Dhá Chosán chun Cumhachta na Gréine: Táirgeadh Hidrigin Gréine agus Cumhacht Gréine Comhchruinnithe a Thuiscint

Cé go smaoiníonn formhór na ndaoine aonair ar leictreachas gréine mar phainéil fhótavoltach a úsáideann solas na gréine le haghaidh fuinnimh; tá i bhfad níos mó bealaí ann inar féidir leat luach a dhíorthú tríd an ghrian ná painéil fhótavoltach amháin. Mar shampla, is féidir leat an ghrian a úsáid chun breosla hidrigine glan a tháirgeadh agus chun cumhacht áirgiúlachta a ghiniúint trí theas. Tá cúpla teicneolaíochtaí spreagúil nua ann atá ag brú an clúdach ar fhuinneamh na gréine: hidrigin ó fhoinsí fuinnimh gréine agus cumhacht gréine comhchruinnithe (CSP).

Tugtar "breosla an lae amárach" ar hidrigin ar chúiseanna éagsúla. Tá thart ar 142 MJ/kg ábhar fuinnimh i hidrigin, agus má úsáideann tú hidrigin i gcill bhreosla, is é an t-aon astuithe a tháirgtear trí uisce. Mar sin féin, tá táirgeadh méideanna móra den bhreosla hidrigine glan, fós ina dhúshlán mór maidir le hidrigin a tháirgeadh. Bealach amháin chun an tsaincheist seo a réiteach ná solas na gréine a úsáid chun uisce a scoilt mar mhodh táirgthe hidrigine, níl astuithe gáis cheaptha teasa nialasacha ag an bpróiseas seo.

Tá trí phríomhchineál táirgthe hidrigine ó fhuinneamh na gréine atá ag leibhéil aibíochta éagsúla faoi láthair:

Úsáideann an chéad teicneolaíocht (an chuid is mó aibí) painéil fhótavoltach (PV) in éineacht le electrolyzers. Is feistí leictreacha iad leictrilítitheoirí a thógann leictreachas agus a thiontaíonn uisce go hidrigin agus ocsaigin trí úsáid a bhaint as aistriú teasa agus teasa. Is iad na córais PV is forbartha agus is fusa a bhíonn siad ar fáil; Tá córais PV an-modúlach agus iontaofa; nuair a bhíonn PV agus electrolyzer ceangailte gan aon fheiste comhshó cumhachta, tá éifeachtacht chomhshó STH an chórais iomláin tar éis druidim leis an teorainn theoiriciúil.

Léiríonn taighde go sáraíonn córais chomhchruinnithe PV na córais thraidisiúnta go mór. Ag baint úsáide as cealla InGaP/GaAs/Ge faoi thiúchan gréine 750, bhain na heolaithe éifeachtúlachtaí STH de 18-21% amach le rátaí táirgthe de 0.8-1.0 lítear hidrigine in aghaidh an nóiméid in aghaidh an mhéadair chearnaigh d'achar an mhodúil. I gcomparáid le modúil sileacain traidisiúnta faoi aon ghrian amháin, níor bhain siad amach ach thart ar 9.4% éifeachtúlacht STH le rátaí táirgthe thart ar 0.3 L/nóim·m². Léiríonn sé seo buntáiste feidhmíochta 1.5 go 3 huaire do chórais tiubhaithe.

Tá raon úsáide éifeachtach idir 70-80% ag leictrealú uisce, rud a fhágann go bhfuil an rogha seo níos tarraingtí agus praghsanna leictreachais in-athnuaite sa todhchaí á meas. Is é an t-aon dúshlán mór atá ann faoi láthair ná praghas ard na n-leictrealaitheoirí agus do-intuarthacht radaíocht na gréine, rud a fhágann go bhfuil gá le comhtháthú cúramach sa chóras.

Úsáideann córais fhótaleictricheimiceach (PEC) cur chuige níos comhtháite ná modhanna roimhe seo chun uisce a leictrealú trí fhuinneamh leictreach a ghiniúint ar dtús agus ansin an fuinneamh sin a úsáid chun hidrigin a ghiniúint as uisce. Úsáideann PECanna ábhair leathsheoltóra báite in uisce, atá in ann solas a ionsú ón ngrian agus é a thiontú go díreach chun fuinneamh a stóráil go ceimiceach i bhfoirm hidrigine trí leictrealú uisce. Tarlaíonn sé seo nuair a bhuaileann solas an leathsheoltóir ag cruthú péirí leictreon/poill. Laghdaíonn na leictreoin sa mheicníocht leathsheoltóra prótóin chun hidrigin a fhoirmiú; ocsaídeoidh na poill a chruthaítear na móilíní uisce a tháirgeann ocsaigin.

Rinne Shinichiro Fujishima agus Honda taighde ar PECanna den chéad uair tuairim is 50 bliain ó shin nuair a fuair siad amach go bhféadfadh leictreoid dé-ocsaíde tíotáiniam (TiO2) H2O a roinnt ina H2 agus O2 nuair a chuirtear é le catóide/cóimhiotal platanam agus é soilsithe le solas UV. (Tugtar "éifeacht Honda-Fujishima" air seo")

Faoi láthair, tá dearadh tarraingteach dlúth ag córais PEC a bhfuil ar a gcumas tiontú díreach gréine go hidrigine a bhaint amach trí mheicníocht shimplí galánta. In ainneoin na ngnéithe deartha dearfacha seo, tá teicneolaíocht PEC fós ina thús agus ní mór di roinnt dúshláin shuntasacha a shárú sular féidir le tráchtálú tarlú, mar shampla éifeachtacht íseal ina n-athchóiriú hidrigine, díghrádú ábhar a úsáidtear chun cealla PEC a chruthú, agus inscálaitheacht feidhmíochta. Mar sin, tá taighde leanúnach á dhéanamh ar ardábhair agus fótaleictreoidí nanastruchtúrtha atá deartha chun aghaidh a thabhairt ar na saincheisteanna seo.

Ceann de na bealaí is cruthaithí chun é seo a dhéanamh ná úsáid a bhaint as ábhair leathsheoltóra ar mhéid nanascála (ar a dtugtar poncanna chandamach freisin) scaipthe i meán uiscí mar fhóta-catalaithe. Nuair a bhíonn siad soilsithe le solas na gréine, táirgeann siad leictreoin (agus poill) ar féidir leo aistriú chuig comhéadan an cháithnín agus tús a chur leis na leathfhrithghníomhartha ocsaídiúcháin agus laghdaithe dá dtagraítear mar éabhlóid hidrigine agus éabhlóid ocsaigine faoi seach.

Éilíonn córas fótachatalaíoch na gcáithníní singil, nó córas excitation aon chéim, go dtrasnaíonn bandáil an leathsheoltóra an poitéinseal éabhlóid hidrigine agus an poitéinseal éabhlóid ocsaigine araon. Tá córas fótacatalyst dhá pháirt nó cumraíocht fótacatalyst "Z-scéim" ann freisin ina bhfuil dhá fhótacatalyst éagsúil ceangailte le chéile ag idirghabhálaí ceimiceacha (ie lánúin redox) ionas go dtarlaíonn scoilteadh uisce in dhá chéim ar leith nó i leath-imoibrithe. Laghdaíonn sé seo go mór an fuinneamh atá ag teastáil le haghaidh gach imoibrithe, agus ceadaítear éagsúlacht níos mó solais infheicthe a úsáid.

Léiríonn dul chun cinn le déanaí acmhainneacht an chur chuige seo. Chuir foireann taighde Síneach faoi stiúir Liu Gang ag an Institiúid um Thaighde Miotail feabhas ar dhé-ocsaíd tíotáiniam-an príomhábhar fótacatalytach-trí scaindiam a chur leis trí "athmhúnlú struchtúrach" agus "ionadú eiliminte." Luíonn na hiain scandium go réidh isteach i laitíse an ábhair, ag fáil réidh le "criosanna gaiste" a shníonn leictreoin de ghnáth, agus déanann siad an dromchla criostail a athmhúnlú chun "bóithre leictreonacha" a fhoirmiú a threoraíonn iompróirí muirir go héifeachtach.

Úsáideann an t-ábhar feabhsaithe níos mó ná 30% den solas ultraivialait agus baintear amach ráta táirgthe hidrigine faoi sholas na gréine insamhlaithe 15 huaire níos airde ná na leaganacha níos luaithe. De réir na foirne taighde, d’fhéadfadh painéal fótacatalytach méadar cearnach thart ar 10 lítear hidrigin a tháirgeadh in aghaidh an lae faoi sholas na gréine.

Cé go bhfanann fótacatalysis cáithníneach sa tsaotharlann, tá an poitéinseal atá ann d’imscaradh ar scála mór an-láidir. Tá fótachatalaíoch foirmeacha púdair níos simplí le láimhseáil agus is fusa iad a scaipeadh thar limistéir mhóra ag baint úsáide as próisis a d’fhéadfadh a bheith neamhchostasach i gcomparáid le córais leictrealaithe nó PEC PV.

Tá cur chuige bunúsach difriúil ag Cumhacht na Gréine Comhchruinnithe (CSP) maidir le leas a bhaint as an ngrian. In ionad solas a thiontú go leictreachas go díreach, úsáideann CSP scátháin chun solas na gréine a chomhchruinniú, chun teas ar ardteocht a ghiniúint, agus ansin tuirbíní traidisiúnta a thiomáint chun leictreachas a tháirgeadh.

Tá an coincheap bunúsach an-simplí. Leanann heliostats, nó socruithe scátháin, cúrsa laethúil na Gréine agus léiríonn siad gathanna na gréine chuig bailitheoir atá suite ag barr túir. Úsáidtear an tiúchan seo de sholas na gréine chun sreabhán oibre a théamh go teocht an-ard, agus nuair a tháirgtear an teas, úsáidtear an sreabhach oibre téite i nginiúint gaile a rothóidh tuirbín ag tiomáint an ghineadóra.

Is é an cumas stóráil fuinnimh theirmeach a ionchorprú i gcóras CSP a fhágann go bhfuil luach den sórt sin ag CSP. Is féidir an teas a tháirgtear trí phróiseas comhchruinnithe ghathanna na gréine a ghabháil agus a stóráil ar feadh uaireanta, rud a chiallaíonn gur féidir le giniúint leictreachais ón gcóras CSP tarlú i bhfad tar éis luí na gréine. Is í an ghné inseolta den CSP-is é sin, nuair a bhíonn leictreachas de dhíth ort is féidir leat é a tháirgeadh-a dhéanann idirdhealú idir CSP agus córais gréine PV, a scoireann de leictreachas a tháirgeadh nuair a thosaíonn sé ag scamall thar oíche nó san oíche.

Tá an teicneolaíocht atá le fáil ag barr na pirimide faoi láthair (Gemasolar sa Spáinn, Crescent Dunes i Nevada agus Noor III) ag baint le salann leáite leachtach a úsáidtear ní hamháin chun teas a aistriú, ach freisin chun fuinneamh a stóráil. D'éirigh leis na trí chóras go léir a thaispeáint go bhfuil siad in ann oibriú go leanúnach ar feadh 24 uair an chloig iomlán agus iad ag cothabháil níos mó ná 15 uair an chloig de stóráil fuinnimh le salainn leáite leachtacha amháin.

Cuirfidh clár Giniúint Cumhachta Gréine Comhchruinnithe 3 (CSP Gen3) de chuid na Roinne Fuinnimh SAM an teicneolaíocht seo chun cinn thar na córais CSP leibhéal tráchtála atá ann faoi láthair. Is é ceann de na cineálacha cur chuige deartha atá á iniúchadh faoin gclár CSP Gen3 an córas "Cosán Leachtach", a úsáideann clóirídídí leachtacha ar chostas réasúnta íseal mar stóráil fuinnimh, agus glacadóir sóidiam leachtach ag thart ar 740oC chun teas a aistriú chuig an timthriall cumhachta dé-ocsaíd charbóin supercritical (sCO2). Oibreoidh an timthriall cumhachta sCO2 ar fad ag éifeachtacht níos airde ná na timthriallta cineál Rankine gaile traidisiúnta freisin.

Is dul chun cinn suntasach é seo ó mhonarchana reatha, a fheidhmíonn de ghnáth ag thart ar 565 céim ag baint úsáide as salainn níotráite. Cumasaíonn teochtaí oibriúcháin níos airde éifeachtúlacht níos fearr agus íslíonn siad costas leibhéalaithe fuinnimh-tá sprioc Gen3 faoi bhun $60 in aghaidh na meigeavata-uair an chloig.

Ligeann córas salainn leáite dhá umar le hoibreoirí salann a chur i gcúrsaíocht trí ghlacadóirí gréine chun luchtú (an umar "te" a théamh), agus ansin trí mhalartóirí teasa chun gal a ghiniúint nuair is gá an scaoileadh. Tá éifeachtacht theirmeach na stórála féin ard-tá stóráil teasa in umair inslithe níos mó ná 90% éifeachtacht do thimthriallta laethúil.

Tá teorainn bhunúsach le sárú, áfach, maidir le héifeachtúlacht an turais do stóráil leictreachais. Is gnách nach n-éiríonn le teas a thiontú ar ais go leictreachas trí thuirbíní gaile ach 35-éifeachtúlacht theirmeach a bhaint amach. Tá sé ag streachailt le tuirbíní CO2 sárchriticiúil fiú dul thar 50%. Mar chomparáid, sáraíonn cadhnraí ian litiam éifeachtacht 85% turas cruinn.

Ciallaíonn an pionós éifeachtúlachta seo go bhfuil CSP níos oiriúnaí d’fheidhmchláir ina bhfuil luach stórála teirmeach-fadré, costas íseal in aghaidh na cileavata-uair an chloig stórála, agus an cumas giniúint shioncrónach-a bheith níos airde ná na caillteanais tiontaithe. I gcás stórála ar scála greille a mhaireann 6-12 uair an chloig, is féidir leis an eacnamaíocht oibriú go fóill.

Chuir forbairt foinsí in-athnuaite fuinnimh chun leictreachas a ghiniúint, rannchuidiú an CSP le dícharbónú próisis thionsclaíocha, agus cruthú stórála teirmeach ar chumas na CSPanna seirbhísí a sholáthar seachas leictreachas amháin. Éilíonn go leor próiseas tionsclaíochta soláthairtí leanúnacha gaile nó teasa díreach ar éileamh laistigh de raon teochta 300 go 550 céim Celsius, lena n-áirítear próisis amhail déantúsaíocht páipéir, scagadh ola, agus próiseáil cheimiceach.

Trí úsáid a bhaint as córais stórála fuinnimh theirmeach salainn leáite ar scála an-mhór, is féidir le CSPanna an sprioc seo a bhaint amach trí ghaile próisis agus/nó aer teasa a sholáthar le haghaidh feidhmeanna tionsclaíochta de réir mar is gá i bhfíor-am. Cuireann toilleadh mór na gcóras stórála fuinneamh teirmeach leáite seo rogha an-chostas ar fáil do chadhnraí leictriceimiceach, agus costas níos lú ná $35 in aghaidh na cileavata-uair (kWh) de stóráil fuinnimh theirmeach inúsáidte.

Tá modhanna comhlántacha ann chun fuinneamh na gréine a úsáid, lena n-áirítear táirgeadh hidrigine gréine agus cumhacht gréine tiubhaithe (CSP). Tiontaítear fuinneamh na gréine go breosla ceimiceach (hidrigine) trí leictrealú fótavoltach (PV) agus córais fhótacatalytic ar féidir iad a stóráil ar feadh tréimhse éiginnte. Is féidir hidrigin a úsáid le haghaidh iompair, tionscail, agus giniúint leictreachais. Nó, úsáideann CSP solas na gréine chun teas a ghiniúint. Tiontaíonn CSP an fuinneamh teirmeach sin ina leictreachas le seachadadh inseolta (ordúil).

Tá dul chun cinn tapa á dhéanamh sa dá theicneolaíocht. Tá éifeachtúlachtaí comhshó hidrigine méadaithe de bharr ábhair fheabhsaithe agus comhtháthú córas; Leanann CSP ar aghaidh ag brú le haghaidh teochtaí oibriúcháin níos airde agus costais níos ísle. Nuair a chuirtear le chéile iad, ceadaíonn leictrealú PV agus CSP do dhomhan faoi chumhacht na gréine, ní hamháin ina soláthraíonn an ghrian fuinneamh nuair is gá ach freisin a tháirgeann cineál breosla atá stóráilte go héasca chun fuinneamh a sholáthar sna tréimhsí buaicphointí i rith an lae.

Faigheann an Domhan soláthar ollmhór fuinnimh ón ngrian. Tá sé seo comhionann go garbh le 173 trilliún vata (1 trilliún=1,000,000,000,000) ag bualadh an domhain gach soicind. I measc na ndúshlán agus na deiseanna atá ann d’innealtóirí tá bealaí a aimsiú le modhanna éagsúla a úsáid chun an soláthar ollmhór fuinnimh seo ón ngrian a ghabháil.