Fraunhofer osiągnął 31,3 proc. sprawności produkcji wodoru ze słońca. Rekord padł poza laboratorium

Produkcja zielonego wodoru wymaga dziś nie tylko taniej energii odnawialnej, ale również dalszej poprawy sprawności technologii konwersji energii słonecznej, o którą walczą niemieccy naukowcy z Fraunhofer ISE.

Zielony wodór jest postrzegany jako jeden z filarów przyszłego systemu energetycznego, jednak jego produkcja nadal pozostaje kosztowna i energochłonna. Niemieccy naukowcy pokazali właśnie, że efektywność konwersji energii słonecznej do wodoru może być znacznie wyższa, niż dotychczas zakładano w praktycznych zastosowaniach.

Badacze z Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (Fraunhofer ISE) poinformowali o osiągnięciu sprawności solar-to-hydrogen (STH) na poziomie 31,3 proc. – co ważne – w rzeczywistych warunkach zewnętrznych. Według instytutu jest to rekordowy wynik dla produkcji odnawialnego wodoru uzyskany poza środowiskiem laboratoryjnym.

REKLAMA

Osiągnięcie zostało zademonstrowane we Freiburgu w Niemczech przy wykorzystaniu kompaktowego modułu HyCon, który łączy technologię koncentracyjnej fotowoltaiki z elektrolizą PEM (Proton Exchange Membrane). System wykorzystuje energię słoneczną.

Połączenie zaawansowanej fotowoltaiki i elektrolizy

Sercem demonstratora są wielozłączowe ogniwa fotowoltaiczne III-V wykorzystujące czterozłączową architekturę (4J). Technologia ta należy do najbardziej wydajnych rozwiązań fotowoltaicznych dostępnych obecnie na rynku badawczo-rozwojowym. W przeszłości podobne ogniwa osiągały sprawność konwersji energii słonecznej na energię elektryczną sięgającą nawet 47,6 proc. przy zastosowaniu koncentracji promieniowania.

W systemie HyCon promieniowanie słoneczne skupiane jest za pomocą układu soczewek Fresnela, które koncentrują światło na niewielkiej powierzchni ogniw. Wytworzona energia elektryczna zasila następnie dwa ogniwa elektrolizera PEM wykorzystującego wodę dejonizowaną do produkcji wodoru. Sprawność STH na poziomie 31,3 proc. oznacza, że niemal 1/3 energii docierającej ze słońca została ostatecznie zmagazynowana w postaci energii chemicznej zawartej w wyprodukowanym wodorze.

Co istotne, rekordowy wynik nie był jedynie chwilowym maksimum. Z publikacji naukowej wynika, że średnia sprawność systemu podczas całego okresu testowego utrzymywała się na poziomie około 30 proc., co wskazuje na stabilną pracę demonstratora.

REKLAMA

Warto ponownie podkreślić fakt, że rekordowy wynik nie został osiągnięty w kontrolowanych warunkach laboratoryjnych. Demonstrator pracował na zewnątrz przez 13 letnich dni we Freiburgu i był zamontowany na dwuosiowym systemie nadążnym śledzącym położenie słońca. To właśnie przeniesienie technologii do rzeczywistego środowiska pracy stanowi jeden z najważniejszych aspektów badania. W sektorze fotowoltaiki i wodoru rekordowe wyniki często osiągane są w warunkach laboratoryjnych, które nie zawsze odzwierciedlają późniejszą eksploatację systemów w terenie.

Wodór jako magazyn energii dla OZE

Fraunhofer ISE podkreśla, że wodór może pełnić istotną rolę w magazynowaniu energii pochodzącej z niestabilnych źródeł odnawialnych, takich jak fotowoltaika i energetyka wiatrowa. Choć obecnie zielony wodór pozostaje droższy od wodoru produkowanego z gazu ziemnego, badacze wskazują, że dalszy wzrost sprawności systemów solar-to-hydrogen oraz spadek kosztów inwestycyjnych mogą znacząco poprawić jego konkurencyjność.

Według szacunków przywoływanych przez zespół badawczy koszt produkcji odnawialnego wodoru wynosi obecnie od około 1,6 do 4 dolarów za kilogram, zależnie od lokalizacji i dostępności taniej energii odnawialnej. Zdaniem naukowców osiąganie sprawności znacznie przekraczających 15 proc. będzie jednym z kluczowych elementów umożliwiających dalszy rozwój tego segmentu rynku. Autorzy publikacji podkreślają jednocześnie, że równie istotne pozostają dalsze obniżanie kosztów systemów, wydłużanie czasu ich pracy oraz zwiększanie skali wdrożeń poza środowiskiem laboratoryjnym.

Szerszy opis eksperymentu został przedstawiony w pracy naukowej pt.: „Photovoltaic water electrolysis reaching 31.3% solar-to-H2 conversion efficiency under outdoor operating conditions” w czasopiśmie Communications Engineering.