Vätgas kommer att spela en nyckelroll för att minska vårt beroende av fossila bränslen. Det kan produceras på ett hållbart sätt genom att använda solenergi för att splittra vattenmolekyler. Den resulterande rena energin kan lagras, används för att driva bilar eller omvandlas till el på begäran. Men att göra det tillförlitligt i stor skala och till en överkomlig kostnad är en utmaning för forskare. Effektiv solväteproduktion kräver sällsynta och dyra material – för både solcellerna och katalysatorn – för att samla energi och sedan omvandla den.

Forskare vid EPFL:s Laboratory of Renewable Energy Science and Engineering (LRESE) kom på idén att koncentrera solbestrålning för att producera en större mängd väte över ett givet område till en lägre kostnad. De utvecklade ett förbättrat fotoelektrokemiskt system som, när den används i kombination med koncentrerad solbestrålning och smart värmehantering, kan förvandla solenergi till väte med en omvandlingshastighet på 17 % och oöverträffad effekt och strömtäthet. Vad mer, deras teknologi är stabil och kan hantera den stokastiska dynamiken i daglig solbestrålning.

Resultaten av deras forskning har precis publicerats i Naturenergi . "I vår enhet, ett tunt lager vatten rinner över en solcell för att kyla den. Systemtemperaturen förblir relativt låg, låter solcellen leverera bättre prestanda, " säger Saurabh Tembhurne, en medförfattare till studien. "På samma gång, värmen som extraheras av vattnet överförs till katalysatorer, därigenom förbättra den kemiska reaktionen och öka väteproduktionshastigheten, " tillägger Fredy Nandjou, en forskare vid LRESE. Väteproduktionen optimeras därför vid varje steg i omvandlingsprocessen.

Forskarna använde LRESE:s unika solsimulator för att visa enhetens stabila prestanda. Resultaten från demonstrationerna i laboratorieskala var så lovande att enheten har uppskalats och nu testas utomhus, på EPFL:s campus i Lausanne. Forskargruppen installerade en parabolspegel med en diameter på 7 meter som koncentrerar solinstrålningen med en faktor 1, 000 och driver enheten. De första testerna är på gång.

Vätgasstationer

Forskarna uppskattar att deras system kan köras i över 30, 000 timmar – eller nästan fyra år – utan några byten av delar, och upp till 20 år om vissa delar byts ut vart fjärde år. Deras solkoncentrator vänder sig och följer solen över himlen för att maximera dess avkastning. Sophia Haussener, chefen för LRESE och projektledaren, förklarar:"I soligt väder, vårt system kan generera upp till 1 kg väte per dag, vilket är tillräckligt med bränsle för en vätgasdriven bil att resa 100 till 150 kilometer."

För distribuerade, storskalig väteproduktion, flera koncentratorsystem skulle kunna användas tillsammans för att producera väte vid kemiska anläggningar eller för vätgasstationer. Tembhurne och Haussener planerar att ta sin teknik från labbet till industrin med ett spin-off-företag som heter SoHHytec.

Programvara med öppen källkod

Tack vare ett öppet gränssnitt, det kommer att vara möjligt att övervaka systemets momentana prestanda.

Som en del av deras forskning, forskarna utförde också en teknisk och ekonomisk genomförbarhetsstudie och utvecklade ett program med öppen källkod som heter SPECDO (Solar PhotoElectroChemical Device Optimization, http://specdo.epfl.ch). Detta program kan hjälpa ingenjörer att designa komponenter för billiga fotoelektrokemiska system för att producera solväte. Dessutom, de tillhandahöll ett dynamiskt benchmarkingverktyg som heter SPECDC (Solar PhotoElectroChemical Device Comparison), för jämförelse och bedömning av alla fotoelektrokemiska systemdemonstrationer.