انتقال الطاقة مع الهيدروجين المتولد على أسطح المنازل.. استخدام وحدات مفاعل ضوئي منخفضة التكلفة

إنتاج فعال للهيدروجين والوقود وحتى مياه الشرب على الأسطح أو في الحدائق الشمسية – وهذا ما يريد الباحثون تحقيقه باستخدام وحدات مفاعل ضوئي منخفضة التكلفة، الآن ، لقد وصلوا إلى تقدم كبير.

يعني التمثيل الضوئي الاصطناعي أن التفاعلات الكيميائية تتم بمساعدة ضوء الشمس. كما هو الحال في الطبيعة ، يتم امتصاص الفوتونات بواسطة مادة نشطة ضوئيًا وتستخدم طاقتها لدفع تفاعل كيميائي مباشرة.

يقول بول كانط من معهد KIT لهندسة العمليات الدقيقة (IMVT): “في غضون ذلك، هناك العديد من المحفزات الضوئية معروفة، يمكن استخدامها لتحليل الماء إلى هيدروجين وأكسجين أو لإنتاج وقود محايد مناخيًا من الماء وثاني أكسيد الكربون”.

تقدمًا حاسمًا في ألواح المفاعلات الضوئية عالية الكفاءة

حتى الآن، تم استخدام هذه التقنية بشكل أساسي في المختبر ، لأن تكاليف إنتاج الهيدروجين الشمسي كانت مرتفعة للغاية،  الآن، حقق الفريق في معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT) وشركاؤهم الكنديون، تقدمًا حاسمًا في مفهومه الخاص بألواح المفاعلات الضوئية عالية الكفاءة التي يمكن إدخالها في وحدات غير مكلفة.

يعتقد كانط أن الاستخدام الواسع لوحدات المفاعل الضوئي الجديدة لإنتاج الهيدروجين أو الوقود على الأسطح أو في المزارع الشمسية قد يكون أحد الفرص التكنولوجية الكبيرة للبشرية في مكافحة أزمة المناخ، “هذا قد يجعل استخدام ناقلات الطاقة الأحفورية غير ضروري”.

أدار كانط الأنشطة البحثية أثناء عمله على الدكتوراه مع البروفيسور Roland Dittmeyer في IMVT. يتم تضمينها في مواد وتقنيات برنامج Helmholtz لانتقال الطاقة.

مفهوم المفاعل الأمثل للسوق الشامل

يجب أن تتكون وحدة المفاعل الضوئي الفعال للاستخدام العملي بشكل أساسي من مكونين: محفز ضوئي مناسب يقود التفاعل الكيميائي ومفاعل ضوئي يحتوي على المحفز الضوئي والمواد الأولية للتفاعل الكيميائي.

يوضح كانط: “في الحالة المثالية، يجب أن يوجه المفاعل الضوئي ضوء الشمس الساقط إلى المحفز الضوئي مع عدم وجود أي خسائر تقريبًا ، بغض النظر عن مصدره أو مكان وضع الشمس حاليًا”، مضيفا “علاوة على ذلك ، يجب أن تضمن بنية ومادة العامل الضوئي التشغيل الأمثل للمحفز الضوئي، مثل درجة الحرارة المناسبة أو الشدة عند امتصاص الضوء”.

يتناول مفهوم المفاعل الضوئي الذي قدمه الفريق هذا التحدي المزدوج: فهو يتكون من ألواح بوليمر مجهرية مطلية بالألمنيوم لتحقيق انعكاسية عالية. كما أنه يوفر ظروف التشغيل المثلى ويضمن النقل الفعال للضوء إلى المحفز الضوئي على مدار اليوم. طور الباحثون النظام بمساعدة تحسين الهندسة بمساعدة الكمبيوتر ونظام نموذج التحفيز الضوئي. أول عرض على مقياس المختبر لاقى النجاح.

خفض التكلفة بفضل الوحدات غير المكلفة

استنادًا إلى المبادئ التوجيهية العامة التي طورها الباحثون بعد تحليل مفصل لمفهوم المفاعل الخاص بهم ، يمكن الآن تصميم وحدات المفاعل الضوئي المستقبلية بسهولة للوصول إلى أقصى قدر من الكفاءة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، ومع ذلك ، فإن كفاءة التفاعل الكيميائي العالية هي شرط واحد فقط يجب الوفاء به قبل أن يمكن إنشاء التمثيل الضوئي الاصطناعي كتقنية فعالة.

لإنتاج كميات المنتجات ذات الصلة ، يجب تغطية الأسطح الكبيرة للغاية بألواح مفاعل ضوئي، يقول كانط: “لتقليل التكاليف، نستخدم موادًا وأشكال هندسية غير مكلفة يمكن إنتاجها بالفعل في سلسلة”، وفقًا لتقديرات الباحثين الأولى ، تبلغ تكلفة المتر المربع لوحدة المفاعل الضوئي حوالي 22 دولارًا.

الآن ، يعمل فريق Anselm Dreher في IMVT والبروفيسور جيفري أوزين في تورنتو على تطوير محفز ضوئي يحلل الماء بكفاءة إلى هيدروجين وأكسجين، سيتم دمجها في المفاعلات الضوئية المعروضة، علاوة على ذلك، تتم دراسة الإنتاج الضخم للألواح في الوقت الحالي.