Na rozdíl od soudobých solárních systémů, které trpí výkyvy slunečního záření, dovedou listy rostlin využívat sluneční energii i za zhoršených světelných podmínek. K takovým schopnostem přírody se nyní přiblížili vědci z Ósaky.
Vědecký tým z Metropolitní univerzity v Ósace (OMU) vyvinul systém umělé fotosyntézy pro výrobu kyseliny mravenčí z oxidu uhličitého a vody. Nejde přitom jen o kyselinu mravenčí. Významné je i to, že ji zařízení vyrábí poměrně rovnoměrně během celého dne, aniž by potřebovalo baterie pro kompenzaci proměnlivého slunečního svitu. Zásadním prvkem nové technologie je elektrolyzér, který do jisté míry reguluje sám sebe. Testy potvrdily, že zařízení vyrábí kyselinu mravenčí i při reálném slunečním záření, jehož intenzita během dne kolísala.
Elektrochemické systémy umělé fotosyntézy obvykle využívají běžné fotovoltaické články s elektronickým systémem sledování bodu maximálního výkonu (MPPT). Nově navržený chemický systém MPPT, integrovaný přímo do elektrolyzéru, však umožňuje samostatnou a bezobslužnou výrobu kapalného solárního paliva se stabilizovanými změnami koncentrace od východu do západu slunce. Princip fungování systému MPPT je odvozen z impedance a vlastností přenosu tepla elektrolyzéru, který obsahuje pevný elektrolyt vykazující iontový odpor se záporným teplotním koeficientem. Aplikace matematického modelu na reálný elektrolyzér napájený komerčně dostupným monokrystalickým křemíkovým fotovoltaickým panelem pro výrobu čistého vodného roztoku kyseliny mravenčí prokázala vysoký faktor využití (85 %) fotovoltaické energie a 2% externí energetickou účinnost přeměny solární energie na kyselinu mravenčí (eSTF) pro 0,1 kg kyseliny mravenčí z čisté vody a oxidu uhličitého (CO2) během denního provozu, a to vše bez použití konvenčního elektronického MPPT systému.
Namísto ukládání energie do baterií tedy solární elektřina pohání elektrolyzér, v němž probíhají reakce vytvářející palivo. V elektrolyzéru se nachází speciální pevný elektrolyt, jehož klíčovou vlastností je, že se s rostoucí teplotou snižuje jeho iontový odpor (ionic resistance), což umožní průchod většího množství elektrického proudu.
Tím vzniká samoregulační smyčka. Když zesílí sluneční záření, fotovoltaický panel dodává více energie. Elektrolyzér přijímá více elektřiny a samovolně se zahřívá. Se zvyšující se teplotou klesá jeho odpor, takže může odebírat ještě více elektrického proudu z panelu. Když slunce naopak svítí méně, zařízení se ochladí a množství proudu poklesne. Podobné systémy se mohou uplatnit v decentralizované výrobě.
Schematické znázornění zařízení navrženého v této studii. Symboly A a P označují ampérmetr a nízkoenergetické čerpadlo. Elektrické vodiče a potrubí toku vody nebo substrátu jsou znázorněny tenkými a tučnými čarami © OMU
Připravil Stanislav Mihulka, upravil a doplnil Michael Málek