Największe postępy w dziedzinie czystej energii w 2016 r.

Czysta energia poczyniła krytyczny krok w 2016 r. Paryskie porozumienia klimatyczne wszedł w życie ,cena instalacji fotowoltaicznych nadal spadał , inwestycje w energię odnawialną wzbił się w powietrze , morska energetyka wiatrowa w końcu zaczęła działać w Stanach Zjednoczonych, a naukowcy dokonali szeregu postępów technicznych, które obiecują, że zrównoważona energia stanie się bardziej wydajna i przystępna cenowo.

Ta ostatnia jest kluczowa, ponieważ wynalazki są nadal najpewniejszym sposobem uniknięcia największych skutków zmian klimatycznych. Obecnie dostępne na rynku technologie odnawialne nie są w stanie zaspokoić wszystkich światowych potrzeb energetycznych, nawet jeśli są agresywnie zwiększane. Według dogłębnej analizy przeprowadzonej przez National Renewable Energy Laboratory, Stany Zjednoczone będą tracić około 20 procent do 2050 roku. Tymczasem Międzyrządowy Zespół ONZ ds. Zmian Klimatu zawarta świat musi obniżyć emisje gazów cieplarnianych nawet o 70 procent do połowy stulecia i prawie do zera do 2100, aby mieć jakąkolwiek szansę na uniknięcie poziomów ocieplenia, które mogłyby zapewnić tonące miasta, masowe wymierania i rozległe susze.

Potrzebujemy więc bardziej wydajnych odnawialnych źródeł energii, tańszego magazynowania, inteligentniejszych sieci i skutecznych systemów wychwytywania gazów cieplarnianych. Oto niektóre z najbardziej obiecujących osiągnięć naukowych 2016 roku.

Sztuczna fotosynteza

Jednym z kluczowych brakujących elementów w portfolio odnawialnych źródeł energii jest czyste paliwo płynne, które może zastąpić benzynę i inne paliwa transportowe. Jedną z najbardziej obiecujących możliwości jest sztuczna fotosynteza, naśladująca naturalną metodę przetwarzania światła słonecznego, dwutlenku węgla i wody w paliwa.

W ostatnich latach nastąpiła powolna, choć stała poprawa w tej dziedzinie. Ale tego lata naukowcy z Harvardu, Daniel Nocera i Pamela Silvers, in partnerstwo z ich współtwórcami , opracowali 'bioniczny liść', który może wychwytywać i przetwarzać 10 procent energii słonecznej, co jest dużym krokiem naprzód w tej dziedzinie. Jest również około 10 razy lepszy niż fotosynteza twojej przeciętnej rośliny.

Naukowcy używają katalizatorów wykonanych ze stopu kobaltowo-fosforowego do rozszczepienia wody na wodór i tlen, a następnie skłonili specjalnie opracowane bakterie do pracy, które pochłaniają dwutlenek węgla i wodór i przekształcają je w paliwo płynne.

Inne laboratoria, w tym Lawrence Berkeley National Laboratory i Joint Center for Artificial Photosynthesis, poczyniły w ostatnich miesiącach znaczące postępy w zakresie wydajności i trwałości urządzeń zasilanych energią słoneczną. W tym roku to ostatnie laboratorium stworzyło urządzenie napędzane energią słoneczną, które przekształca dwutlenek węgla w mrówczan z 10-procentową wydajnością. Mrówczan może być wykorzystywany jako źródło energii dla wyspecjalizowanych ogniw paliwowych.

Ale pole nadal stoi przed poważnymi wyzwaniami technicznymi, jak wcześniej Przegląd technologii MIT wyjaśniona historia, a wszelkie produkty komercyjne są prawdopodobnie jeszcze za kilka lat.

Fotowoltaika słoneczna

Tej wiosny zespół naukowców z MIT zgłoszone opracowanie słonecznego urządzenia termofotowoltaicznego, które mogłoby potencjalnie przekroczyć teoretyczne granice wydajności konwencjonalnej fotowoltaiki stosowanej w panelach słonecznych. Te standardowe ogniwa słoneczne mogą pochłaniać energię tylko z ułamka spektrum kolorów światła słonecznego, głównie światła widzialnego od fioletu do czerwieni.

Jednak naukowcy z MIT dodali składnik pośredni złożony z nanorurek węglowych i kryształów nanofotonicznych, które razem działają jak lejek, zbierając energię słoneczną i skupiając ją w wąskim paśmie światła.

Nanorurki wychwytują energię w całym spektrum kolorów, w tym w niewidzialnym ultrafiolecie i podczerwieni, zamieniając ją w energię cieplną. Ponieważ sąsiednie kryształy nagrzewają się do wysokich temperatur, około 1000 °C, ponownie przekazują energię jako światło, ale tylko w paśmie, które mogą przechwycić i przetworzyć ogniwa fotowoltaiczne.

Naukowcy sugerują, że zoptymalizowana wersja technologii może pewnego dnia przełamać teoretyczny limit około 30 procent wydajności konwencjonalnych ogniw słonecznych. Przynajmniej w zasadzie słoneczna termofotowoltaika może osiągnąć poziom powyżej 80 procent, choć według naukowców to jeszcze daleka droga. Ale jest jeszcze jedna krytyczna zaleta tego podejścia. Ponieważ proces jest ostatecznie napędzany przez ciepło, może nadal działać nawet wtedy, gdy słońce chowa się za chmurami, zmniejszając nieciągłość, która pozostaje jedną z krytycznych wad energii słonecznej. Gdyby urządzenie było połączone z mechanizmem magazynowania ciepła, który mógłby działać w tak wysokich temperaturach, mogłoby zapewniać nieprzerwaną energię słoneczną przez całą dobę.

Ogniwa słoneczne z perowskitu

Ogniwa słoneczne z perowskitu są tanie, łatwe w produkcji i bardzo wydajne w pochłanianiu światła. Cienka warstwa materiału, klasa hybrydowych związków organicznych i nieorganicznych o szczególnym typie struktury krystalicznej, może przechwycić tyle światła, ile stosunkowo gruba warstwa krzemu stosowanego w standardowej fotowoltaice.

Jednak jednym z kluczowych wyzwań była trwałość. Związki, które faktycznie pochłaniają energię słoneczną, mają tendencję do szybkiego rozkładu, szczególnie w wilgotnych i gorących warunkach.

Ale grupy badawcze w Stanford, Los Alamos National Laboratory i Szwajcarski Federalny Instytut Technologii , między innymi, poczyniła w tym roku znaczne postępy w poprawie stabilności perowskitowych ogniw słonecznych, publikując godne uwagi artykuły w Natura , Energia natury , oraz Nauka .

„Na początku roku po prostu nie były stabilne przez długi czas” – mówi Ian Sharp, naukowiec z Lawrence Berkeley National Lab. „Ale w tym zakresie nastąpiły naprawdę imponujące postępy. W tym roku sprawy stały się naprawdę poważne”.

Tymczasem innym badaczom udało się: zwiększenie wydajności ogniw słonecznych z perowskitu i identyfikując obiecujące nowe ścieżki dalszych postępów.

Składowanie węgla

Wytwarzanie energii elektrycznej jest odpowiedzialne za wytwarzanie 30 procent krajowego dwutlenku węgla, więc wychwytywanie tych emisji u źródła ma kluczowe znaczenie dla każdego planu redukcji. W tym roku nastąpił postęp w zakresie kilku pojawiających się podejść do wychwytywania dwutlenku węgla w elektrowniach, w tym węglowych ogniw paliwowych , a także przynajmniej kilka obiecujących wdrożeń istniejących technologii w rzeczywistym świecie. (Chociaż, aby być pewnym, było kilka zdecydowanie negatywne przykłady także.)

Jednak większość z tych podejść pozostawia otwartą kwestię, co zrobić z materiałami po ich pomyślnym przechwyceniu. I to nie jest mały problem. Świat produkuje prawie 40 miliardów ton dwutlenku węgla rocznie.

Jedna metoda wydaje się jednak bardziej obiecująca niż początkowo sądzono: zakopywanie dwutlenku węgla i przekształcanie go w kamień. Od 2012 roku Reykjavik Energy Projekt CarbFix w Islandii wstrzykuje dwutlenek węgla i wodę głęboko pod ziemię, gdzie reagują z wulkanicznymi skałami bazaltowymi, które są obfite w tym regionie.

Analiza opublikowana w Nauka w czerwcu odkryli, że 95 procent dwutlenku węgla uległo mineralizacji w mniej niż dwa lata, znacznie szybciej niż oczekiwano przez setki tysięcy lat. Jak dotąd nie wydaje się również, aby wydzielały gazy cieplarniane, co sugeruje, że może być zarówno tańszy, jak i bezpieczniejszy niż istniejące metody pochówku.

Jednak potrzebne będą dalsze badania, aby zobaczyć, jak dobrze działa w innych obszarach, w szczególności pod dnem oceanów, twierdzą zewnętrzni obserwatorzy.

Dwutlenek węgla do etanolu

Inną obiecującą opcją dla wychwyconego dwutlenku węgla jest w zasadzie recykling go z powrotem do użytecznych paliw.

Na początku tego roku naukowcy z amerykańskiego Departamentu Energii w Oak Ridge National Laboratory natknęli się na metodę przekształcania go w etanol, paliwo płynne stosowane już jako dodatek do benzyny. Według badań opublikowanych w Chemia Wybierz w październiku . Po przyłożeniu napięcia urządzenie przekształciło roztwór dwutlenku węgla w etanol z dużą wydajnością. Materiały były również stosunkowo tanie, a proces działał w temperaturze pokojowej, co stanowiło kluczowe zalety dla przyszłej komercjalizacji.

Bierzemy dwutlenek węgla, produkt odpadowy spalania, i cofamy reakcję spalania, powiedział główny autor Adam Rondinone w Informacja prasowa .

Oprócz przekształcania wychwyconego dwutlenku węgla, proces ten można wykorzystać do przechowywania nadmiaru energii z wiatru i energii słonecznej.

Jednak niektórzy badacze zewnętrzni są sceptyczni co do wstępnych wyników i niecierpliwie czekają, aby zobaczyć, czy inne laboratoria mogą zweryfikować wyniki.

ukryć