Vägen till solbränslen träffar ett farthinder

När jag besökte Lawrence Berkeley National Laboratory i mars, Frances Houle, biträdande chef för Gemensamt centrum för artificiell fotosyntes , visade upp ett av centrets senaste framsteg. Det är en anordning som bryter ner vatten till väte och syre i solljus. Labbets forskare hade tidigare använt artificiellt ljus för att driva processen; det var första gången de gjorde det med naturligt ljus. Den lilla enheten är fäst på ett tunt metallställ på taket av centrets byggnad ovanför Berkeley, med en spektakulär utsikt västerut över San Francisco Bay, och har en solcell som levererar den energi som behövs för en kemisk katalysator för att dela vattnet. På toppen av enheten bubblade rent väte upp.

Centret, som vanligtvis kallas JCAP, skapades 2010 under energiminister Steven Chu, och har ett djärvt mål: att skapa bränslen med enbart solljus, koldioxid och vatten (se Ansträngning för artificiell fotosyntes tar rot). Om det gjorts ekonomiskt skulle det vara en Promethean-prestation, som representerar ett stort steg mot att lösa de två enastående utmaningarna med att byta från fossila bränslen till förnybar energi: att lagra stora mängder energi för senare användning och att driva transportformer som inte enkelt kan köras på batterier.

Alla studier av ett rent energisystem jag någonsin sett identifierar samma två tekniska luckor, säger Nate Lewis , centrets grundare. Massiv energilagring i nätskala för att kompensera för intermittensen av vind- och solkraft, och ett energitätt, kolneutralt flytande transportbränsle. Att förvandla solljus till bränsle skulle göra det möjligt för solenergi som fångas under dagen att lagras, transporteras och användas när solen inte skiner. Samma bränsle skulle kunna ersätta fossila bränslen som driver dagens flygplan och fartyg. Det finns inga sådana saker som ett plug-in elektriskt flygplan eller fartyg, tillägger Lewis.

En av JCAP:s främsta prestationer har varit solenergidrivna enheter som kan dela vatten till väte och syre – ett viktigt första steg på vägen mot artificiell fotosyntes.

JCAP, som hölls på Caltech och Lawrence Berkeley Lab, finansierades ursprungligen med 122 miljoner USD under fem år, och dess finansiering förnyades (om än på en lägre nivå) förra året. Nu ledd av Harry Atwater, en Caltech-professor i tillämpad fysik, har den gjort några imponerande prestationer under sina sex år av existens. Mest anmärkningsvärt är att JCAP-forskare har lyckats bygga enheter som den jag såg, prototyper som kan dela vatten till väte och syre med 10 gånger effektiviteten av fotosyntesen. Det är ett viktigt första steg till artificiell fotosyntes; nästa steg skulle vara att kombinera väte med koldioxid för att producera solbränslen som kan ersätta fossila bränslen.

Under det senaste året har JCAP dock gjort en betydande förändring i riktning. Department of Energy förnyade sin finansiering förra året till 15 miljoner dollar per år, nästan 40 procent under den föregående femårsperioden. Dessutom instruerade DOE-tjänstemän forskarna att omfokusera sina ansträngningar från att tillverka enheter som skulle kunna kommersialiseras under de kommande åren och mot grundläggande vetenskaplig forskning om de komplexa processerna som ligger bakom artificiell fotosyntes. JCAP:s ursprungliga mål, enligt 2010 års tillkännagivande om dess grundande , var att utveckla ett integrerat solenergi-till-kemiskt bränsleomvandlingssystem och flytta detta system från bänkens upptäcktsfas till en skala där det kan kommersialiseras. Nu går dess mandat inte längre utöver upptäcktsfasen.

Under de första fem åren fokuserade JCAP främst på vätebränsle, säger Christopher Fecko, programchef för JCAP i DOE:s Vetenskapens kontor . Att tackla den underliggande vetenskapliga utmaningen med fullständig artificiell fotosyntes kommer att kräva grundläggande, transformerande vetenskaplig forskning och upptäckt som så småningom kommer att möjliggöra dessa teknologier, säger han, och vi gör utmärkta framsteg. Teknikutbyggnad och kommersiell produktion ligger i framtiden.

I framtiden kan betyda om fem år eller några decennier. Tillbakagången från att hamra fram en fungerande lösning så snabbt som möjligt är ett erkännande att JCAP:s ursprungliga mål med artificiell fotosyntes är mycket svårare och längre bort än vad forskare förstod 2010. Det är också ett taktiskt beslut att inte spendera federala pengar på att skapa en fungerande enhet för att producera vätgas, även om den tekniken är mycket närmare kommersialisering.

Min ursprungliga vision var att ge forskarna mycket spelrum och låta dem välja den riktning de tycker är mest lovande så att de faktiskt kan sätta ihop något, säger Chu, som lämnade DOE 2013 och nu är professor i fysik och molekylär och cellfysiologi vid Stanford. I dag, tillägger han, tror jag inte att de får den frihet som jag hade föreställt mig.

Det första steget i fotosyntesen är att dela vatten till väte och syre, som frigörs som en biprodukt. Vätet reagerar sedan med koldioxid för att producera kolhydrater, som driver växternas tillväxt. Artificiell fotosyntes försöker använda samma insatser – solenergi, vatten och koldioxid – för att producera energitäta flytande bränslen. Om dessa bränslen härrörde från koldioxid som fångats från luft, skulle processen kunna vara kolneutral - med andra ord skulle det inte tillföra några nya utsläpp av växthusgaser till atmosfären.

Baserat på Lawrence Berkeley National Laboratory, var JCAP tänkt som en Bell Labs-liknande inkubator av teknologier som snabbt kan kommersialiseras.

Sedan 2010, när JCAP bildades, har forskningen om artificiell fotosyntes och solbränslen tagit fart över hela världen. Det finns nationella forsknings- och utvecklingskonsortier som angriper problemet i Japan, Sverige och andra länder. DOE stöder andra program, såsom Energy Frontier Research Centre for Solar Fuels vid University of North Carolina. Startups som Opus 12 , grundat av en trio av Stanford-studenter, och Flytande ljus , som leds av Princeton-kemiprofessorn Andrew Bocarsly, försöker bygga företag utifrån artificiell fotosyntes.

Frågan är om de kommer att bära frukt i tid för att hjälpa till att begränsa de globala klimatförändringarna? Ett problem är att för att göra solbränslen koldioxidneutrala krävs helt nya tekniker och infrastrukturer för att fånga upp kol från luften eller utsläpp från fossilbränsleanläggningar.

Det andra problemet är att det är väldigt, väldigt svårt att omvandla koldioxid för att slutföra fotosyntesprocessen. Det involverar sex separata kemiska steg, och det finns ingen känd katalysator som kommer att omvandla koldioxid till bränsle effektivt och selektivt, på samma sätt som för vattenspjälkningsreaktionen.

Utmaningen som JCAP tar sig an under sina andra fem år är faktiskt mer grundläggande och svårare i många avseenden än vätgasbränsleinsatsen, men med stor potentiell vinst, säger Fecko.

Förändringen, säger Harry Atwater, Lewis efterträdare som JCAP-direktör, har drivit hela företaget inte till prototypframställning och uppskalningsaktiviteter, utan till ett mycket starkare fokus på grundforskning. Det fokuset överensstämmer med målen för DOE:s Grundläggande energivetenskapsprogram , som kontrollerar JCAP:s finansiering. Men det kommer inte att komma oss närmare, på kort sikt, att faktiskt bygga enheter och skapa en industri kring solbränslen.

Det är därför Nate Lewis tror att skiftet bort från prototypframställning och uppskalning av vätgasgenererande enheter var ett misstag. Väte i sig är en användbar slutprodukt, hävdar Lewis. Det kan brännas direkt i modifierade förbränningsmotorer. Den kan omvandlas till syntetiskt bränsle via Fischer-Tropsch-processen . Det kan användas i bränsleceller för att lagra energi och för att producera elektricitet, vilket bara lämnar vatten som en avfallsprodukt. De vattenklyvande prototyperna som utvecklats vid JCAP kommer fortfarande att kräva omfattande utveckling för att omvandlas till användbara kommersiella enheter. Men Lewis är övertygad om att han kan nå dit, och det på relativt kort tid: Om vi ​​hade mindre än 5 miljoner dollar per år, är jag ganska säker på att vi skulle kunna nå dit om fem år, och det är första gången jag har sagt det , han säger.

JCAP-forskarna Sonjia Francis (höger) och Dan Torelli (vänster) undersöker den elektrokemiska reduktionen av koldioxid till flytande bränsle. JCAP har flyttat fokus från att hamra på lösningar och mot grundläggande vetenskaplig forskning.

För närvarande kommer det arbetet dock inte att utföras genom JCAP. Lewis stödjer fortsatt forskning om fullskalig artificiell fotosyntes. Men han ser JCAP:s omdirigering som att man effektivt överger en lovande ren energiteknik – vattenuppdelning för väteproduktion – som skulle kunna kommersialiseras mycket tidigare. Grundforskning om koldioxidomvandling är en mycket snävt definierad räckvidd och inriktning, säger han. Solbränslen borde vara mycket bredare än att välja ett specifikt sätt att ta sig dit och definansiera andra alternativ.

Atwater och Fecko säger att uppfinningen av en vattenklyvningsanordning var en viktig milstolpe som andra labb och andra forskare kan förverkliga. Vårt jobb är att göra forskningsframsteg som ger upphov till tekniska alternativ, säger Atwater. Vi är vetenskapsmän – vi kan inte trycka bollen hela vägen till mållinjen.

Att nå mållinjen var dock det ursprungliga målet som Chu satte upp när centret grundades. På sätt och vis är JCAP en fallstudie i löftet och farorna med långsiktig federal finansiering av energiteknik. Chu talar bedrövligt om den väg som inte tagits av programmet han skapade 2010. Grundläggande vetenskap är en nödvändig och underbar sak, säger han. Men det var inte vad jag hade i åtanke.

Dölj