太陽

研究者らは、太陽エネルギーを利用してグリーン水素と熱の両方を生成できるキロワット規模のパイロットプラントを構築した。 この太陽光発電プラントはこれまで建設された中で最大のもので、8時間で約0.5キログラムの水素を生成するが、これは等価出力で2キロワット強に相当する。

スイス連邦工科大学（EPFL）（ローザンヌ）の再生可能エネルギー科学工学教授ソフィア・ハウセナー氏は、「私たちは太陽熱水素生産の1kWの上限を突破しました」と語る。 「0.5キログラムの水素があれば、車を約100キロメートル走行することができます。あるいは、水素を燃料電池で使用して電気を生成し、4人世帯の1日の電力需要の約半分を満たすことができます。」

現在世界で使用されている水素の約 95 パーセントは、主に肥料やその他の化学薬品の製造、または石油精製に使用されており、天然ガスを分解して製造されており、その過程で二酸化炭素が発生します。 しかし、水素はまた、飛行機や船舶の燃料、住宅の暖房、発電にも大きな期待を抱いています。

しかし、持続可能な燃料となるためには、水素を排出量を最小限に抑えた再生可能エネルギーまたは原子力発電を使用して製造する必要があります。 このグリーン水素のアイデアは現在、世界中で加速しています。 例えば、これはオーストラリア経済の脱炭素化計画の中心となっている。

水素を製造する最も持続可能な方法の 1 つは、太陽エネルギーを利用して水を水素と酸素に分解することです。 これは、光起電装置と電解装置を組み合わせた光電気化学 (PEC) システムを使用して実行できます。 PV デバイスは太陽光を吸収し、水の電解分解を促進する電気を生成します。 「2 つの別々のシステムを設計して料金を支払う必要はありません」と Haussener 氏は言います。 「これは単一の統合システムであるため、最終的にはコスト面での利点があります。」

PEC システムは、実験室規模で非常に有望であることが示されています。 研究者らはこれまで、出力電力が 100 ワット未満の小規模セットアップを実証してきました。 Haussener 氏は、より大規模なシステムへのスケールアップは、効率、安定性、運用コストのバランスをとり、生産速度を最大化する必要があるため、簡単ではないと述べています。

そのバランスを達成するために、彼女と同僚は太陽の放射を小さな点に集中させ、そこに鏡付き反射板を使用して太陽電池モジュールを配置します。 これらはタンデム型多接合 III-V 半導体太陽電池を使用しており、太陽光を電気に変換するのに非常に効率的ですが、大面積デバイスで使用するには法外に高価です。

『Nature Energy』誌で報告した大規模なキロワット規模のシステムでは、研究者らは、太陽の通常の出力の約1,000倍に太陽放射を集中させる、反射鏡で覆われた幅7メートルの放物線状のソーラーディッシュを構築した。 この皿は 6 ～ 8 時間にわたって太陽を追跡します。

太陽電池モジュールによって生成された電気は、固体プラスチック材料を電解質として使用する電解槽の一種である高分子電解質膜電解槽を駆動します。 これらのデバイスは非常に高い電流密度で動作することができるため、電力の突然のスパイクを引き起こす可能性がある風力や太陽エネルギーと組み合わせて使用​​すると、他の電解槽よりも優位に立つことができます。

太陽電池に降り注ぐ集中した太陽エネルギーのすべてが電気に変換されるわけではありません。 その一部は廃熱に変換され、チームは熱交換器を使用して抽出します。 ハウセナー氏によれば、この熱は建物内の暖房や温水、あるいは工業プロセスの燃料として利用できる可能性があるという。

チームは EPFL キャンパスにシステムを構築し、設計と運用上のいくつかの課題を解決するのに約 2 年かかりました。 たとえば、重要な課題の 1 つは、システム内の水の流れを注意深く管理して、熱の利用を最大限に高め、効率を高めることでした。

現在、生産された水素は燃料電池に供給され、隣接する建物で電気が生成されます。 EPFL チームは現在、SoHHytec と呼ばれるスタートアップを通じて、水素と熱の生成技術を商業化するためにスケールアップしています。

SoHHytec は、より大型の幅 9 メートルのソーラー ディッシュを備えたシステムを構築している、とハウセナー氏は言います。 複数の皿を結合して、顧客の必要に応じて大小のシステムを構築できます。 最初の実証プロジェクトは年末までに稼働予定で、金属加工会社向けに行われ、金属加工に水素と熱を使用する予定だ。

このストーリーは 2023 年 4 月 12 日に更新されました。