مقاله

سوخت های خورشیدی

 

سوخت های خورشیدی ساخت سوخت از نور خورشید باعث ذخیره انرژی خورشید می شود تا بتواند در صورت تمایل در هر زمان از روز (یا شب) استفاده شود.

خورشیدی تا حد زیادی فراوان ترین منبع انرژی تجدیدپذیر موجود در زمین است.

با این حال ، خورشید در هر مکان مشخصی از سطح زمین یک منبع متناوب و متغیر است. بنابراین ، یک سیستم انرژی قابل اعتماد کاملاً مبتنی بر خورشیدی به روشی برای ذخیره انرژی گرفته شده از نور خورشید نیاز دارد تا در صورت تمایل ، در هر زمان از روز یا سال در دسترس باشد.

پیوندهای شیمیایی موجود در سوخت متراکم ترین راه برای ذخیره انرژی در خارج از هسته اتمی است. به عنوان مثال ، چگالی انرژی بنزین ۶۰ برابر بهترین باتری است. به عبارت دیگر ، ۶۰ تن باتری برای ذخیره انرژی ۱ تن بنزین مورد نیاز است.

سوختهای حاصل از نور خورشید:

  1. ذخیره انرژی گسترده در مقیاس شبکه را که برای جبران متناوب بودن انرژی خورشیدی مورد نیاز است ، فراهم کنید.

    هواپیماها ، کشتی ها و کامیون های سنگین نمی توانند کار کنند فقط روی باتری ها و به سوخت های پر انرژی نیاز دارید.

  2. منبع کافی از مایعات سوختی را که برای تأمین نیروی کامیون های سنگین ، کشتی ها و هواپیماها مورد نیاز است ، تهیه کنید. این وسایل نقلیه در حال حاضر ۴۰ ~ از سوخت حمل و نقل در سطح جهان را استفاده می کنند و با گسترش تجارت جهانی به ویژه در کشورهای در حال توسعه ، تقاضا بیشتر رشد خواهد کرد. برخلاف اتومبیل ، این وسایل نقلیه نمی توانند فقط با باتری کار کنند.

فناوری سوخت های خورشیدی چیست؟

فناوری های سوخت خورشیدی سیستم های توسعه ای هستند که از اجزای قوی ، ارزان و بسیار کارآمد برای تولید سوختهایی استفاده می کنند که به راحتی می توانند در زیرساخت های انرژی موجود ما استفاده شوند. فن آوری های سوخت خورشیدی از نور خورشید ، آب ، دی اکسید کربن و ازت موجود در هوا برای تولید سوخت استفاده می کنند. سوخت های خورشیدی پایدار هستند و هیچ انتشار خالصی از دی اکسید کربن تولید نمی کنند.

فناوری های سوخت خورشیدی مشابه فتوسنتز طبیعی است – گیاهان از نور خورشید سوخت (زیست توده) می سازند. با این حال ، رشد سریع محصولات زراعی ذخیره می شود

ما می توانیم سوخت را – گاز هیدروژن – از نور خورشید تولید کنیم فقط با پمپاژ برق از صفحات خورشیدی به آب. به این فرآیند الکترولیز آب گفته می شود و ساختن سوخت های خورشیدی به این روش از دو فناوری ثابت شده استفاده می کند: صفحات خورشیدی و الکترولیزرها. اگرچه بالغ است ، هر دو این فن آوری ها گران باقی می مانند و هیدروژنی که از این طریق تولید می شود وقتی با هیدروژن مقایسه می شود بسیار گران خواهد بود زیرا در حال حاضر از گاز طبیعی در مقیاس وسیعی تولید می شود. بعلاوه ، الکترولیزرهای تجاری معمولاً از کاتالیزورهای فلزات گرانبها (به عنوان مثال پلاتین و ایریدیم) استفاده می کنند ، که مانعی برای مقیاس گذاری این فناوری در سطح جهانی ایجاد می کند.

چه سوختهایی را می توان از نور خورشید تهیه کرد؟

گروه لوئیس منجر به توسعه فن آوری های سوخت خورشیدی می شود که مستقیماً از نور خورشید و آب گاز هیدروژن تولید می کنند. سوخت های حاوی کربن مانند گاز طبیعی (متان) یا سوخت های مایع مانند متانول یا اتانول ممکن است از نور خورشید ، آب و دی اکسید کربن تولید شوند. آمونیاک برای استفاده به عنوان کود در کشاورزی می تواند به طور غیر مستقیم از هیدروژن خورشیدی یا مستقیماً به عنوان سوخت خورشیدی از نور خورشید ، آب و نیتروژن موجود در هوا ساخته شود. سوخت ها با استفاده از فرآیندهای شناخته شده به راحتی قابل تبدیل هستند.

سوخت های خورشیدی همان کیفیت و کمیت خدمات انرژی را که مصرف کنندگان نهایی به آن عادت کرده اند ، بدون تغییر گسترده در زیرساخت ها ارائه می دهند و از این رو سوخت های “قطره ای” تولید می کنند که می تواند به بخشهای مهم اقتصاد انرژی خدمت کند. در جهان توسعه یافته و در حال توسعه مواد خوراکی سوخت خورشیدی فراوان است: نور خورشید ، آب ، دی اکسید کربن و ازت از هوا. سوخت های خورشیدی پایدار هستند و هیچ خالصی از دی اکسید کربن تولید نمی کنند.

آیا فن آوری های سوخت خورشیدی برای تجاری سازی آماده هستند؟

فناوری های سوخت خورشیدی سیستم های توسعه ای هستند که هنوز برای تجاری سازی آماده نیستند. اگرچه تعدادی از نمونه های اولیه به اثبات رسیده است ، اما آنها نمی توانند با فناوری های انرژی موجود رقابت کنند و نمی توانند ثبات طولانی مدت (۲۰ ساله) مورد نیاز را فراهم کنند.

موانع کلیدی چیست؟

مهمترین موانع تولید سوخت از نور خورشید به صورت تجاری عبارتند از:

  1. رقابت پذیری هزینه – با استفاده از فن آوری های فعلی ، هیدروژن ساخته شده از نور خورشید حدود ده برابر هیدروژن ساخته شده از سوخت های فسیلی هزینه دارد. هزینه بالای سوخت های خورشیدی در درجه اول ناشی از هزینه هایی مانند نیروی کار ، سیم کشی ، تجهیزات و مواد نصب صفحات خورشیدی است.
  2. کشف مواد و طراحی سیستم – از آنجا که سوخت های حاصل از نور خورشید با استفاده از فن آوری های فعلی هزینه ای بسیار بیشتر از سوخت های فسیلی دارند ، مواد کاملاً جدید و طرح های سیستم می توانند به سادگی و با هزینه کم نصب شوند.

دانشمندان برای غلبه بر موانع چه کاری انجام می دهند؟ 

روشهای مختلفی برای ساخت سیستم نمایشی سوختهای خورشیدی دنبال می شود. در یک رویکرد ، اجزای مولکولی فتوسنتز طبیعی ، مانند کلروفیل ها ، برای ساخت یک سیستم فتوسنتز کامل و کاربردی در غیاب یک موجود زنده زنده مانند گیاه یا باکتری های فتوسنتز یا جلبک ، برای ساخت یک سیستم فتوسنتز کامل و کاربردی ، سنتز و اصلاح می شوند. در روش دیگر ، از مولکولهای غیرآلی ، مانند کمپلکسهای فلزات انتقالی ، به جای کلروفیلها به عنوان جاذب نور استفاده می شود و این کمپلکسها یا از نظر شیمیایی به کاتالیزورهای بیولوژیکی متصل می شوند و یا با کاتالیزورهای غیر آلی ، مانند کلوئیدهای فلزی یا ذرات برای تولید سوختهای خورشیدی مرتبط می شوند . در رویکرد دیگری ، رنگهای فلزی برای جذب نور به فیلمهای تیتانیا پیوند می خورند ، و همچنین رنگها از نظر شیمیایی به کاتالیزورهای فلزات در حال انتقال برای تولید سوختهای خورشیدی متصل می شوند. نیمه هادی های غیر آلی ، مشابه آنچه در صفحات خورشیدی استفاده می شود ، می توانند به طور غیر مستقیم برای تولید برق در کنار کاتالیزورها برای تولید سوخت های خورشیدی استفاده شوند ، یا می توانند به عنوان فوتوالکترود برای تولید مستقیم سوخت از نور خورشید استفاده شوند. همه این رویکردها از نظر فنی و هزینه ای از مزایا و چالش های خاص خود برخوردارند و برای رسیدگی به آنها نیاز به کشف و تحقیقات بیشتر است.

گروه لوئیس ، همراه با شرکای ما و سایر دانشمندان و سازمان ها ، به دنبال طراحی های کاملاً جدیدی است که با استفاده از بخشی از هزینه بهترین فناوری های سوخت خورشیدی (صفحه های خورشیدی و الکترولیزرها) موجود ، سوخت حاصل از نور خورشید را تولید می کند. ایده اصلی در پشت طراحی های جدید ، ترکیب عملکرد پانل های خورشیدی و الکترولیزرها – تبدیل نور به الکتریسیته و به دنبال آن تبدیل الکتریسیته به هیدروژن – به یک فرآیند یک مرحله ای است که می تواند مستقیماً از نور خورشید سوخت تولید کند و در نتیجه ساده تر خواهد شد. سیستم هایی با هزینه نصب کم و مواد و در نتیجه هزینه های بسیار کمتری برای سوخت های خورشیدی.

با این وجود ، دستیابی به هزینه های کم به اندازه کافی با ترکیب این توابع نیاز به تماس صمیمی بین موادی دارد که نور را به الکتریسیته (نیمه رساناها) تبدیل می کنند با محیط بسیار خورنده مورد نیاز یک الکترولیزر کارآمد. این امر باعث می شود که نیمه هادی ها به سرعت خورده و از کار بیفتند. برای رفع این مشکل ، گروه لوئیس به دنبال نیمه هادی های جدید یا غیر سنتی است که در محیط های خورنده پایدار باشند و در حال توسعه پوشش های محافظتی است که از خوردگی نیمه هادی ها جلوگیری می کند.

اشکال متداول الکترولیزرهای تجاری به عناصر گران قیمت و کمیاب – پلاتین و ایریدیم – بستگی دارند تا واکنش های شیمیایی را کاتالیز کنند. گروه لوئیس در حال کشف مواد ارزان قیمت – ساخته شده از عناصر فراوان روی زمین مانند نیکل ، کبالت و فسفر – برای جایگزینی این کاتالیزورها بدون کاهش کارایی است.

علاوه بر این ، دانشمندان هنوز نمی دانند که چگونه از طریق دی اکسید کربن و آب در فناوری سوخت های خورشیدی ، سوخت های حاوی کربن – مانند گاز طبیعی (متان) یا سوخت های مایع (متانول یا اتانول) – تولید کنند. گروه لوئیس در حال کشف کاتالیزورهای جدیدی برای تولید سوختهای حاوی کربن است.

این چالش ها در مرزهای تحقیق در مورد سوخت های خورشیدی وجود دارد: کشف جاذب های جدید نور برای امکان عملکرد کارآمد ، ارزان و پایدار. کشف کاتالیزورهای جدید برای جایگزینی مواد گران قیمت که به طور یکپارچه با جاذب های نور جفت می شوند. کشف غشاهای مناسب جهت کارکرد ایمن و جداسازی محصولات بدون ایجاد خطر انفجار ؛ و اطمینان از سازگاری همه اجزای سازگار با یکدیگر و عملکرد آنها در همان شرایط عملیاتی برای تشکیل یک سیستم کامل برای تولید سوخت های خورشیدی. آزمایش توان عملیاتی بالا ، کشف مستقیم مواد ، محاسبات و تئوری پیشرفته و ابزارهای مدل سازی و شبیه سازی در سطح سیستم ، مواد اصلی در یک برنامه تحقیقاتی گسترده برای سوخت های خورشیدی هستند.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

نوشته های مشابه

دکمه بازگشت به بالا