211service.com
De grootste vooruitgang op het gebied van schone energie in 2016
Schone energie heeft in 2016 belangrijke stappen gezet. De klimaatakkoorden van Parijs in werking getreden , de prijs van zonne-installaties bleef dalen , investeringen in hernieuwbare energie gestegen , kwam offshore wind eindelijk op gang in de Verenigde Staten, en wetenschappers hebben een reeks technische vooruitgang geboekt die beloven duurzame energie steeds efficiënter en betaalbaarder te maken.
Dat laatste is de sleutel, aangezien uitvindingen nog steeds de zekerste manier zijn om de grootste gevolgen van klimaatverandering te voorkomen. De in de handel verkrijgbare hernieuwbare technologieën van vandaag kunnen niet aan alle energiebehoeften van de wereld voldoen, zelfs niet als ze agressief worden opgeschaald. De Verenigde Staten komen tegen 2050 ongeveer 20 procent tekort, volgens een grondige analyse van het National Renewable Energy Laboratory. Ondertussen heeft het Intergouvernementeel Panel over klimaatverandering van de VN concludeerde de wereld moet de uitstoot van broeikasgassen tegen het midden van de eeuw met maar liefst 70 procent verminderen en tegen 2100 tot bijna nul, om enige kans te hebben om opwarmingsniveaus te vermijden die kunnen leiden tot zinkende steden, massale uitstervingen en wijdverbreide droogtes.
We hebben dus efficiëntere hernieuwbare energiebronnen, goedkopere opslag, slimmere netwerken en effectieve systemen voor het opvangen van broeikasgassen nodig. Hier zijn enkele van de meest veelbelovende wetenschappelijke ontwikkelingen van 2016.
Kunstmatige fotosynthese
Een van de cruciale ontbrekende onderdelen in de portefeuille van hernieuwbare energiebronnen is een schone vloeibare brandstof die benzine en andere transportbrandstoffen kan vervangen. Een van de meest veelbelovende mogelijkheden is kunstmatige fotosynthese, waarbij de natuurlijke methode wordt nagebootst om zonlicht, koolstofdioxide en water om te zetten in brandstoffen.
Er zijn de afgelopen jaren langzame of gestage verbeteringen in het veld geweest. Maar deze zomer hebben Harvard-wetenschappers Daniel Nocera en Pamela Silvers, in samenwerking met hun co-auteurs , ontwikkelde een 'bionic leaf' dat 10 procent van de energie in zonlicht kon opvangen en omzetten, een grote stap voorwaarts voor het veld. Het is ook ongeveer 10 keer beter dan de fotosynthese van je gemiddelde plant.
De onderzoekers gebruiken katalysatoren gemaakt van een kobalt-fosforlegering om het water te splitsen in waterstof en zuurstof, en zetten vervolgens speciaal ontwikkelde bacteriën aan het werk om de koolstofdioxide en waterstof op te slokken en om te zetten in vloeibare brandstof.
Andere laboratoria hebben de afgelopen maanden ook opmerkelijke vooruitgang geboekt in de efficiëntie en duurzaamheid van apparaten op zonne-energie, waaronder het Lawrence Berkeley National Laboratory en het Joint Center for Artificial Photosynthesis. Dit jaar creëerde het laatste laboratorium een door zonne-energie aangedreven apparaat dat koolstofdioxide omzet in formaat met een efficiëntieniveau van 10 procent. Formaat kan worden gebruikt als energiebron voor gespecialiseerde brandstofcellen.
Maar het veld staat nog steeds voor aanzienlijke technische uitdagingen, zoals een eerder MIT Technology Review verhaal uitgelegd, en alle commerciële producten zijn waarschijnlijk nog jaren verwijderd.
Thermofotovoltaïsche zonne-energie
Dit voorjaar heeft een team van MIT-onderzoekers gemeld de ontwikkeling van een thermofotovoltaïsch apparaat op zonne-energie dat mogelijk voorbij de theoretische efficiëntiegrenzen van de conventionele fotovoltaïsche energie die in zonnepanelen wordt gebruikt, zou kunnen komen. Die standaard zonnecellen kunnen slechts energie absorberen uit een fractie van het kleurenspectrum van zonlicht, voornamelijk het visuele licht van violet naar rood.
Maar de MIT-wetenschappers voegden een tussencomponent toe die bestaat uit koolstofnanobuizen en nanofotonische kristallen die samen als een trechter functioneren, energie van de zon verzamelen en deze concentreren in een smalle lichtband.
De nanobuisjes vangen energie over het hele kleurenspectrum op, ook in de onzichtbare ultraviolette en infrarode golflengten, en zetten dit allemaal om in warmte-energie. Terwijl de aangrenzende kristallen opwarmen tot hoge temperaturen, rond de 1000 °C, geven ze de energie weer af als licht, maar alleen in de band die fotovoltaïsche cellen kunnen opvangen en omzetten.
De onderzoekers suggereren dat een geoptimaliseerde versie van de technologie op een dag de theoretische limiet van ongeveer 30 procent efficiëntie op conventionele zonnecellen zou kunnen doorbreken. In principe zouden thermofotovoltaïsche zonne-energie niveaus van meer dan 80 procent kunnen bereiken, hoewel dat volgens de wetenschappers nog ver weg is. Maar er is nog een ander cruciaal voordeel aan deze benadering. Omdat het proces uiteindelijk wordt aangedreven door warmte, zou het kunnen blijven werken, zelfs als de zon achter wolken duikt, waardoor de intermitterende werking die een van de kritieke nadelen van zonne-energie blijft, wordt verminderd. Als het apparaat zou worden gekoppeld aan een thermisch opslagmechanisme dat bij deze hoge temperaturen zou kunnen werken, zou het dag en nacht continu zonne-energie kunnen leveren.
Perovskiet zonnecellen
Perovskiet-zonnecellen zijn goedkoop, gemakkelijk te produceren en zeer efficiënt in het absorberen van licht. Een dunne film van het materiaal, een klasse hybride organische en anorganische verbindingen met een bepaald type kristalstructuur, kan net zoveel licht opvangen als een relatief dikke laag silicium die wordt gebruikt in standaard fotovoltaïsche cellen.
Een van de kritieke uitdagingen was echter duurzaamheid. De verbindingen die daadwerkelijk zonne-energie absorberen, hebben de neiging om snel af te breken, vooral in natte en warme omstandigheden.
Maar onderzoeksgroepen van Stanford, Los Alamos National Laboratory en de Zwitsers Federaal Instituut voor Technologie , naast andere instellingen, hebben dit jaar aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het verbeteren van de stabiliteit van perovskiet-zonnecellen, en publiceerden opmerkelijke papers in Natuur , Natuur Energie , en Wetenschap .
'Aan het begin van het jaar waren ze gewoon niet lang stabiel', zegt Ian Sharp, een stafwetenschapper bij het Lawrence Berkeley National Lab. 'Maar wat dat betreft zijn er echt indrukwekkende vorderingen gemaakt. Dit jaar is het echt serieus geworden.'
Ondertussen zijn andere onderzoekers erin geslaagd om het verhogen van de efficiëntie van perovskiet-zonnecellen en het identificeren van veelbelovende nieuwe paden voor verdere vooruitgang.
Koolstofopslag
Elektriciteitsopwekking is verantwoordelijk voor de productie van 30 procent van de koolstofdioxide van het land, dus het opvangen van die uitstoot bij de bron is cruciaal voor elk reductieplan. Dit jaar waren er vorderingen voor verschillende opkomende benaderingen voor het vastleggen van koolstof in energiecentrales, waaronder carbonaatbrandstofcellen, evenals op zijn minst enkele veelbelovende implementaties van bestaande technologie in de echte wereld. (Hoewel, er zijn er zeker een paar geweest) sterk negatieve voorbeelden ook.)
Maar de meeste van deze benaderingen laten de vraag open wat te doen met het spul nadat het met succes is vastgelegd. En het is geen klein probleem. De wereld produceert bijna 40 miljard ton van koolstofdioxide per jaar.
Eén methode lijkt echter veelbelovender dan aanvankelijk werd gedacht: koolstofdioxide begraven en in steen veranderen. Sinds 2012 heeft Reykjavik Energy's CarbFix-project in IJsland heeft koolstofdioxide en water diep onder de grond geïnjecteerd, waar ze reageren met de vulkanische basaltrotsen die in de regio overvloedig aanwezig zijn.
Een analyse gepubliceerd in Wetenschap in juni ontdekte dat 95 procent van de koolstofdioxide in minder dan twee jaar was gemineraliseerd, veel sneller dan de honderdduizenden jaren die velen hadden verwacht. Tot nu toe lijkt het er ook op dat er geen broeikasgassen uitlekken, wat suggereert dat het zowel goedkoper als veiliger zou kunnen zijn dan bestaande begraafmethoden.
Maar verder onderzoek zal nodig zijn om te zien hoe goed het werkt op andere gebieden, met name onder de oceaanbodems, zeggen externe waarnemers.
Kooldioxide naar ethanol
Een andere veelbelovende optie voor afgevangen kooldioxide is in wezen het terug recyclen tot bruikbare brandstoffen.
Eerder dit jaar stuitten onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van energie op een methode om het om te zetten in ethanol, de vloeibare brandstof die al wordt gebruikt als additief in benzine. Het team ontwikkelde een katalysator gemaakt van koolstof, koper en stikstof met een gestructureerd oppervlak, die de elektrochemische reacties concentreerde aan de uiteinden van nano-spikes, volgens een studie gepubliceerd in Chemie selecteren in oktober . Wanneer er spanning werd aangelegd, zette het apparaat een oplossing van kooldioxide met een hoog rendement om in ethanol. De materialen waren ook relatief goedkoop en het proces werkte bij kamertemperatuur, beide cruciale voordelen voor toekomstige commercialisering.
We nemen kooldioxide, een afvalproduct van verbranding, en we duwen die verbrandingsreactie achteruit, zei hoofdauteur Adam Rondinone in een persbericht .
Naast het omzetten van opgevangen kooldioxide, kan het proces worden gebruikt om overtollige energie op te slaan uit wind- en zonne-elektriciteitsopwekking.
Sommige externe onderzoekers zijn echter sceptisch over de eerste resultaten en wachten met spanning af om te zien of andere laboratoria de bevindingen kunnen verifiëren.