Если китайские цены на фотоэлементы честны (до $1 000 за киловатт-час мощности), то теоретически гелиоэнергетика должна обыгрывать нормальную уже сейчас, ибо на Земле полно мест, где на квадратный метр в год солнечного излучения приходится более 2 400 кВт•ч, и даже при скромном КПД серийных фотоэлементов более 250 кВт•ч из них можно превращать в электроэнергию. Казалось бы, вот оно «счастье»: какие-то 80 000 км² пустынь, уставленных солнечными батареями, покроют все электроэнергетические потребности человечества!
Но пока всё это гладко только на бумаге. В реальной жизни по ночам солнечная энергетика простаивает, а в декабре на широте Москвы не даст вам толкового электричества даже днём. Тянуть сверхвысоковольтные ЛЭП из Сахары, Аравии и Атакамы никто не спешит, да и с ночью «покончить» помогут разве что трансокеанские кабели. Итак, нужен способ запасания и даже «транспортировки» солнечной энергии. У вас есть такой?
Группа исследователей под общим руководством Марка Уинклера (Mark T. Winkler) из Массачусетского технологического института (США) как раз работает над проблемой. Учёные оценили теоретический предел эффективности электрохимических ячеек на основе кристаллического кремния, способных к разложению воды на кислород и водород под действием солнечного света…
…И получили очень красивые цифры. Поясним: разлагать воду солнечным электричеством и добывать так водород, чтобы затем «делать» из него ночное электричество и питать умеренные широты, можно и сейчас. Однако КПД таких систем не впечатляет, к тому же нужна мощная инфраструктура — те же инверторы и трансформаторы. А вот компактная фотохимическая установка из пластины кристаллического кремния и химических катализаторов с каждой стороны от пластины позволяет свету генерировать ток, высвобождающий водород из воды без вереницы дополнительных устройств. Примерно вот так:
И расчёт показывает, что КПД этого процесса ограничен «сверху» 16%, если не выше! Кстати, когда такие устройства впервые были показаны в 2011 году, конвертировать в водород удалось лишь 4,7% энергии солнечного света. Теперь же исследователи утверждают, что даже при использовании относительно простых однополосных и однослойных фотоэлементов на базе кристаллического кремния можно добиться по крайней мере вчетверо более высокой эффективности. Конечно, это лишь теоретический потолок. Но это, добавляет Марк Уинклер, ещё и показатель того, что действительно можно сделать с теми компонентами, которые уже продаются на рынке.
«Мы и впрямь удивились, — поясняет г-н Уинклер. — Общепринятое мнение заключается в том, что характеристики кремниевых фотоэлементов должны серьёзно ограничить эффективность разложения воды, но оказалось, что это не так. Иногда вы просто вынуждены ставить под сомнение общепринятые взгляды».
Технико-экономический анализ показал, что для массового развёртывания фотохимических средств получения водорода их КПД должен быть равным 10%. Если же уровень повысится на две трети, то энергоноситель, получаемый таким способом, не просто будет равным по цене нынешнему ископаемому топливу, но даже может оказаться до некоторой степени дешевле.
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Подготовлено по материалам MIT News.