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Feb 03, 2024

太陽

近年、再生可能エネルギーによる電力生産に向けて大きな進歩が見られました。 しかし、現在では化学燃料の生産が世界の約80％を占めています。

近年、再生可能エネルギーによる電力生産に向けて大きな進歩が見られました。 しかし、現在私たちが消費するエネルギーの約 80% (IEA、世界エネルギー収支、2020) を占める化学燃料を再生可能エネルギーから生産することはより困難です。 再生可能エネルギーが炭化水素や水素などの化学結合で貯蔵される化学燃料のグリーン生産方法の開発は、断続的なエネルギー（風力や太陽光など）を緩衝する方法として重要であり、国内または国際的なエネルギーを支援する鍵となります。エネルギーの輸送に使用され、遠隔地または分散された場所にエネルギーを供給するのに役立ちます。

この課題に取り組むために、Sun-To-X は欧州連合の Horizo​​n 2020 プログラムから資金提供を受けており、研究技術機関 (RTO)、産業界、中小企業 (SME) で構成される 9 つのパートナーからなるコンソーシアムです。 このプロジェクトは2020年9月に開始され、2024年2月に完了する予定です。

Sun-To-X プロジェクトは、化学エネルギー貯蔵の新しいバリューチェーンを探索することを目的としています (図 1)。 最初のステップとして、太陽エネルギーを使用して、周囲の湿度または雨から水の原料として水素を生成します。 この水素は、熱化学プロセスを通じてリサイクル可能な酸化ケイ素ベースの前駆体と反応して、炭素を含まず、無毒でエネルギー密度の高い液体燃料である HydroSil を形成します。これは、輸送およびエネルギー分野に直接適用できます。

HydroSil 分子は 1 年以上安定しているため、再生可能エネルギーの長期貯蔵に適しています。 次に、循環経済の発展に向けて、廃プラスチックの還元解重合における HydroSil の別の用途を検討します。 このバリューチェーンのすべてのプロセスにおいて、コンソーシアムは環境への影響を最小限に抑えるために豊富な材料の使用に焦点を当ててきました。

このプロジェクトには次の主要な技術目標があります。

これらの目標は、経済発展のための欧州連合およびミッション・イノベーションの目標、および持続可能なエネルギー・システムの構築を通じたエネルギー安全保障の強化に貢献します。

太陽電池水素は、すでに小規模で商業化されている太陽光発電パネルと電解槽（PV-E）の組み合わせなど、さまざまな技術から生成できます。 しかし、太陽電池水素の製造コストの課題により、光電気化学的アプローチなどの代替技術の開発が推進されています。 光電気化学技術は、光吸収と電極の機能を単一のコンポーネント、つまり半導体光電極に組み合わせます。 これらのより統合されたシステムの実現により、将来の太陽光水素生産のコストが削減される可能性があります (Shaner et al., Energy Environmental Science, 2016)。 私たちの目標は、太陽光発電から水素への変換効率 10% のデバイスの開発を目指しています。

光電気化学技術に関する研究のほとんどは、水の原料として液体水を使用することに焦点を当ててきました。 代替手段として周囲湿度を使用することは、デバイスの地理的適用可能性を拡大し、気泡の形成（光を散乱させ、触媒部位をブロックする可能性がある）や水面からの光の反射などの技術的問題を解決するために、ますます研究されているオプションです。 液相水源と気相水源の利用の主な構成要素の違いは、湿気がデバイスに侵入できるように多孔質光電極を使用するのに対し、液相の場合は薄膜光電極を使用できることです。 さらに、気相反応では湿気を光電極に接触させるため、ナフィオンなどの吸水性固体電解質の使用が必要です。

理想的には、光電極はいわゆるタンデム構成で配置され、図 2 に示すターゲットデバイス構造で、光陽極と光電陰極がそれぞれ太陽スペクトルの異なる部分 (つまり、青色光と赤色光) を吸収します。太陽光から水素への効率を最大化します。 気相構成を使用する場合、電荷を効果的に転送するには、光電極を電荷伝導性支持体上に堆積する必要があるため、これは困難です。 平面光電極の場合、フッ素ドープ酸化スズ (FTO) でコーティングされたガラス パネルを使用できます。これは導電性と透明性の両方を備えており、光が 2 番目の光電極まで通過できます。 しかしながら、多孔質の導電性支持体またはガス拡散層は、典型的には完全に不透明な炭素または金属（チタンなど）から調製される。 現在、光電気化学システムの拡張性と安定性に課題があるため、これらのタンデム システムの技術準備レベル (TRL) は現在 3 (実験室セットアップで機能) です。 プロジェクトの期間中、目標は TRL を 5 に増やすことです (関連環境でのデモンストレーション)。