211service.com
Ceļš uz saules kurināmo piedzīvo ātruma palielinājumu
Kad martā viesojos Lorensa Bērklija Nacionālajā laboratorijā, Frensisa Houle, zinātniskās pētniecības centra direktora vietniece. Apvienotais mākslīgās fotosintēzes centrs , demonstrēja vienu no centra jaunākajiem sasniegumiem. Tā ir ierīce, kas saules gaismā sadala ūdeni ūdeņradī un skābeklī. Laboratorijas pētnieki iepriekš bija izmantojuši mākslīgo gaismu, lai vadītu procesu; šī bija pirmā reize, kad viņi to darīja ar dabisko gaismu. Mazajai ierīcei, kas piestiprināta pie plāna metāla statīva uz centra ēkas jumta virs Bērklija, no kuras paveras brīnišķīgs skats uz rietumiem pāri Sanfrancisko līcim, ir saules baterija, kas piegādā enerģiju, kas nepieciešama ķīmiskajam katalizatoram, lai sadalītu ūdeni. Ierīces augšpusē burbuļoja tīrs ūdeņradis.
2010. gadā enerģētikas sekretāra Stīvena Ču vadībā izveidotajam centram, ko parasti sauc par JCAP, ir drosmīgs mērķis: radīt degvielu, izmantojot tikai saules gaismu, oglekļa dioksīdu un ūdeni (skatiet sadaļu Mākslīgās fotosintēzes piepūle). Ekonomiski veikts tas būtu Promethean sasniegums, kas ir milzīgs solis ceļā uz divu izcilu izaicinājumu risināšanu, pārejot no fosilā kurināmā uz atjaunojamo enerģiju: liela enerģijas daudzuma uzglabāšanu vēlākai izmantošanai un tādu transporta veidu darbināšanu, kurus nevar viegli darbināt ar baterijām.
Visi pētījumi par tīru enerģijas sistēmu, ko jebkad esmu redzējis, identificē tās pašas divas tehnoloģiju nepilnības, saka Neits Lūiss , centra dibinātājs. Milzīga tīkla mēroga enerģijas uzkrāšana, lai kompensētu vēja un saules enerģijas pārtraukumus, un energoietilpīga, oglekļa neitrāla šķidrā transporta degviela. Saules gaismas pārvēršana degvielā ļautu dienas laikā uzņemto saules enerģiju uzglabāt, transportēt un izmantot, kad saule nespīd. Tā pati degviela varētu aizstāt fosilo kurināmo, kas tiek darbināti mūsdienu lidmašīnās un kuģos. Lūiss piebilst, ka nav tādu lietu kā pieslēdzama elektriskā lidmašīna vai kuģis.
Viens no JCAP galvenajiem sasniegumiem ir ar saules enerģiju darbināmas ierīces, kas var sadalīt ūdeni ūdeņradī un skābeklī, kas ir svarīgs pirmais solis ceļā uz mākslīgo fotosintēzi.
JCAP, kas tika izvietots Caltech un Lawrence Berkeley Lab, sākotnēji tika finansēts ar USD 122 miljoniem piecu gadu laikā, un tā finansējums tika atjaunots (kaut arī zemākā līmenī) pagājušajā gadā. Tagad to vada Harijs Atvoters, Caltech lietišķās fizikas profesors, un tā sešu gadu pastāvēšanas laikā ir guvusi dažus iespaidīgus sasniegumus. Jo īpaši JCAP zinātniekiem ir izdevies izveidot tādas ierīces kā tas, ko es redzēju, prototipus, kas var sadalīt ūdeni ūdeņradī un skābeklī ar 10 reižu lielāku efektivitāti nekā fotosintēze. Tas ir svarīgs pirmais solis uz mākslīgo fotosintēzi; nākamais solis būtu ūdeņraža apvienošana ar oglekļa dioksīdu, lai ražotu saules kurināmo, kas varētu aizstāt fosilo kurināmo.
Tomēr pēdējā gada laikā JCAP ir būtiski mainījis virzienu. Enerģētikas departaments atjaunoja savu finansējumu pagājušajā gadā par 15 miljoniem USD gadā, kas ir gandrīz par 40 procentiem zemāks nekā iepriekšējā piecu gadu periodā. Turklāt DOE amatpersonas uzdeva zinātniekiem koncentrēt savus centienus no tādu ierīču ražošanas, kuras varētu tikt komercializētas nākamajos gados, un uz fundamentāliem zinātniskiem pētījumiem par sarežģītajiem procesiem, kas ir mākslīgās fotosintēzes pamatā. Saskaņā ar JCAP sākotnējo mērķi 2010. gada paziņojums par tās dibināšanu , bija jāizstrādā integrēta saules enerģijas pārveides sistēma par ķīmisko degvielu un jāpārceļ šī sistēma no sākotnējās atklāšanas fāzes uz mērogu, kurā to var komercializēt. Tagad tās pilnvaras vairs nepārsniedz atklāšanas fāzi.
Pirmajos piecos gados JCAP galvenokārt koncentrējās uz ūdeņraža degvielu, saka Kristofers Feko, JCAP programmas vadītājs DOE. Zinātnes birojs . Viņš saka, ka pilnīgas mākslīgās fotosintēzes pamatā esošā zinātniskā izaicinājuma risināšanai būs nepieciešami fundamentāli pārveidojoši zinātniski pētījumi un atklājumi, kas galu galā ļaus izmantot šīs tehnoloģijas, un mēs gūstam lielisku progresu. Tehnoloģiju ieviešana un komerciāla ražošana ir nākotnē.
Nākotnē tas varētu nozīmēt pēc pieciem gadiem vai dažām desmitgadēm. Atkāpšanās no darba risinājuma pēc iespējas ātrākas izstrādes ir atzīšana, ka JCAP sākotnējais mākslīgās fotosintēzes mērķis ir daudz grūtāks un tālāks, nekā zinātnieki saprata 2010. gadā. Tas ir arī taktisks lēmums netērēt federālo naudu, lai radītu darba ierīci. ražot ūdeņraža degvielu, lai gan šī tehnoloģija ir daudz tuvāk komercializācijai.
Mans sākotnējais redzējums bija dot zinātniekiem lielu rīcības brīvību un ļaut viņiem izvēlēties virzienu, kas, viņuprāt, ir visdaudzsološākais, lai viņi patiešām varētu kaut ko apvienot, saka Ču, kurš pameta DOE 2013. gadā un tagad ir fizikas un molekulārās un šūnu fizioloģija Stenfordā. Šodien viņš piebilst, ka es nedomāju, ka viņiem tiek dota brīvība, kādu es biju iecerējusi.
Pirmais fotosintēzes solis ir ūdens sadalīšana ūdeņradī un skābeklī, kas izdalās kā blakusprodukts. Pēc tam ūdeņradis reaģē ar oglekļa dioksīdu, veidojot ogļhidrātus, kas veicina augu augšanu. Mākslīgās fotosintēzes mērķis ir izmantot tās pašas izejvielas — saules enerģiju, ūdeni un oglekļa dioksīdu —, lai ražotu enerģētiski blīvu šķidro kurināmo. Ja šīs degvielas tiktu iegūtas no oglekļa dioksīda, kas uztverts no gaisa, process varētu būt oglekļa neitrāls, citiem vārdiem sakot, tas nepievienotu atmosfērā jaunas siltumnīcefekta gāzu emisijas.
JCAP, kas atrodas Lawrence Berkeley Nacionālajā laboratorijā, tika iecerēts kā Bell Labs līdzīgs tehnoloģiju inkubators, ko varētu ātri komercializēt.
Kopš 2010. gada, kad tika izveidots JCAP, mākslīgās fotosintēzes un saules degvielas pētījumi ir ieguvuši apgriezienus visā pasaulē. Japānā, Zviedrijā un citās valstīs ir valsts pētniecības un attīstības konsorciji, kas uzbrūk šai problēmai. DOE atbalsta citas programmas, piemēram, Saules kurināmo enerģētikas pētniecības centrs Ziemeļkarolīnas Universitātē. Iesācējiem patīk Opus12 , ko dibināja Stenfordas absolventu trio, un Šķidrā gaisma , ko vada Prinstonas ķīmijas profesors Endrjū Bokārslijs, mēģina veidot uzņēmumus no mākslīgās fotosintēzes.
Jautājums ir, vai tie nesīs augļus laikā, lai palīdzētu ierobežot globālās klimata pārmaiņas? Viena no problēmām ir tā, ka, lai saules kurināmais nebūtu oglekļa emisiju, būs vajadzīgas pilnīgi jaunas tehnoloģijas un infrastruktūras, lai uztvertu oglekli no gaisa vai emisijas no fosilā kurināmā ražotnēm.
Otra problēma ir tā, ka oglekļa dioksīda pārvēršana, lai pabeigtu fotosintēzes procesu, ir ļoti, ļoti grūta. Tas ietver sešas atsevišķas ķīmiskas darbības, un nav zināms katalizators, kas efektīvi un selektīvi pārvērstu oglekļa dioksīdu degvielā, kā tas ir ūdens sadalīšanas reakcijai.
Fecko saka, ka izaicinājums, ar kuru JCAP risina savus otros piecus gadus, patiesībā ir daudz būtiskāks un grūtāks nekā centieni izmantot ūdeņraža degvielu, taču ar lielu potenciālu.
Harijs Atvoters, Lūisa pēctecis JCAP direktora amatā, saka Harijs Atvoters, un šī maiņa ir likusi visam uzņēmumam nevis pie prototipu izstrādes un paplašināšanas darbībām, bet gan uz daudz lielāku uzmanību fundamentālajiem pētījumiem. Šis fokuss atbilst DOE mērķiem Enerģētikas zinātņu pamatprogramma , kas kontrolē JCAP finansējumu. Taču tuvākajā laikā tas mūs netuvinās tam, lai faktiski izveidotu ierīces un radītu nozari saistībā ar saules kurināmo.
Tāpēc Neits Lūiss uzskata, ka pāreja no prototipēšanas un ūdeņraža ražošanas ierīču palielināšanas bija kļūda. Ūdeņradis pats par sevi ir noderīgs galaprodukts, apgalvo Lūiss. To var sadedzināt tieši modificētos iekšdedzes dzinējos. To var pārveidot par sintētisko degvielu, izmantojot Fišera-Tropša process . To var izmantot kurināmā elementos, lai uzglabātu enerģiju un ražotu elektrību, atstājot tikai ūdeni kā atkritumu produktu. JCAP izstrādātajiem ūdens sadalīšanas prototipiem joprojām būs nepieciešama plaša attīstība, lai tos pārvērstu par noderīgām komerciālām ierīcēm. Taču Lūiss ir pārliecināts, ka viņš var tur nokļūt un salīdzinoši īsā laikā: ja mums būtu mazāk par 5 miljoniem ASV dolāru gadā, es esmu diezgan pārliecināts, ka mēs varētu tur nokļūt piecu gadu laikā, un tā ir pirmā reize, kad es to saku. , viņš saka.
JCAP zinātnieki Sonjia Francis (pa labi) un Dens Torelli (pa kreisi) pēta oglekļa dioksīda elektroķīmisko reducēšanu šķidrā degvielā. JCAP ir novirzījis savu uzmanību no risinājumu meklēšanas uz fundamentāliem zinātniskiem pētījumiem.
Tomēr pagaidām šis darbs netiks veikts, izmantojot JCAP. Lūiss atbalsta nepārtrauktu pilna mēroga mākslīgās fotosintēzes izpēti. Taču viņš uzskata, ka JCAP novirzīšana ir efektīva atteikšanās no daudzsološās tīras enerģijas tehnoloģijas — ūdens sadalīšanas ūdeņraža ražošanai —, ko varētu komercializēt daudz ātrāk. Viņš saka, ka pamata pētījumi par oglekļa dioksīda pārveidi ir ļoti šauri definēta joma un fokuss. Saules kurināmajam vajadzētu būt daudz plašākam, nekā izvēlēties vienu konkrētu veidu, kā tur nokļūt, un atmaksāt citas iespējas.
Atwater un Fecko saka, ka ūdens sadalīšanas ierīces izgudrojums bija svarīgs pavērsiens, ko citas laboratorijas un citi pētnieki var īstenot. Mūsu uzdevums ir panākt progresu pētniecībā, kas rada tehnoloģiju iespējas, saka Atwater. Mēs esam zinātnieki — mēs nevaram aizstumt bumbu līdz pat vārtu līnijai.
Tomēr Chu sākotnējais mērķis bija sasniegt vārtu līniju, kad tika dibināts centrs. Savā ziņā JCAP ir gadījuma pētījums par ilgtermiņa federālā finansējuma solījumu un briesmām energotehnoloģijām. Ču ar nožēlu runā par ceļu, kas nav veikts viņa 2010. gadā izveidotajā programmā. Pamatzinātnes ir nepieciešama un brīnišķīga lieta, viņš saka. Bet tas nav tas, ko es biju domājis.