Pozrite si
Rastliny prostredníctvom fotosyntézy vyrábajú z oxidu uhličitého a vody (za príspevku energie svetla) stavebné prvky pre svoje organizmy. Vedľajším produktom pri tvorbe polysacharidov je kyslík, uvoľňovaný do ovzdušia, a nezanedbateľným bonusom je aj odčerpávanie atmosférického CO2.
Inšpirácia z rastlín?
Umelá fotosyntéza, ktorú vedci vyvíjajú už niekoľko rokov, funguje inak. Pomocou slnečného žiarenia rozkladá vodu na vodík a kyslík, pričom vodík sa dá úspešne využívať ako palivo, vrátane výroby elektriny v palivových článkoch. Oxid uhličitý zostáva pri umelej fotosyntéze nedotknutý.
Napriek tomu ide o zaujímavú a perspektívnu technológiu, pretože lacná výroba vodíka by napomohla rozvoju automobilov s palivovými článkami. Tie dnes v rozšírení zaostávajú za elektromobilmi, ale mnohí odborníci sa domnievajú, že vodíkové autá budú voči elektromobilom na batérie silnou alternatívou.
Problémom je súčasná výroba vodíka. Získavame ho buď chemickou cestou, alebo elektrolýzou vody za účasti katalyzátorov z drahých kovov. Umelá fotosyntéza využívajúca ako zdroj energie slnečné svetlo, by mohla výrobu vodíka zlacniť a zefektívniť.
Trojnásobná účinnosť
Časom by sa technológie na báze umelej fotosyntézy mohli stať jednou z hlavných metód výroby vodíka pre palivové články. Prekážkou je však nízka energetická účinnosť článkov, používaných na rozklad vody na vodík a kyslík.
Vedci vypočítali, že konvenčné zariadenia na umelú fotosyntézu používajúce kremík a vanadičnan bizmutu majú účinnosť 6,8 percenta, čo nie je veľa. Bežné fotovoltaické články vyrábajúce zo slnečného žiarenia elektrinu majú účinnosť konverzie 18-20%, špeciálne viacprechodové články môžu dosiahnuť účinnosť až 45%.
Zmenu však zrejme prinesú hybridné články, ktoré zo slnka a vody vyrobia okrem vodíka aj elektrinu. Hybridné fotoelektrochemické a voltaické články (hybrid photoelectrochemical and voltaic, HPEV) na výrobu elektriny využívajú energiu, ktorá bola pri umelej fotosyntéze doteraz odvádzaná ako odpadná.
Vedci z Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) pri americkom Ministerstve energetiky našli spôsob, ako účinnosť umelej fotosyntézy zvýšiť. Pri článkoch HPEV zostáva síce účinnosť výroby vodíka rovnaká (6,8%), ale pridáva sa k nej ďalších 13,4 percenta solárnej energie premenenej na elektrinu. Spolu tak dosahujú hybridné články účinnosť až 20,2%.
„Je to, akoby ste autom jazdili stále na prvom prevodovom stupni,“ hovorí Gideon Segev, vedúci autor štúdie o konvenčných článkoch na umelú fotosyntézu. „Je tu energia, ktorú by ste mohli využiť, ale pretože kremík nepracuje v bode jeho maximálnej energetickej efektivity, väčšina excitovaných elektrónov v kremíku nemá kam ísť a strácajú energiu skôr, ako by ju bolo možné využiť.“
Riešením sa stal druhý elektrický kontakt, ktorý vedci pridali na zadnú stranu kremíkovej vrstvy. Takto sa rozdeľuje prúd produkovaný pri premene solárnej energie, takže časť prúdu rozloží vodu na vodík a kyslík a časť sa zachytí ako elektrina.
Zatiaľ len v laboratóriách
Výskumníci projekt HPEV článkov najskôr testovali pomocou simulácií a následne vytvorili prototyp. Pri skúškach sa potvrdilo, že princíp technológie funguje presne podľa očakávaní. Vedecký tím plánuje pokračovať v zdokonaľovaní zariadenia, takže sa snáď časom dočkáme komerčného nasadenia technológie hybridnej umelej syntézy.
V rámci win-win stratégie by solárna elektráreň na báze takýchto HPEV článkov mohla vyrábať pohonné médiá pre elektromobily, aj vodíkové autá súčasne.
Štúdia bola publikovaná v časopise Nature Materials.
Zdroj