Rozsdamarta napelem
Még a legjobb rendelkezésre álló technológia – a nemzetközi űrállomáson használt, ritka földfémekből milliárddolláros költséggel kifejlesztett napelemrendszer – is csak a beérkező sugárzás legfeljebb 46 százalékát tudja elektromos árammá alakítani. A hétköznapokban használt, olcsóbb, szilíciumalapú napelemek hatásfoka 15-20 százalék körül mozog. De hogyan tároljuk a felesleges energiát, ha a nap nem süt?
Az akkumulátor kézenfekvő megoldás, de abban kevés energiát tárolhatunk, ráadásul magas a működtetési költség – illetve néhány évente cserélni kell ezeket a berendezéseket. A napenergia tárolásának sokkal hatékonyabb módja, ha segítségével a vízből hidrogént állítunk elő. Egykilónyi hidrogénben ugyanis 170-szer több energia tárolható, mint amennyi egy hagyományos, egykilós lítiumion-akkumulátorban – ez az összehasonlítás a News Scientist tudományos hírportálján olvasható. Ha van hidrogéned, ott használhatod fel, ahol akarod. Hidrogént tüzelőanyag-cellába téve elektromos áramot állíthatunk elő, de szén-monoxiddal kombinálva bioüzemanyagot (metanolt) készíthetünk. Az elektrolízis (elektromos áram hatására végbemenő elektrokémiai folyamat) a legegyszerűbb módja annak, hogy napenergiával hidrogént nyerjünk. Az egyenáram hatására redoxireakciók mennek végbe, tehát elektromos energia alakul át kémiai energiává. Ha vizet bontunk, akkor az anódon oxigén fejlődik, a katódon hidrogén. Fontos a víz elektrolízise során keletkező két gáz elkülönítése is, mivel a keletkező oxigén és hidrogén keveréke durranógázt alkot.
Az elektrolízis hiába tűnik egyszerűnek, mivel nem túlzottan hatékony és nagyon drága eljárás, senki sem gondolt arra, hogy nagyipari méretekben így gyártson hidrogént. (Inkább a metán és vízgőz reakciójával, illetve izzó vascsövön vízgőz átvezetésével gyártottak hidrogént.) A svájci École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) mérnökei azt remélik, hogy költséghatékony megoldást találtak a hidrogén előállítására: a napenergia olcsóbb megcsapolásával.
Itt jön a képbe a svájci Michael Gratzel, aki az úgynevezett harmadik generációs, festékérzékenyített napelemek kifejlesztéséért 2010-ben elnyerte a Finn Technológiai Akadémia nagydíját, a nyolcszázezer euróval járó Millennium Prize-t. Az elektrolízisre alkalmas Gratzel-napelem lelke egy félvezető, amely egy fényérzékeny anód és egy elektrolitoldat között található – ezt nevezik a szakmában foto-elektrokémikus rendszernek (PEC). A Gratzel-napelem a napenergia segítségével elektrolízissel állít elő hidrogént és oxigént. A New Scientistnek nyilatkozó EPFL-kutató, Kevin Sivula szerint amerikai kutatók ezen elem továbbfejlesztésével 15 százalékos hatékonysággal tudtak a napenergiából hidrogént készíteni, csakhogy ez a hatékonyság elméleti szempontból jelent megoldást, hiszen az ott használt anyagokkal egy tíz négyzetcentiméteres félvezető réteg előállítása 10 ezer dollárba kerülne. Ipari alkalmazás ilyen áron elképzelhetetlen. Sivula és csapata ezért elhatározta, hogy kizárólag olcsó alapanyagokból épít félvezetőt. A csoport a vas-oxid, közismert nevén rozsda mellett döntött. A vas-oxid azonban önmagában nem alkalmas erre a feladatra, ezért némi szilícium-oxiddal, alumínium-oxiddal és kobalt-oxiddal – és nanotechnológiai eljárások beiktatásával – növelték a teljesítményét. Ennek a rendszernek a hatékonysága négy százalék alatti, de a kutatók úgy vélik, hogy a technológia javulhat az elkövetkező években. (Az eredményről a Nature Photonics számolt be elsőként.) Sivula reményei szerint a vas-oxid segítségével néhány év alatt megcsípik a 10 százalékos hatásfokot, és a rendszer ára négyzetcentiméterenként legfeljebb nyolcvan dollárba kerül. „Ezen az áron már versenyképes lehet a Gratzel-elemmel a hidrogéntermelés.”
Már csak egy problémát kell megoldani: a hidrogén tárolását. A kutatók évek óta dolgoznak ezen, s számos új megközelítéssel álltak elő. Ausztrálok a nátrium-bórhidrides tárolást javasolják. Normális esetben ezt az anyagot 550 Celsius-fokra kell ahhoz hevíteni, hogy megszabaduljon a hidrogéntől, de egy különleges megoldásnak köszönhetően 50 Celsius-fokon is működött a dolog. Azaz, ott tartunk, hogy viszonylag olcsón tudunk már hidrogént gyártani és biztonságosan tárolni.
