Группа немецких учёных представила инновационный солнечный модуль, способный превращать до 31,3% солнечного света в водородное топливо. Этот прототип, разработанный в Институте систем солнечной энергии Фраунгофера (ISE) во Фрайбурге, напрямую связывает концентрирующие фотоэлектрические элементы с электролизёрами на протонообменной мембране (ПОМ).
Евгения Васильева
Солнечный водород — это технология, которая использует солнечный свет и воду для производства водорода. Источник фото: Getty Images
Водород, получаемый напрямую от Солнца
Интеграция этих технологий позволяет обойтись без промежуточных этапов преобразования энергии: электричество, генерируемое солнечными батареями, сразу используется для расщепления воды.
«Мы добились рекордного показателя, который доказывает, что водород можно добывать из солнечного света с высокой эффективностью», — заявил Франк Димрот, физик и руководитель отдела фотовольтаики и концентраторных технологий института, известный созданием одних из самых производительных солнечных элементов в мире.
Система основана на концентрирующих фотоэлектрических элементах, а не на стандартных панелях. Хуан Франсиско Мартинес Санчес, руководитель проекта, объяснил: «В наших фотоэлектрических/электролизных модулях мы применяем концентрирующие фотоэлементы». Свет концентрируется с помощью матрицы линз Френеля — оптической структуры из множества крошечных линз, объединённых в сетку. Этот сфокусированный свет попадает на многопереходные солнечные ячейки на основе соединений III-V групп, которые выдают напряжение холостого хода свыше четырёх вольт.
Исследователи подключили эти элементы напрямую к катоду и аноду двух последовательно соединённых электролизёров с протонообменной мембраной. Электрические характеристики обеих технологий были тщательно согласованы. Благодаря этому энергия направляется на производство водорода без промежуточного преобразования и потерь.
«Мы подсоединили солнечные элементы непосредственно к электролизным ячейкам, обеспечив идеальное совпадение параметров», — отметил Том Смолинка, руководитель отдела мембранного электролиза.
Схема (слева) и фотография (справа) экспериментального образца электролизера с концентратором и фотоэлектрическим приводом. Источник: Fraunhofer ISE
Без потерь энергии
Экспериментальный образец имеет площадь линзы около 64 квадратных сантиметров. Однако он успешно показал, что подход применим в реальных условиях за пределами лаборатории. В ходе испытаний на открытом воздухе прототип переработал примерно 31,3% падающей солнечной энергии в химическую энергию, накопленную в водороде. Эффективность рассчитана на основе высшей теплотворной способности топлива.
В устройстве используются солнечные элементы на основе соединений III-V, которые считаются самыми эффективными фотоэлектрическими устройствами. Они уже давно применяются в спутниках и космических аппаратах благодаря высокой производительности и устойчивости к условиям эксплуатации.
По мнению учёных, концентрирующие фотоэлектрические системы могут быть выгодны и для наземного использования. Результаты демонстрируют потенциал интегрированных конструкций для эффективного получения экологически чистого водорода. Тем не менее, технология находится на начальной стадии развития. «Разработка ещё ранняя, и пока трудно сказать, когда появятся конкурентоспособные системы», — признал Димрот.
Достигнутый показатель эффективности в 31,3% ставит под сомнение традиционные представления о водородной энергетике как о дорогостоящем и малоэффективном направлении. Обычные методы получения зелёного водорода подразумевают разделение процессов: сначала солнечная панель генерирует электричество, затем это электричество передаётся по проводам к отдельно стоящему электролизёру.
Каждый этап сопряжён с потерями — часть энергии рассеивается в виде тепла при передаче, часть теряется при преобразовании напряжения. Прямое подключение фотоэлементов к электролизёрам, реализованное во Фрайбурге, устраняет эти промежуточные звенья, позволяя использовать практически каждый сгенерированный электрон для расщепления воды.
Это не просто инженерное усовершенствование, а смена парадигмы: устройство работает как единый фотоэлектрохимический реактор, где свет сразу превращается в химическое топливо.
Технические возможности масштабирования разработки
Применение концентраторных технологий и многопереходных элементов на основе соединений III-V (таких как арсенид галлия) даёт системе решающее преимущество. Обычные кремниевые панели, даже самые современные, выдают напряжение около 0,7 вольта на ячейку, чего недостаточно для прямого электролиза воды — требуется минимум 1,23 вольта, а с учётом потерь на перегрузку — около 1,5–1,7 вольта.
Концентрирующие элементы, фокусируя свет в сотни раз, способны генерировать напряжение свыше четырёх вольт, что позволяет подключать их напрямую без повышающих преобразователей. Это не только повышает общий КПД, но и удешевляет систему, исключая дорогие и громоздкие блоки управления мощностью.
Однако высокая стоимость самих элементов III-V остаётся главным препятствием: сегодня их производство обходится в десятки раз дороже кремния, что ограничивает нишевое применение — космос, военная техника, научные установки.
Площадь линзы прототипа составляет 64 квадратных сантиметра — это сопоставимо с листом бумаги. Для промышленного масштаба потребуются модули площадью в квадратные метры и бюджетное производство. Учёные признают, что до коммерчески конкурентоспособных систем ещё далеко, но сам факт демонстрации рекордной эффективности в полевых условиях — на открытом воздухе, при переменной облачности и реальных углах падения света — доказывает принципиальную работоспособность подхода.
Технология не ограничивается лабораторным стендом, и это важнее, чем абстрактный процент. Следующим шагом должно стать масштабирование без потери согласованности характеристик фотоэлементов и электролизёров, что потребует новых материаловедческих решений и оптимизации теплового режима (концентрированный свет сильно нагревает элементы, снижая их КПД).
Параллельно с техническими вызовами стоит и экономическая дилемма. Зелёный водород пока проигрывает по цене «серому» (получаемому из природного газа), но налоговые стимулы в Европе и анонсированные водородные стратегии Германии создают окно возможностей.
Учредители Clearsun Energy надеются привлечь инвестиции под патентованные решения по согласованию вольт-амперных характеристик — это их ключевое ноу-хау. Если удастся снизить стоимость системы до 1000–1500 евро за киловатт установленной мощности, водород из солнечного света может стать реальной альтернативой аккумуляторам для сезонного хранения энергии.
В отличие от литиевых батарей, водород не теряет заряд месяцами и может использоваться в тяжёлой промышленности, где электрификация затруднена — например, в сталелитейном производстве или при производстве удобрений. Пока же даже рекордные 31,3% — это цифра, за которой стоит напряжённая работа тысяч исследовательских групп по всему миру, а не готовый продукт. Но именно такие цифры превращают футуристическую идею «солнечного водорода» в инженерный чертёж.
Сейчас команда ищет инвесторов для коммерциализации проекта. «Для дальнейшего продвижения мы ищем партнёров для нашего планируемого дочернего предприятия Clearsun Energy», — добавил Димрот, сообщается в пресс-релизе Института солнечных энергетических систем Фраунгофера ISE.
Ранее мы писали, что при расщеплении воды с использованием перовскитного катализатора водород можно получить с меньшими затратами, чем при использовании «зеленого» водорода (полученного из воды путем электролиза) или «голубого» водорода (полученного из метана с улавливанием и хранением углерода).
Кстати, производство «зеленого водорода» требует не только возобновляемой энергии, но и высокочистых технологий на всех этапах от подготовки воды до транспортировки и хранения газа. Поэтому инжиниринговые компании начали разработку насосов и трубопроводных систем, способных перегонять капризную молекулу.
