modułów fotowoltaicznych zademonstrowane w warunkach rzeczywistych
Kluczem do tego jest elektroliza. Dzięki wykorzystaniu systemu elektrolizerów i modułów fotowoltaicznych nadmiarową energię można przekształcić w wodór i użyć go później, gdy zapotrzebowanie będzie wyższe niż podaż. W ten sposób akumulatory rezerwowe i przetwornice prądu stałego przestaną być potrzebne. Wodór może być stosowany w wielu różnych procesach przemysłowych, zapewniając użytkownikom cykl przetwarzania energii o zerowym śladzie węglowym netto – od wytworzenia przez składowanie po użytkowanie. Zadaniem zespołu projektu PECSYS (Technology demonstration of large-scale photo-electrochemical system for solar hydrogen production) jest zbadanie różnych kombinacji elektrolizerów i ogniw fotowoltaicznych w celu ulepszenia tej technologii. „Początkowy plan zakładał przetestowanie różnych materiałów i wybranie najlepszych do ostatecznego wdrożenia w instalacji demonstracyjnej. Szybko zrozumieliśmy jednak, że różne podejścia przynoszą różne korzyści. Z tego powodu zamiast wybierać tylko jedno rozwiązanie zdecydowaliśmy się przyjrzeć kilku technologiom”, mówi Sonya Calnan, koordynatorka projektu, która w centrum badawczym Helmholtz Zentrum Berlin kieruje grupą zajmującą się pozyskiwaniem paliwa z rozwiązań fotowoltaicznych.
Sprzężenie czy integracja?
W wypadku elektrolizerów konsorcjum skupiło się zarówno na elektrolizerach bezpośrednio sprzężonych z modułem fotowoltaicznym, jak i na takich, które są z nim zintegrowane. Bezpośrednie sprzężenie modułu fotowoltaicznego z elektrolizerem nie jest nowym pomysłem, ale zespół odkrył, że wciąż można go zoptymalizować. Jak wyjaśnia Calnan: „Nasi koledzy z ośrodka Forschungszentrum Jülich opracowali innowacyjny stos polimerowych membran elektrolitycznych PEM (ang. proton exchange membrane) z katalizatorami o zmniejszonej zawartości metali z grupy platynowców. W stworzonym przez ten zespół systemie woda pojawiała się jedynie po stronie katody. Pozwala to ograniczyć złożoność i koszt naszego rozwiązania w stosunku do konwencjonalnych elektrolizerów. Elektrolizerami zintegrowanymi z modułami fotowoltaicznymi zajęto się natomiast po to, by uzupełnić lukę w badaniach. Wcześniej w żadnych badaniach nie zademonstrowano ich długookresowego działania w warunkach rzeczywistych na skalę większą niż laboratoryjna. Pracownikom z ośrodka HZB i Uniwersytetu w Uppsali udało się uzupełnić wiedzę w tym zakresie, a przy tym uniknąć stosowania w katalizatorach metali z grupy platynowców i wykorzystać sprawdzone rozwiązania fotowoltaiczne do gromadzenia energii słonecznej. Jeśli chodzi o fotowoltaikę, konsorcjum wahało się między krzemowymi ogniwami fotowoltaicznym z heterozłączem a ogniwami fotowoltaicznymi CuInGaSe. Wybór padł na pierwsze rozwiązanie ze względu na jego wysoką efektywność przekształcania energii słonecznej w prąd, niski współczynnik temperaturowy, wysokie napięcie obwodu otwartego i ich dwustronność. Ostatecznym argumentem za tym wyborem były istniejące już plany zbudowania co najmniej jednego dużego zakładu produkcyjnego w Europie. „Ogniwa fotowoltaiczne CulnGaSe zostały z kolei wybrane ze względu na łatwość dostrajania pasma wzbronionego. Możemy zoptymalizować dopasowanie napięcia ogniw fotowoltaicznych i ogniw do elektrolizy, uwzględniając lokalne warunki klimatyczne w ośrodku operacyjnym”, dodaje Calnan.
Testy w warunkach rzeczywistych
Dwoma najważniejszymi osiągnięciami projektu są niewątpliwe instalacje demonstracyjne przetestowane w warunkach rzeczywistych. W niemieckiej miejscowości Jülich partnerzy projektu zamontowali instalację kolektorową o powierzchni 8,2 m². Składa się ona z pełnowymiarowych krzemowych modułów heterozłączowych i modułów CuInGaSe połączonych z oddzielnymi elektrolizerami PEM. W ciągu miesiąca nieprzerwanej pracy w terenie instalacja generowała średnio 42,9 g wodoru na godzinę, a jej średnia sprawność przetwarzania energii słonecznej na wodór wynosiła 10 %. Druga instalacja demonstracyjna została wykonana przez Włoską Radę ds. Badań Naukowych we włoskiej Katanii i obejmowała 730 cm² obszaru kolektorowego złożonego z dwustronnych krzemowych modułów fotowoltaicznych z heterozłączami. „Dwustronność jest innowacyjną koncepcją, która zwiększa wydajność produkcji wodoru bez podnoszenia kosztu. Udało nam się zademonstrować sprawność konwersji energii słonecznej w wodór na poziomie 13,5 % i szybkość produkcji wodoru wynoszącą 307 mg/h przy wartości promieniowania słonecznego równej 1000 W/m2 i temperaturze otoczenia wynoszącej 25 °C. To wzrost o 14 % w porównaniu z operacją jednostronną”, wyjaśnia Calnan wraz z zespołem. Projekt ma zakończyć się w grudniu 2020 roku. Do tego czasu zespół będzie pracował nad ostatecznym montażem zintegrowanych instalacji i oceną korzyści oferowanych przez opracowane rozwiązania. Uczestnicy mają nadzieję, że w dłuższej perspektywie projekt przyczyni się do powstania nowych koncepcji wdrażania ekonomicznych i autonomicznych systemów pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych.
Słowa kluczowe
PECSYS, elektrolizer, fotowoltaika, sprzężenie bezpośrednie, wodór, instalacja demonstracyjna, CuInGaSe
