Kompletní elektrárny pro zelený vodík

Samostatný modul autonomního tandemového PEC reaktoru. © Fraunhofer IKTS / Individuální modul samostatného tandemového PEC reaktoru. © Fraunhofer IKTS

Voda vyrobená pomocí sluneční energie by mohla v budoucnu výrazně nahradit fosilní paliva a přispět ke snižování emisí CO2. V rámci společného projektu Neo-PEC vyvinuli odborníci z Fraunhoferu tandemový modul, který autonomně a bezpečně produkuje zelený vodík slunečním způsobem.

Pro ekologickou přeměnu průmyslových procesů je vodík klíčovým přístupem. Palivo, které hoří bez uvolňování CO2, by mělo být pokud možno také vyrobeno bez uhlíkové stopy. Klasickou metodou je elektrolýza, při níž se voda za použití elektřiny rozkládá na vodík a kyslík. Pokud elektřina pochází z obnovitelných zdrojů, například z fotovoltaiky, vzniká zelený vodík. Nevýhodou je, že elektrolýzní zařízení jsou obvykle velká a složitá. Navíc jsou nákladná a vyžadují údržbu, což je v současné globální a klimatické politice nedostatek.

Solární výroba vodíku

Vzrušující alternativou je přímá solární rozklad vody, anglicky photoelectrochemical cell (PEC). V rámci projektu Neo-PEC vyvinuli vědci ze tří institutů Fraunhofer modulární řešení, které umožňuje vysoce flexibilní výrobu a zásobování vodíkem pomocí sluneční energie.

Jádrem vývoje Fraunhoferu je tandemový PEC modul. Připomíná svůj klasický fotovoltaický protějšek – s jedním podstatným rozdílem: proud není generován k pozdějšímu elektrolyzování jinde. Celý proces probíhá v jedné jednotce. Je však třeba být opatrný: protože při procesu vznikají vodík a kyslík, musí být konstrukce navržena tak, aby byly tyto prvky přísně odděleny a zachovány odděleně.

Pro tandemovou buňku pokrývají odborníci běžné floatové nebo ploché sklo na obou stranách polovodičovými materiály. Při slunečním záření jedna strana modulu absorbuje krátkovlnné světlo. Současně dlouhovlnné světlo proniká přes horní skleněnou vrstvu a je zachyceno na opačné straně. Při tom modul na straně katody nebo naopak na straně anody uvolňuje vodík a kyslík.

Vědci z Fraunhoferu během tříletého projektu vyvíjeli a zkoumali vysoce čisté polovodičové materiály, které poté nanášeli šetrnými metodami. Díky tomu jsou schopni zvýšit výtěžnost vodíku z procesu.

„Na plynné fázi nanášíme nanometrové vrstvy na sklo. Struktury, které při tom vznikají, mají velký vliv na aktivitu reaktoru, kromě vlastností samotného materiálu, které jsme rovněž optimalizovali,“ vysvětluje Dr. Arno Görne, vedoucí skupiny funkčních materiálů pro hybridní mikrosystémy na Institutu pro keramické technologie a systémy IKTS. Fotovoltaické prvky propojené v modulu napájejí systém dodatečným napětím: funguje jako turbo, které urychluje aktivitu a zvyšuje účinnost.

Čtvercový, praktický – bezpečný

Výsledkem je reaktor s aktivní plochou o velikosti půl metru čtverečního. Odděleně od kyslíku produkuje vodík, který lze ihned zachytit a změřit. V současnosti jeden modul při evropském slunečním záření vyprodukuje více než 30 kilogramů vodíku ročně na 100 metrů čtverečních. Tato produkce by například mohla pokrýt vzdálenost 15 až 20 tisíc kilometrů s vodíkovým vozem.

„Rozměry tandemové buňky jsou omezené tím, že náš modul přímo štěpí vodu, ale zároveň musí proudit proud z jedné strany na druhou. S rostoucí plochou modulu se zvyšujícími se odpory se systém nevhodně zatěžuje. V současnosti se osvědčilo právě toto formátové řešení. Je stabilní, odolné a výrazně větší než všechny srovnatelné řešení,“ zdůrazňuje Görne. Kompaktní prvky lze podle potřeby spojovat bez negativních vedlejších efektů, od jednoho modulu po velké plochy – což je významná výhoda řešení Fraunhoferu.

Propojování kompetencí

Projekt je také úspěšným příkladem přeshraniční spolupráce a kombinace navzájem se doplňujících kompetencí Fraunhoferu: v rámci dokončovaného projektu zkoumalo IKTS materiály a procesy pro fotovoltaickou vrstvu. Kolegové z Institutu pro vrstvení a povrchové techniky IST přispěli svými zkušenostmi s povrchovým pokovováním metodou fyzikální depozice z plynné fáze. Design reaktoru, levná a spolehlivá výroba a následné hodnocení modulů byly v rukou expertů z Centra pro křemíkovou fotovoltaiku CSP.

Že modul a jeho propojení fungují stabilně a bez problémů, již prokázali partneři v řadě terénních testů. Ale týmy Fraunhoferu, které svůj reaktor poprvé úspěšně představily na veletrhu Achema 2024 ve Frankfurtu, již plánují další kroky: jednak chtějí pokračovat v úspěšné spolupráci na dalším projektu, a jednak plánují dále rozvíjet své řešení ve spolupráci s firmami různými směry – pro přímou, bezpečnou a efektivní decentralizovanou výrobu a zásobování vodíkem.