De största framstegen inom ren energi 2016

Ren energi tog viktiga framsteg 2016. Paris klimatöverenskommelser trädde i kraft , priset på solcellsinstallationer fortsatte att sjunka , investeringar i förnybar energi sköt i höjden , havsvindkraft kom äntligen igång i USA, och forskare gjorde en rad tekniska framsteg som lovar att göra hållbar energi allt mer effektiv och prisvärd.

Det sista är nyckeln, eftersom uppfinning fortfarande är det säkraste sättet att undvika de största effekterna av klimatförändringar. Dagens kommersiellt tillgängliga förnybara teknologier kan inte möta alla världens energibehov, även om de skalas upp aggressivt. USA kommer upp med cirka 20 procent under 2050, enligt en grundlig analys av National Renewable Energy Laboratory. Samtidigt har FN:s mellanstatliga panel för klimatförändringar avslutade världen måste minska utsläppen av växthusgaser med så mycket som 70 procent i mitten av seklet, och till nästan noll år 2100, för att ha någon chans att undvika uppvärmningsnivåer som kan garantera sjunkande städer, massutrotningar och utbredd torka.

Så vi behöver mer högeffektiva förnybara energikällor, billigare lagring, smartare nät och effektiva system för att fånga upp växthusgaser. Här är några av de mest lovande vetenskapliga framstegen under 2016.

Konstgjord fotosyntes

En av de avgörande saknade bitarna i portföljen av förnybara energikällor är ett rent flytande bränsle som kan ersätta bensin och andra transportbränslen. En av de mest lovande möjligheterna är artificiell fotosyntes, som efterliknar naturens egen metod för att omvandla solljus, koldioxid och vatten till bränslen.

Det har skett långsamma om stadiga förbättringar på området de senaste åren. Men i somras har Harvard-forskarna Daniel Nocera och Pamela Silvers, in samarbete med sina medförfattare , utvecklade ett 'bioniskt löv' som kunde fånga och omvandla 10 procent av energin i solljus, ett stort steg framåt för fältet. Det är också cirka 10 gånger bättre än fotosyntesen för din genomsnittliga växt.

Forskarna använder katalysatorer gjorda av en kobolt-fosforlegering för att dela upp vattnet i väte och syre, och satte sedan speciellt framtagna bakterier i arbete med att sluka upp koldioxid och väte och omvandla dem till flytande bränsle.

Andra labb har också gjort anmärkningsvärda framsteg i effektiviteten och hållbarheten för solbränsleenheter under de senaste månaderna, inklusive Lawrence Berkeley National Laboratory och Joint Center for Artificial Photosynthesis. I år skapade det senare labbet en soldriven enhet som omvandlade koldioxid till formiat vid 10 procents effektivitetsnivåer. Formiat kan användas som energikälla för specialiserade bränsleceller.

Men fältet står fortfarande inför stora tekniska utmaningar, som tidigare MIT Technology Review historien förklaras, och alla kommersiella produkter är troligen fortfarande år borta.

Termofotovoltaik för solenergi

I vår har ett team av MIT-forskare rapporterad utvecklingen av en termofotovoltaisk solcellsanordning som potentiellt skulle kunna tränga förbi de teoretiska effektivitetsgränserna för konventionella solceller som används i solpaneler. Dessa standardsolceller kan bara absorbera energi från en bråkdel av solljusets färgspektrum, främst det visuella ljuset från violett till rött.

Men MIT-forskarna lade till en mellankomponent som består av kolnanorör och nanofotoniska kristaller som tillsammans fungerar som en tratt, samlar energi från solen och koncentrerar den till ett smalt band av ljus.

Nanorören fångar energi över hela färgspektrat, inklusive i de osynliga ultravioletta och infraröda våglängderna, och omvandlar allt till värmeenergi. När de intilliggande kristallerna värms upp till höga temperaturer, runt 1 000 °C, återger de energin som ljus, men bara i det band som solceller kan fånga och omvandla.

Forskarna föreslår att en optimerad version av tekniken en dag skulle kunna bryta igenom det teoretiska taket på cirka 30 procents effektivitet på konventionella solceller. Åtminstone i princip kan termoelektriska solceller uppnå nivåer över 80 procent, även om det är långt kvar, enligt forskarna. Men det finns en annan viktig fördel med detta tillvägagångssätt. Eftersom processen i slutändan drivs av värme, kan den fortsätta att fungera även när solen dyker ner bakom molnen, vilket minskar intermittensen som fortfarande är en av de kritiska nackdelarna med solenergi. Om enheten var kopplad till en termisk lagringsmekanism som kunde fungera vid dessa höga temperaturer, skulle den kunna erbjuda kontinuerlig solenergi under dagen och natten.

Perovskite solceller

Perovskite solceller är billiga, lätta att tillverka och mycket effektiva på att absorbera ljus. En tunn film av materialet, en klass av hybrida organiska och oorganiska föreningar med en speciell typ av kristallstruktur, kan fånga lika mycket ljus som ett relativt tjockt lager av kisel som används i vanliga solceller.

En av de kritiska utmaningarna har dock varit hållbarhet. De föreningar som faktiskt absorberar solenergi tenderar att snabbt brytas ned, särskilt i våta och varma förhållanden.

Men forskargrupper vid Stanford, Los Alamos National Laboratory och Schweiziska federala tekniska institutet , bland andra institutioner, gjort avsevärda framsteg för att förbättra stabiliteten hos perovskitsolceller i år, och har publicerat anmärkningsvärda tidningar i Natur , Naturenergi , och Vetenskap .

'I början av året var de helt enkelt inte stabila under långa perioder', säger Ian Sharp, en stabsforskare vid Lawrence Berkeley National Lab. 'Men det har gjorts några riktigt imponerande framsteg i det avseendet. I år har det verkligen blivit allvar.'

Samtidigt har andra forskare lyckats öka effektiviteten av perovskitsolceller och identifiera lovande nya vägar för ytterligare framsteg.

Kollagring

Elproduktion är ansvarig för att producera 30 procent av landets koldioxid, så att fånga upp dessa utsläpp vid källan är avgörande för alla minskningsplaner. I år sågs framsteg för flera nya metoder för att fånga upp kol i kraftverk, inklusive karbonatbränsleceller, såväl som åtminstone några lovande implementeringar av befintlig teknik i den verkliga världen. (Även om det förvisso har funnits några starkt negativa exempel också.)

Men de flesta av dessa tillvägagångssätt lämnar öppen frågan om vad man ska göra med sakerna efter att de har lyckats fångas. Och det är inte ett litet problem. Världen producerar nästan 40 miljarder ton av koldioxid årligen.

En metod verkar dock mer lovande än man först trodde: att gräva ner koldioxid och förvandla den till sten. Sedan 2012 har Reykjavik Energy's CarbFix-projekt på Island har injicerat koldioxid och vatten djupt under jorden, där de reagerar med de vulkaniska basaltstenarna som är rikliga i regionen.

En analys publicerad i Vetenskap i juni fann att 95 procent av koldioxiden hade mineraliserats på mindre än två år, mycket snabbare än de hundratusentals år många hade förväntat sig. Än så länge verkar det inte heller läcka ut växthusgaser, vilket tyder på att det kan vara både billigare och säkrare än befintliga begravningsmetoder.

Men ytterligare forskning kommer att krävas för att se hur väl det fungerar i andra områden, särskilt under havsbotten, säger utomstående observatörer.

Koldioxid till etanol

Ett annat lovande alternativ för infångad koldioxid är i huvudsak att återvinna den till användbara bränslen.

Tidigare i år snubblade forskare vid det amerikanska energidepartementets Oak Ridge National Laboratory på en metod för att omvandla den till etanol, det flytande bränslet som redan används som tillsats i bensin. Teamet utvecklade en katalysator gjord av kol, koppar och kväve med en strukturerad yta, som koncentrerade de elektrokemiska reaktionerna vid spetsarna av nanospikar, enligt en studie publicerad i Kemi Välj i oktober . När spänning applicerades omvandlade enheten en lösning av koldioxid till etanol med hög effektivitet. Materialen var också relativt billiga och processen fungerade vid rumstemperatur, båda kritiska fördelar för framtida kommersialisering.

Vi tar koldioxid, en avfallsprodukt från förbränning, och vi driver den förbränningsreaktionen bakåt, sa huvudförfattaren Adam Rondinone i en nyhetssläpp .

Förutom att omvandla infångad koldioxid kan processen användas för att lagra överskottsenergi från vind- och solelproduktion.

Vissa utomstående forskare är dock skeptiska till de första resultaten och väntar med spänning på att se om andra laboratorier kan verifiera resultaten.

Dölj