Một tấm quang năng thông minh trên mái nhà có thể làm cho nhiên liệu hydro trở nên rẻ và phổ biến
Các kênh nhựa in 3D được phủ nhôm có thể thu ánh sáng mặt trời để tách nước mà không cần theo dõi mặt trời
Các tấm pin mặt trời là một cách tuyệt vời để thu năng lượng mặt trời cho năng lượng điện. Một cách khác để sử dụng năng lượng mặt trời, đang thu hút nhanh chóng trên toàn thế giới, là thúc đẩy các phản ứng hóa học với nó và tạo ra nhiên liệu. Công nghệ này, được gọi là quang hợp nhân tạo, có thể được sử dụng để tách nước thành hydro để làm nhiên liệu hoặc để tạo ra nhiên liệu lỏng từ carbon dioxide và nước.
Các nhà nghiên cứu ở Đức và Canada hiện đã có một bước tiến lớn trong việc tạo ra những nhiên liệu năng lượng mặt trời như vậy với giá cả phải chăng và phổ biến. Trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Joule, họ báo cáo một thiết kế chi tiết cho các lò phản ứng dạng bảng điều khiển có thể sản xuất hydro trên các mái nhà.
Các nhà nghiên cứu cho biết các lò phản ứng quang có chi phí thấp, thiết kế tương đối đơn giản và có thể dễ dàng sản xuất thông qua các kỹ thuật chế tạo hàng loạt sử dụng các loại nhựa phổ biến. Và không giống như các hệ thống khác được tạo ra cho đến nay, thiết kế mang lại hiệu quả năng lượng cao mà không cần theo dõi mặt trời. Điều này dẫn đến một hệ thống nhỏ gọn, dễ bảo trì và vận hành hơn, khiến nó trở nên hứa hẹn cho các ứng dụng nhỏ trên mái nhà.
Hydro ngày nay được chiết xuất chủ yếu từ khí tự nhiên, tạo ra carbon dioxide trong quá trình này. Quá trình quang hợp nhân tạo là một lộ trình xanh để tạo ra hydro bền vững cho ô tô và xe tải cũng như để sưởi ấm trong nhà. Nó liên quan đến việc sử dụng các chất xúc tác đặc biệt hấp thụ ánh sáng mặt trời và kích hoạt phản ứng tách nước.
Những lò phản ứng quang học như vậy đã cho thấy nhiều hứa hẹn trong việc thiết lập phòng thí nghiệm quy mô nhỏ và trình diễn trên sân thượng. Hiện các nhà nghiên cứu đang cố gắng tăng hiệu quả và giảm chi phí sản xuất hydro từ năng lượng mặt trời. Nhiều hệ thống lớn hơn dựa vào các kỹ thuật tập trung năng lượng mặt trời bằng cách sử dụng gương lớn và đĩa parabol hoặc các cách theo dõi mặt trời vào ban ngày. Những điều này thêm phức tạp và chi phí.
Paul Kant thuộc Viện Kỹ thuật Vi xử lý tại Viện Karlsruhe cho biết: “Trong trường hợp lý tưởng, lò phản ứng quang sẽ dẫn ánh sáng mặt trời tới tới chất xúc tác quang mà hầu như không bị thất thoát, bất kể nó đến từ đâu hoặc vị trí của mặt trời hiện tại”. of Technology ở Đức, người lãnh đạo công việc mới.
Kant và các đồng nghiệp của ông đã tạo ra một lò phản ứng quang học như vậy bằng cách sử dụng mô hình quang học và thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính. Lò phản ứng bao gồm hàng trăm kênh phản ứng hình chữ V song song, mỗi kênh có một khoang hình ống ở phía dưới. Các bề mặt bên trong của kênh và ống được phủ một lớp vật liệu phản chiếu nhân đôi. Hình chữ V thu ánh sáng đến từ các hướng khác nhau và đưa nó vào khoang dạng ống chứa nước và chất xúc tác quang.
Các mảng kênh có thể được in 3D bằng vật liệu nhựa hàng hóa và được phủ một lớp nhôm mỏng để tạo phản xạ. Bao gồm một chất xúc tác trị giá 1 triệu đô la Mỹ mỗi tấn, các nhà nghiên cứu ước tính rằng chi phí vật liệu của hệ thống lò phản ứng quang sẽ vào khoảng 22 đô la mỗi mét vuông.
Hiện tại, hệ thống này có hiệu suất 5,8%, đây là mức cao đối với các vật liệu được sử dụng, nhóm nghiên cứu viết. Hiện họ đang nghiên cứu phát triển các chất xúc tác quang tốt hơn và tối ưu hóa lò phản ứng để tăng hiệu suất. Họ cho biết việc nghiên cứu sự lão hóa trong thế giới thực của nhựa và lớp phủ quang học, cũng như giải quyết các thách thức như các kênh tích tụ bụi cũng sẽ rất quan trọng.
Họ viết: “Các lò phản ứng quang điện hiệu suất cao và chi phí thấp là chìa khóa thiết yếu dẫn đến sự thành công của quá trình quang hợp nhờ năng lượng mặt trời,” và vì thế “thiết kế và phương pháp tiếp cận của lò phản ứng quang điện được giới thiệu là một bước tiến quan trọng.”
Nguồn: Paul Kant et al. Lò phản ứng quang chi phí thấp cho quá trình tổng hợp dựa trên năng lượng mặt trời hiệu quả năng lượng/photon cao. Joule, 2023.
Hình ảnh: Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT)
