هیدروژن به‌عنوان سوختی پاک و پایدار، نقشی کلیدی در کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و مقابله با بحران تغییرات اقلیمی ایفا می‌کند. این سوخت با انرژی ذخیره‌شده بالا و انتشار صفر کربن، به‌عنوان “سوخت آینده” شناخته می‌شود.
با این حال، روش‌های سنتی تولید هیدروژن، مانند اصلاح بخار متان، به انرژی فسیلی وابسته بوده و آلودگی‌های زیست‌محیطی ایجاد می‌کنند. ما در این مقاله از یونیکس مگ به بررسی فناوری‌های خورشیدی، به‌ویژه سلول‌های فتوولتائیک-الکترولیتی (PEC)، راهکاری نوین برای تولید هیدروژن پاک و تبدیل مستقیم نور خورشید به انرژی شیمیایی (هیدروژن)، می‌پردازیم.
رکورد جدید در کارایی سلول‌های فتوولتائیک-الکترولیتی (PEC) با فناوری‌های خورشیدی
محققان دانشگاه رایس آمریکا، به رهبری پروفسور آدیتا موهایت، دستگاهی ساخته و توسعه داده‌اند که با کارایی بی‌سابقه 20.8 درصد، انرژی خورشیدی را به هیدروژن تبدیل می‌کند. این موفقیت، که بدون نیاز به سیستم‌های تمرکز نور به دست آمده، رکوردی جدید برای سلول‌های PEC در حوزه فناوری‌های خورشیدی ثبت کرده است.
برخلاف روش‌های سنتی که به تجهیزات گران‌قیمت وابسته‌اند، این دستگاه با بهره‌گیری از مواد نوین و طراحی بهینه در فناوری‌های خورشیدی، کارایی تبدیل انرژی را به سطحی بی‌سابقه رسانده است.
این دستاورد، پتانسیل تولید هیدروژن پاک در مقیاس صنعتی را با استفاده از فناوری‌های خورشیدی تقویت کرده و راه را برای کاربردهای تجاری هموار می‌کند.
چالش‌های پروسکایت‌ها و راهکارهای نوین محافظتی در فناوری‌های خورشیدی
مواد پروسکایتی به دلیل جذب بالای نور و هزینه تولید پایین، گزینه‌ای ایده‌آل برای سلول‌های PEC در فناوری‌های خورشیدی هستند. با این حال، این مواد با چالش‌های جدی مواجه‌اند که پایداری و کاربرد گسترده آن‌ها را محدود می‌کند. محققان با طراحی راهکارهای نوین، این مشکلات را تا حد زیادی برطرف کرده‌اند.
چالش‌های پروسکایت‌ها:
- حساسیت به رطوبت: پروسکایت‌ها در تماس با آب به‌سرعت تخریب می‌شوند، که در فرآیند الکترولیز یک مانع اساسی است.
- ناپایداری شیمیایی: این مواد در برابر اکسیژن، گرما و نور UV مستعد تجزیه هستند و طول عمر سلول را کاهش می‌دهند.
- افت انتقال بار: تماس مستقیم با الکترولیت می‌تواند کارایی انتقال بار را کاهش دهد و بازده تولید هیدروژن را پایین بیاورد.
- پیچیدگی مقیاس‌پذیری: تولید پروسکایت‌ها در مقیاس بزرگ با حفظ کیفیت، به دلیل حساسیت ساختاری دشوار است.
راهکارهای نوین محافظتی:
- لایه‌های ضدخوردگی: لایه‌های نازک از اکسیدهای فلزی یا پلیمرهای مقاوم برای محافظت از پروسکایت در برابر رطوبت.
- لایه‌های رابط الکترونیکی: لایه‌هایی که انتقال بار را بهبود داده و از افت کارایی جلوگیری می‌کنند.
- کپسوله‌سازی پیشرفته: تکنیک‌هایی برای ایزوله کردن پروسکایت‌ها از عوامل محیطی مانند رطوبت و نور UV.
- مواد ترکیبی مقاوم: افزودن موادی مانند نانوذرات برای افزایش مقاومت شیمیایی و ساختاری پروسکایت‌ها.
این نوآوری‌ها، که در تحقیقات دانشگاه رایس در حوزه فناوری‌های خورشیدی به کار گرفته شده‌اند، پایداری پروسکایت‌ها را بهبود داده و امکان استفاده از آن‌ها در محیط‌های خشن را فراهم کرده‌اند.
مزایای طراحی جدید سلول‌های PEC در فناوری‌های خورشیدی
طراحی جدید سلول‌های PEC با بهره‌گیری از مواد ارزان‌تر و کارآمد، تحولی در تولید هیدروژن با استفاده از فناوری‌های خورشیدی ایجاد کرده است. برخلاف سیستم‌های سنتی که به نیمه‌هادی‌های گران‌قیمت وابسته بودند، این طراحی هزینه تولید را به‌طور چشمگیری کاهش داده است. از دیگر مزایای این محصول می‌توان به جدول زیر اشاره کرد:
| مزیت | توضیح | اثر نهایی |
|---|---|---|
| کاهش هزینه تولید | استفاده از مواد ارزان‌تر و در دسترس به‌جای نیمه‌هادی‌های گران‌قیمت | مقرون‌به‌صرفه‌تر شدن فناوری |
| سازگاری بالا | قابلیت انطباق پلتفرم با انواع مختلف سلول‌های PEC | انعطاف‌پذیری در کاربردهای صنعتی |
| بازدهی بالا | دستیابی به راندمان بیش از 20.8٪ | افزایش بهره‌وری در تولید هیدروژن |
| قابلیت تجاری‌سازی | ترکیب هزینه پایین و بازدهی بالا | فراهم‌سازی شرایط رقابت با روش‌های سنتی |
| پتانسیل صنعتی | امکان استفاده در مقیاس بزرگ با نیازهای متنوع | توسعه پایدار و افزایش پذیرش بازار |
تولید هیدروژن از آب دریا: نوآوری در بازده و شیرین‌سازی با فناوری‌های خورشیدی
استفاده از آب دریا به‌عنوان منبع تولید هیدروژن، نوآوری‌ای است که با توجه به فراوانی این منبع (97 درصد از آب‌های زمین)، پتانسیل بالایی برای تولید هیدروژن در مقیاس جهانی با فناوری‌های خورشیدی دارد.
تحقیقات اخیر نشان داده‌اند که با ترکیب پنل‌های خورشیدی و دستگاه‌های تقطیر حرارتی در فناوری‌های خورشیدی، می‌توان بازده تولید هیدروژن را به 12.6 درصد رساند و همزمان 1.2 لیتر آب شیرین در هر متر مربع تولید کرد. این سیستم از نور خورشید برای تولید برق موردنیاز الکترولیز و از گرمای خورشیدی برای شیرین‌سازی آب دریا استفاده می‌کند.
ویژگی‌های کلیدی این فناوری:
- منبع پایدار: استفاده از آب دریا، فشار بر منابع آب شیرین را کاهش می‌دهد و این روش را برای مناطق کم‌آب مناسب می‌کند.
- تولید آب شیرین: تولید همزمان آب شیرین، ارزش افزوده‌ای برای مناطق ساحلی با کمبود آب ایجاد می‌کند.
- هزینه پایین: پیش‌بینی می‌شود هزینه تولید هیدروژن در طولانی‌مدت به کمتر از 1 دلار در هر کیلوگرم برسد.
- پایداری زیست‌محیطی: این روش با استفاده از فناوری‌های خورشیدی، هیچ‌گونه آلودگی کربنی تولید نمی‌کند.
چالش‌ها و جهت‌گیری‌های آینده:
خوردگی تجهیزات در تماس با آب دریا به‌دلیل حضور نمک، یکی از مهم‌ترین چالش‌های فناوری‌های خورشیدی برای تولید هیدروژن است. استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگی و بهینه‌سازی فرآیند تقطیر حرارتی، از اولویت‌های اصلی تحقیقات برای افزایش بازده و دوام سیستم‌ها محسوب می‌شود.
با ادغام این فناوری‌ها با زیرساخت‌های خورشیدی موجود، امکان ارائه راهکاری کارآمد و پایدار برای تولید هیدروژن پاک فراهم می‌شود.
استفاده بهینه از طیف خورشیدی: ترکیب برق و گرما در فناوری‌های خورشیدی
بهره‌گیری از طیف کامل نور خورشید، کارایی سیستم‌های تولید هیدروژن در فناوری‌های خورشیدی را به سطح جدیدی رسانده است. نور خورشید شامل امواج مرئی، مادون قرمز و فرابنفش است که هر یک می‌توانند برای اهداف خاصی استفاده شوند.
در سیستم‌های ترکیبی فناوری‌های خورشیدی، از نور مرئی برای تولید برق و از گرمای مادون قرمز برای فرآیندهای حرارتی بهره گرفته می‌شود.
جزئیات فرآیند فناوری خورشیدی:
- تولید برق: پنل‌های خورشیدی از نور مرئی برای تولید برق استفاده می‌کنند که مستقیماً به الکترولیز برای تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن هدایت می‌شود.
- تقطیر حرارتی: گرمای مادون قرمز برای تبخیر آب دریا در فرآیند تقطیر استفاده می‌شود، که منجر به تولید آب شیرین می‌گردد.
- بهینه‌سازی انرژی: استفاده از هر دو بخش طیف خورشیدی، اتلاف انرژی را به حداقل می‌رساند و کارایی سیستم را افزایش می‌دهد.
مزایای استفاده بهینه از طیف خورشیدی:
- کارایی بالا: بهره‌گیری از نور و گرما، بازده کلی سیستم را بهبود می‌بخشد.
- کاهش هزینه‌ها: حذف نیاز به منابع انرژی اضافی، هزینه‌های عملیاتی را کاهش می‌دهد.
- انعطاف‌پذیری: این فناوری در مناطق با تابش خورشیدی بالا، مانند مناطق بیابانی یا ساحلی، قابل پیاده‌سازی است.
- پایداری: استفاده از فناوری‌های خورشیدی، این روش را به گزینه‌ای پاک و بدون آلودگی تبدیل کرده است.
- چشم‌انداز آینده: طراحی سیستم‌هایی که بتوانند نور و گرما را به‌طور همزمان و با کارایی بالا مدیریت کنند، نیازمند مواد پیشرفته و تجهیزات مقاوم است. بهینه‌سازی فرآیندهای تقطیر حرارتی و ادغام با فناوری‌های خورشیدی مانند سلول‌های PEC، از جهت‌گیری‌های کلیدی برای توسعه این فناوری است.
پیشرفت‌های اخیر در سلول‌های پاروسکایت-سیلیکون و PEC
تحقیقات اخیر در حوزه سلول‌های پاروسکایت-سیلیکون و فتوولتائیک-الکترولیتی (PEC) پیشرفت‌های چشمگیری را در کارایی و پایداری فناوری‌های خورشیدی نشان می‌دهند. ترکیب مواد پاروسکایت با سیلیکون و بهبود طراحی سلول‌های PEC، بازده تبدیل انرژی خورشیدی به هیدروژن را به سطوح جدیدی رسانده است.
این پیشرفت‌ها، همراه با کاهش هزینه‌های تولید و افزایش دوام مواد، راه را برای کاربرد گسترده‌تر فناوری‌های خورشیدی در تولید هیدروژن پاک هموار کرده‌اند.
پیشرفت‌های کلیدی:
- بازده بالای 20.8 درصد: سلول‌های پاروسکایت-سیلیکون در تحقیقات دانشگاه رایس به بازده 20.8 درصد دست یافته‌اند، که نسبت به بازده‌های قبلی (8 تا 14 درصد) جهشی قابل‌توجه است.
- بهبود پایداری مواد: استفاده از لایه‌های محافظ و کپسوله‌سازی پیشرفته، دوام پروسکایت‌ها را در برابر رطوبت و عوامل محیطی افزایش داده است.
- کاهش هزینه‌ها: بهره‌گیری از مواد ارزان‌تر و فرآیندهای تولید ساده‌تر، هزینه‌های ساخت سلول‌های PEC را کاهش داده است.
- انعطاف‌پذیری طراحی: پلتفرم‌های جدید PEC قابلیت سازگاری با مواد و کاربردهای مختلف را دارند، که پتانسیل تجاری‌سازی را تقویت می‌کند.
- مقایسه با تحقیقات پیشین: آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر (NREL) در سال 2017 بازده 16.2 درصد را گزارش کرده بود، که پیشرفت‌های اخیر نشان‌دهنده بهبود قابل‌توجهی هستند.
چشم‌انداز آینده: اقتصاد هیدروژن و تجاری‌سازی با فناوری‌های خورشیدی
پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌های خورشیدی برای تولید هیدروژن، چشم‌اندازی امیدوارکننده برای تحقق “اقتصاد هیدروژن” ترسیم کرده‌اند. این فناوری‌های خورشیدی با کاهش هزینه تولید هیدروژن به کمتر از 1 دلار در هر کیلوگرم، پتانسیل رقابت با سوخت‌های فسیلی را دارند.
تولید همزمان آب شیرین در سیستم‌های مبتنی بر آب دریا، ارزش افزوده‌ای ایجاد می‌کند که به‌ویژه در مناطق کم‌آب، مانند خاورمیانه و شمال آفریقا، اهمیت بسزایی دارد.
تجاری‌سازی فناوری‌های خورشیدی نیازمند سرمایه‌گذاری در زیرساخت‌های تولید، مانند مزارع خورشیدی پیشرفته و کارخانه‌های الکترولیز، بهبود دوام مواد، و توسعه زنجیره تأمین هیدروژن است. ادغام این سیستم‌ها با شبکه‌های انرژی تجدیدپذیر موجود می‌تواند مقیاس‌پذیری را تسریع کند.
علاوه بر این، سیاست‌گذاری‌های حمایتی، مانند یارانه‌های انرژی پاک، معافیت‌های مالیاتی، و استانداردسازی فرآیندهای تولید، نقش کلیدی در تبدیل هیدروژن خورشیدی به یک منبع انرژی اصلی ایفا می‌کنند. پیشرفت در فناوری‌های ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل هیدروژن، مانند مخازن فشار بالا و خطوط لوله اختصاصی، امکان استفاده گسترده‌تر از این سوخت را در بخش‌های حمل‌ونقل (مانند خودروهای هیدروژنی)، صنایع سنگین (مانند تولید فولاد) و تولید برق فراهم می‌کند.
این تحول نه‌تنها وابستگی به منابع فسیلی را کاهش می‌دهد، بلکه با کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، به تحقق اهداف جهانی پایداری، کمک می‌کند.
نتیجه‌گیری: گامی به سوی تولید هیدروژن پاک و پایدار با فناوری‌های خورشیدی
فناوری‌های خورشیدی برای تولید هیدروژن، به‌ویژه سلول‌های PEC و سیستم‌های ترکیبی آب دریا، با پیشرفت‌های اخیر به مرحله‌ای رسیده‌اند که نه‌تنها از نظر علمی، بلکه از نظر اقتصادی و کاربردی نیز برجسته هستند.
استفاده از مواد حفاظتی برای پروسکایت‌ها، بهره‌گیری از طیف کامل خورشیدی، و تولید همزمان هیدروژن و آب شیرین، فناوری‌های خورشیدی را به گزینه‌ای مناسب برای آینده انرژی پاک تبدیل کرده است. با ادامه تحقیقات و بهبود دوام و هزینه‌ها، تولید هیدروژن با فناوری‌های خورشیدی می‌تواند به ستون اصلی اقتصاد انرژی پایدار تبدیل شود.
سوالات متداول درباره‌ی فناوری‌های خورشیدی
بازدهی سلول‌های PEC چقدر است؟
پیشرفت‌های اخیر نشان داده‌اند که بازده سلول‌های PEC می‌تواند تا ۲۰.۸٪ افزایش یابد، که نسبت به فناوری‌های قبلی جهش قابل‌توجهی است.
آیا می‌توان از آب دریا برای تولید هیدروژن استفاده کرد؟
بله، با فناوری‌های خورشیدی ترکیبی می‌توان از آب دریا به‌عنوان منبع پایدار استفاده کرد و همزمان هیدروژن و آب شیرین تولید نمود. این روش، هزینه تولید هیدروژن را کاهش و ارزش افزوده ایجاد می‌کند.
چشم‌انداز آینده فناوری‌های خورشیدی در اقتصاد هیدروژن چیست؟
تجاری‌سازی فناوری‌های خورشیدی، همراه با زیرساخت‌های تولید و سیاست‌های حمایتی، می‌تواند هیدروژن را به ستون اصلی اقتصاد انرژی پاک تبدیل کند و به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کند.
چه نوآوری‌هایی باعث افزایش دوام سلول‌های PEC شده‌اند؟
استفاده از لایه‌های محافظ، کپسوله‌سازی پیشرفته، مواد ترکیبی مقاوم و طراحی بهینه سلول‌ها باعث افزایش پایداری و طول عمر سلول‌های PEC شده است.
