المصدر: sec.ucf.edu
يمكن إجراء استخدام الطاقة الشمسية لإنتاج الهيدروجين من خلال عمليتين: التحليل الكهربائي للماء باستخدام الكهرباء المولدة بالطاقة الشمسية والتقسيم المباشر للمياه الشمسية. عند التفكير في توليد الكهرباء من الطاقة الشمسية ، يتحدث الجميع تقريبًا عن التحليل الكهربائي الكهروضوئي. هذه العملية تعمل. في الواقع ، تم عرضه لأول مرة في مركز فلوريدا للطاقة الشمسية في عام 1983 بتمويل من مركز كينيدي للفضاء التابع لناسا. على الرغم من أنها قابلة للتنفيذ من الناحية التكنولوجية ، إلا أنها ليست مجدية اقتصاديًا بعد. إلى جانب التكلفة ، هناك سؤال عن سبب استخدام الكهرباء ، وهي ناقل طاقة فعال للغاية ، لتوليد الهيدروجين ، وهو ناقل آخر للطاقة ، ثم تحويله مرة أخرى إلى كهرباء مرة أخرى للاستخدام؟ بعبارة أخرى ، تعتبر الكهرباء ذات قيمة كبيرة مثل الكهرباء ، حاملة الطاقة الأكثر رغبة لدينا ، وقد لا نرغب في استخدامها لأي شيء آخر غير ذلك. هذا صحيح بشكل خاص إذا كانت الكهرباء مصنوعة من الخلايا الكهروضوئية. PV كمصدر للطاقة يطابق الحمل الأقصى لتكييف الهواء لمرافق الدولة &. أحدها أفضل حالًا باستخدام الكهرباء الكهروضوئية ككهرباء نظرًا لأنه من الإسراف في استخدامها بطريقة أخرى.
متى يكون من المنطقي إنتاج الهيدروجين من الكهرباء المولدة من الشمس؟ الجواب هو أننا نريد إنتاج الهيدروجين في أي وقت لا يمكن فيه استخدام الكهرباء - خارج الذروة في المناطق النائية ، وأثناء التغيرات الموسمية. يعتبر الهيدروجين الناتج عن الرياح أو الطاقة المائية أو الطاقة الحرارية الأرضية أو أي شكل آخر من أشكال الكهرباء المولدة بالطاقة الشمسية ذا قيمة عندما لا يتطابق المورد مع ملف تحميل الشبكة الكهربائية.
إذا كانت الكهرباء الشمسية عبر خلية الوقود الكهروضوئية غير منطقية ، فماذا عن الهيدروجين الكهروضوئي؟ في الواقع ، فإن معظم النقاش حول التحليل الكهربائي الكهروضوئي يتعلق بإنتاج الهيدروجين لاستخدامه كوقود للسيارات. مرة أخرى ، لا يبدو أن هذا السيناريو قابل للتطبيق. لنأخذ حالة محطة وقود الهيدروجين التي توزع 1000 جالون من البنزين يوميًا ، أي حوالي نصف المعدل الوطني. لاحظ أن جالونًا واحدًا من البنزين يحتوي على نفس كمية الطاقة الموجودة في كيلو جرام واحد من الهيدروجين. وبالتالي ، سوف تتطلب محطة التزود بالوقود حوالي 1000 كجم من الهيدروجين يوميًا. باستخدام قيمة التسخين المنخفضة للهيدروجين ، فإن الطاقة الكهربائية اللازمة لتوليد كيلوغرام واحد من الهيدروجين هي 51 كيلو واط في الساعة (باستخدام محلل كهربي بكفاءة 65٪). هذا يعني أن 1000 كجم / يوم من الهيدروجين سيتطلب 51000 كيلو وات ساعة يوميًا من الكهرباء. يمكن تقدير كمية الطاقة الكهروضوئية اللازمة لتزويد 51000 كيلو وات ساعة بقسمة كيلو وات ساعة على 5 ساعات / يوم. وبالتالي ، ستكون هناك حاجة إلى 10200 كيلوواط أو 10.2 ميغاواط من الطاقة الكهروضوئية لتشغيل محطة وقود الهيدروجين 1000 كجم / يوم. لاحظ أن 1 كيلوواط يتطلب مساحة تبلغ حوالي 10 أمتار مربعة للطاقة الكهروضوئية بكفاءة 10٪.
الفئة الثانية ، تقسيم الماء الشمسي المباشر ، تشير إلى أي عملية يتم فيها استخدام الطاقة الشمسية مباشرة لإنتاج الهيدروجين من الماء دون المرور بخطوة التحليل الكهربائي الوسيطة. الامثله تشمل:
تقسيم الماء الكهروكيميائي الكهروضوئي - تستخدم هذه التقنية أقطابًا شبه موصلة في خلية كهروكيميائية ضوئية لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية للهيدروجين. هناك نوعان أساسيان من الأنظمة الكهروكيميائية الكهروضوئية - أحدهما يستخدم أشباه الموصلات أو الأصباغ والآخر يستخدم معقدات معدنية مذابة.
بيولوجي ضوئي - يتضمن توليد الهيدروجين من الأنظمة البيولوجية باستخدام ضوء الشمس. يمكن لبعض الطحالب والبكتيريا إنتاج الهيدروجين في ظل ظروف مناسبة. تمتص الأصباغ الموجودة في الطحالب الطاقة الشمسية ، وتعمل الإنزيمات الموجودة في الخلية كمحفزات لتقسيم الماء إلى مكوناته من الهيدروجين والأكسجين.
دورات كيميائية حرارية عالية الحرارة - تستخدم هذه الدورات الحرارة الشمسية لإنتاج الهيدروجين عن طريق تقسيم الماء باستخدام خطوات كيميائية حرارية.
تغويز الكتلة الحيوية - يستخدم هذا الحرارة لتحويل الكتلة الحيوية إلى غاز صناعي غني بالهيدروجين.
العمليات الكهروكيميائية والبيولوجية الضوئية هي تلك التي يجب تطويرها من أجل تلبية متطلبات الطاقة على المدى الطويل. تعد أنظمة&اليوم أقل كفاءة من 1 في المائة (من الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين) وتحتاج إلى الوصول إلى كفاءات أعلى بكثير لتكون اقتصادية. أيضًا ، لا توجد تركيبات واسعة النطاق لأي من التقنيتين.
يمكن للدورات الحرارية الكيميائية ذات درجات الحرارة العالية أن تحقق كفاءات ممتازة (أكثر من 40 في المائة) ، ولكن يجب أن تستخدم مستقبلات / مفاعلات شمسية مركزة قادرة على الوصول إلى درجات حرارة تزيد عن 800 درجة مئوية. وهناك مجموعة كبيرة ومتنوعة من الدورات الحرارية الكيميائية التي تمت دراستها. (انظر إنتاج الهيدروجين بواسطة دورات فصل المياه الحرارية الشمسية).
يستخدم تغويز الكتلة الحيوية الحرارة لتغيير الكتلة الحيوية (الخشب أو الأعشاب أو النفايات الزراعية) إلى غاز اصطناعي. يعتمد تكوين الغازات على نوع المادة الأولية ، ووجود الأكسجين ، ودرجة حرارة التفاعل ، والمعلمات الأخرى. تم تطوير مغوِّزات الكتلة الحيوية كمفاعلات ذات طبقة ثابتة وطبقة مميعة ومفاعلات ذات طبقة محبوسة.