Droga do paliw słonecznych uderza w próg prędkości

Kiedy w marcu odwiedziłem Lawrence Berkeley National Laboratory, Frances Houle, zastępca dyrektora Wspólne Centrum Sztucznej Fotosyntezy , pochwalił się jednym z najnowszych osiągnięć centrum. Jest to urządzenie, które w świetle słonecznym rozkłada wodę na wodór i tlen. Naukowcy z laboratorium wcześniej wykorzystywali sztuczne światło do napędzania tego procesu; po raz pierwszy robili to przy naturalnym świetle. Przymocowane do cienkiego metalowego stojaka na dachu budynku centrum nad Berkeley, z przepięknym widokiem na zachód na zatokę San Francisco, małe urządzenie ma ogniwo słoneczne, które dostarcza energię potrzebną do katalizatora chemicznego do rozszczepienia wody. W górnej części urządzenia bulgotał czysty wodór.

Utworzone w 2010 roku pod przewodnictwem sekretarza ds. energii Stevena Chu centrum, powszechnie nazywane JCAP, ma śmiały cel: tworzyć paliwa przy użyciu wyłącznie światła słonecznego, dwutlenku węgla i wody (zob. Wysiłek sztucznej fotosyntezy zakorzenia się). Z ekonomicznego punktu widzenia byłoby to osiągnięcie prometejskie, stanowiące ogromny krok w kierunku rozwiązania dwóch nierozstrzygniętych wyzwań związanych z przechodzeniem z paliw kopalnych na energię odnawialną: przechowywanie dużych ilości energii do późniejszego wykorzystania oraz zasilanie środków transportu, które nie mogą być łatwo zasilane bateriami.

Wszystkie badania nad systemem czystej energii, jakie kiedykolwiek widziałem, identyfikują te same dwie luki technologiczne, mówi Nate Lewis , dyrektor założyciel centrum. Ogromne magazynowanie energii na skalę sieciową w celu skompensowania nieciągłości energii wiatrowej i słonecznej oraz gęstego energetycznie, neutralnego pod względem emisji dwutlenku węgla ciekłego paliwa transportowego. Przekształcenie światła słonecznego w paliwo umożliwiłoby przechowywanie, transport i wykorzystanie energii słonecznej wychwytywanej w ciągu dnia, gdy słońce nie świeci. To samo paliwo mogłoby zastąpić paliwa kopalne, które napędzają dzisiejsze samoloty i statki. Nie ma czegoś takiego jak elektryczny samolot lub statek z wtyczką, dodaje Lewis.

Jednym z głównych osiągnięć JCAP są urządzenia napędzane energią słoneczną, które mogą rozdzielać wodę na wodór i tlen – ważny pierwszy krok na drodze do sztucznej fotosyntezy.

Hostowany w Caltech i Lawrence Berkeley Lab, JCAP był pierwotnie finansowany przez 122 miliony dolarów w ciągu pięciu lat, a jego finansowanie zostało odnowione (choć na niższym poziomie) w zeszłym roku. Obecnie, kierowany przez Harry'ego Atwatera, profesora fizyki stosowanej z Caltech, w ciągu sześciu lat swojego istnienia dokonał imponujących osiągnięć. Przede wszystkim naukowcom z JCAP udało się zbudować urządzenia takie jak to, które widziałem, prototypy, które mogą rozdzielać wodę na wodór i tlen z 10-krotnie większą wydajnością fotosyntezy. To ważny pierwszy krok do sztucznej fotosyntezy; następnym krokiem byłoby połączenie wodoru z dwutlenkiem węgla w celu wytworzenia paliw słonecznych, które mogłyby zastąpić paliwa kopalne.

Jednak w ostatnim roku JCAP dokonał znaczącej zmiany kierunku. Departament Energii odnowił swoje finansowanie w zeszłym roku na 15 milionów dolarów rocznie, prawie 40 procent mniej niż w poprzednim pięcioletnim okresie. Co więcej, urzędnicy DOE poinstruowali naukowców, aby przekierowali swoje wysiłki z produkcji urządzeń, które mogłyby zostać skomercjalizowane w ciągu najbliższych kilku lat, na podstawowe badania naukowe nad złożonymi procesami leżącymi u podstaw sztucznej fotosyntezy. Pierwotny cel JCAP, według ogłoszenie w 2010 roku jej założenia , było opracowanie zintegrowanego systemu konwersji energii słonecznej na paliwo chemiczne i przeniesienie tego systemu z fazy odkrywczej na skalę, na której będzie można go skomercjalizować. Teraz jej mandat nie wykracza już poza fazę odkrycia.

W ciągu pierwszych pięciu lat JCAP koncentrował się głównie na paliwie wodorowym, mówi Christopher Fecko, kierownik programu JCAP w DOE Biuro Nauki . Sprostanie podstawowemu wyzwaniu naukowemu, jakim jest pełna sztuczna fotosynteza, będzie wymagało podstawowych, transformacyjnych badań naukowych i odkryć, które ostatecznie umożliwią wykorzystanie tych technologii, mówi, i robimy doskonałe postępy. Wdrożenie technologii i produkcja komercyjna to przyszłość.

W przyszłości może to oznaczać za pięć lat lub kilka dekad. Wycofanie się z wypracowania działającego rozwiązania tak szybko, jak to możliwe, jest przyznaniem, że pierwotny cel JCAP, jakim jest sztuczna fotosynteza, jest o wiele trudniejszy i dalej niż naukowcy rozumieli w 2010 roku. Jest to również taktyczna decyzja, aby nie wydawać pieniędzy federalnych na tworzenie działającego urządzenia produkują paliwo wodorowe, mimo że ta technologia jest znacznie bliższa komercjalizacji.

Moja pierwotna wizja polegała na tym, aby dać naukowcom dużą swobodę i pozwolić im wybrać kierunek, który według nich jest najbardziej obiecujący, aby mogli rzeczywiście coś złożyć, mówi Chu, który odszedł z DOE w 2013 r. i jest obecnie profesorem fizyki oraz molekularnych i fizjologia komórkowa w Stanford. Dziś, dodaje, nie sądzę, by dostają wolność, jaką sobie wyobrażałem.

Pierwszym etapem fotosyntezy jest rozbicie wody na wodór i tlen, który jest uwalniany jako produkt uboczny. Wodór reaguje następnie z dwutlenkiem węgla, tworząc węglowodany, które napędzają wzrost roślin. Sztuczna fotosynteza ma na celu wykorzystanie tych samych nakładów — energii słonecznej, wody i dwutlenku węgla — do produkcji paliw ciekłych o dużej gęstości energetycznej. Gdyby te paliwa pochodziły z dwutlenku węgla wychwytywanego z powietrza, proces mógłby być neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla – innymi słowy, nie powodowałby żadnych nowych emisji gazów cieplarnianych do atmosfery.

Z siedzibą w Lawrence Berkeley National Laboratory, JCAP został pomyślany jako inkubator technologii podobny do Bell Labs, który można szybko skomercjalizować.

Od 2010 roku, kiedy utworzono JCAP, badania nad sztuczną fotosyntezą i paliwami słonecznymi nabrały rozpędu na całym świecie. W Japonii, Szwecji i innych krajach istnieją krajowe konsorcja badawczo-rozwojowe, które atakują ten problem. DOE obsługuje inne programy, takie jak Energy Frontier Research Center for Solar Fuels na Uniwersytecie Karoliny Północnej. Startupy lubią Opus12 , założona przez trio studentów Stanford i Płynne światło , kierowany przez profesora chemii z Princeton, Andrew Bocarsly'ego, starają się budować biznesy ze sztucznej fotosyntezy.

Pytanie brzmi, czy przyniosą one owoce na czas, aby pomóc ograniczyć globalne zmiany klimatyczne? Jednym z problemów jest to, że uczynienie paliw słonecznych neutralnymi pod względem emisji dwutlenku węgla będzie wymagało całych nowych technologii i infrastruktury do wychwytywania dwutlenku węgla z powietrza lub emisji z elektrowni wykorzystujących paliwa kopalne.

Innym problemem jest to, że konwersja dwutlenku węgla w celu zakończenia procesu fotosyntezy jest bardzo, bardzo trudna. Obejmuje sześć oddzielnych etapów chemicznych i nie ma znanego katalizatora, który skutecznie i selektywnie przekształci dwutlenek węgla w paliwo, tak jak w przypadku reakcji rozszczepiania wody.

Wyzwanie, z którym zmaga się JCAP w ciągu drugich pięciu lat, jest w rzeczywistości bardziej fundamentalne i trudniejsze pod wieloma względami niż wysiłek związany z paliwem wodorowym, ale ma ogromny potencjalny zysk, mówi Fecko.

Zmiana, mówi Harry Atwater, następca Lewisa na stanowisku dyrektora JCAP, skłoniła całe przedsiębiorstwo nie do tworzenia prototypów i zwiększania skali, ale do znacznie większego skupienia się na badaniach podstawowych. To skupienie jest zgodne z celami DOE Program Podstawowych Nauk o Energii , który kontroluje finansowanie JCAP. Ale w najbliższym czasie nie przybliży nas to do faktycznego budowania urządzeń i tworzenia przemysłu wokół paliw słonecznych.

Dlatego Nate Lewis uważa, że ​​odejście od prototypowania i zwiększania skali urządzeń generujących wodór było błędem. Sam wodór jest użytecznym produktem końcowym, przekonuje Lewis. Można go spalać bezpośrednio w zmodyfikowanych silnikach spalinowych. Można go przekształcić w paliwo syntetyczne za pomocą Proces Fischera-Tropscha . Może być stosowany w ogniwach paliwowych do magazynowania energii i wytwarzania energii elektrycznej, pozostawiając jedynie wodę jako produkt odpadowy. Rozdzielające wodę prototypy opracowane w JCAP nadal będą wymagały szeroko zakrojonych prac rozwojowych, aby przekształcić je w użyteczne urządzenia komercyjne. Lewis jest jednak przekonany, że może tam dotrzeć, i to w stosunkowo krótkim czasie: gdybyśmy mieli mniej niż 5 milionów dolarów rocznie, jestem całkiem pewien, że moglibyśmy to osiągnąć za pięć lat, i to pierwszy raz, kiedy to powiedziałem , on mówi.

Naukowcy z JCAP, Sonjia Francis (po prawej) i Dan Torelli (po lewej) badają elektrochemiczną redukcję dwutlenku węgla do płynnego paliwa. Firma JCAP przeniosła swoją uwagę z wypracowywania rozwiązań na podstawowe badania naukowe.

Na razie jednak ta praca nie będzie prowadzona przez JCAP. Lewis wspiera dalsze badania nad sztuczną fotosyntezą na pełną skalę. Uważa jednak, że przekierowanie JCAP skutecznie porzuca obiecującą technologię czystej energii – rozdzielanie wody w celu produkcji wodoru – która mogłaby zostać skomercjalizowana znacznie wcześniej. Jak mówi, podstawowe badania nad konwersją dwutlenku węgla to bardzo wąsko zdefiniowany zakres i cel. Paliwa słoneczne powinny być znacznie szersze niż wybieranie jednego konkretnego sposobu dotarcia do celu i defundowanie innych opcji.

Atwater i Fecko twierdzą, że wynalezienie urządzenia do rozdzielania wody było ważnym kamieniem milowym, który inne laboratoria i inni badacze mogą doprowadzić do skutku. Naszym zadaniem jest dokonywanie postępów badawczych, które otwierają możliwości technologiczne, mówi Atwater. Jesteśmy naukowcami — nie możemy wepchnąć piłki do samej linii bramkowej.

Jednak dotarcie do linii bramkowej było pierwotnym celem wyznaczonym przez Chu, kiedy powstało centrum. W pewnym sensie JCAP jest studium przypadku obietnicy i zagrożeń związanych z długoterminowym finansowaniem federalnym technologii energetycznych. Chu mówi z żalem o drodze, której nie wybrał program, który stworzył w 2010 roku. Nauka podstawowa jest potrzebną i wspaniałą rzeczą, mówi. Ale nie o to mi chodziło.

ukryć