211service.com
Vejen til solbrændstoffer rammer et fartbump
Da jeg besøgte Lawrence Berkeley National Laboratory i marts, kom Frances Houle, vicedirektøren for Fællescenter for kunstig fotosyntese , viste et af centrets seneste fremskridt. Det er en enhed, der nedbryder vand til brint og ilt i sollys. Laboratoriets forskere havde tidligere brugt kunstigt lys til at drive processen; det var første gang, de gjorde det med naturligt lys. Fastgjort til et tyndt metalstativ på taget af centrets bygning over Berkeley, med en spektakulær udsigt mod vest over San Francisco-bugten, har den lille enhed en solcelle, der leverer den nødvendige energi til en kemisk katalysator til at splitte vandet. På toppen af enheden boblede rent brint op.
Centeret, der almindeligvis kaldes JCAP, blev oprettet i 2010 under energiminister Steven Chu, og har et dristig mål: at skabe brændstoffer ved kun at bruge sollys, kuldioxid og vand (se Indsatsen for kunstig fotosyntese tager rod). Udført økonomisk ville det være en Promethean-præstation, der repræsenterer et stort skridt i retning af at løse de to udestående udfordringer med at skifte fra fossile brændstoffer til vedvarende energi: Opbevaring af store mængder energi til senere brug og strømforsyning af transportformer, der ikke let kan køre på batterier.
Alle undersøgelser af et rent energisystem, jeg nogensinde har set, identificerer de samme to teknologiske huller, siger Nate Lewis , centrets stiftende direktør. Massiv energilagring i netskala for at kompensere for uregelmæssigheden af vind- og solenergi og et energitæt, kulstofneutralt flydende transportbrændstof. At omdanne sollys til brændstof vil gøre det muligt at lagre, transportere og bruge solenergi, der er opsamlet i løbet af dagen, når solen ikke skinner. Det samme brændstof kunne erstatte fossile brændstoffer, som driver nutidens fly og skibe. Der er ikke sådan noget som et plug-in elektrisk fly eller skib, tilføjer Lewis.
En af JCAPs primære resultater har været solenergidrevne enheder, der kan opdele vand til brint og oxygen - et vigtigt første skridt på vejen mod kunstig fotosyntese.
Hostet hos Caltech og Lawrence Berkeley Lab, JCAP blev oprindeligt finansieret med $122 millioner over fem år, og dets finansiering blev fornyet (omend på et lavere niveau) sidste år. Nu ledet af Harry Atwater, en Caltech-professor i anvendt fysik, har den opnået nogle imponerende præstationer i dets seks års eksistens. Mest bemærkelsesværdigt er det lykkedes JCAP-forskere at bygge enheder som den, jeg så, prototyper, der kan opdele vand til brint og ilt med 10 gange effektiviteten af fotosyntese. Det er et vigtigt første skridt til kunstig fotosyntese; det næste skridt ville være at kombinere brint med kuldioxid for at producere solbrændstoffer, der kunne erstatte fossile brændstoffer.
I det sidste år har JCAP dog foretaget et markant skift i retning. Department of Energy fornyede sin finansiering sidste år med 15 millioner dollars om året, næsten 40 procent under satsen for den foregående femårsperiode. Hvad mere er, instruerede DOE-embedsmænd forskerne om at omfokusere deres indsats væk fra at lave enheder, der kunne kommercialiseres i de næste mange år, og mod grundlæggende videnskabelig forskning om de komplekse processer, der ligger til grund for kunstig fotosyntese. JCAPs oprindelige mål, ifølge 2010-meddelelsen om dets grundlæggelse , skulle udvikle et integreret solenergi-til-kemisk brændstofkonverteringssystem og flytte dette system fra bench-top opdagelsesfasen til en skala, hvor det kan kommercialiseres. Nu går dets mandat ikke længere ud over opdagelsesfasen.
I de første fem år fokuserede JCAP primært på brintbrændstof, siger Christopher Fecko, programleder for JCAP i DOE's Videnskabens kontor . At tackle den underliggende videnskabelige udfordring med fuld kunstig fotosyntese vil kræve grundlæggende, transformerende videnskabelig forskning og opdagelse, som i sidste ende vil muliggøre disse teknologier, siger han, og vi gør fremragende fremskridt. Teknologiimplementering og kommerciel produktion er i fremtiden.
I fremtiden kan betyde om fem år eller et par årtier. Tilbagetoget fra at hamre en fungerende løsning så hurtigt som muligt er en indrømmelse af, at JCAPs oprindelige mål med kunstig fotosyntese er meget sværere og længere væk, end forskerne forstod i 2010. Det er også en taktisk beslutning ikke at bruge føderale penge på at skabe en fungerende enhed til at producere brintbrændstof, selvom den teknologi er meget tættere på kommercialisering.
Min oprindelige vision var at give forskerne et stort spillerum og lade dem vælge den retning, de synes er mest lovende, så de rent faktisk kan sætte noget sammen, siger Chu, der forlod DOE i 2013 og nu er professor i fysik og molekylær og cellulær fysiologi ved Stanford. I dag, tilføjer han, tror jeg ikke, de får den frihed, jeg havde forestillet mig.
Det første trin i fotosyntesen er at spalte vand til brint og ilt, som frigives som et biprodukt. Brinten reagerer derefter med kuldioxid for at producere kulhydrater, som driver planters vækst. Kunstig fotosyntese søger at bruge de samme input - solenergi, vand og kuldioxid - til at producere energitætte flydende brændstoffer. Hvis disse brændstoffer var afledt af kuldioxid opsamlet fra luft, kunne processen være kulstofneutral - med andre ord ville den ikke tilføje nye emissioner af drivhusgasser til atmosfæren.
Baseret på Lawrence Berkeley National Laboratory, blev JCAP udtænkt som en Bell Labs-lignende inkubator af teknologier, der hurtigt kunne kommercialiseres.
Siden 2010, hvor JCAP blev dannet, har forskning i kunstig fotosyntese og solbrændstoffer taget fart på verdensplan. Der er nationale forsknings- og udviklingskonsortier, der angriber problemet i Japan, Sverige og andre lande. DOE understøtter andre programmer, såsom Energy Frontier Research Center for Solar Fuels ved University of North Carolina. Startups som Opus 12 , grundlagt af en trio af Stanford-studerende, og Flydende lys , ledet af Princeton kemiprofessor Andrew Bocarsly, forsøger at bygge virksomheder ud af kunstig fotosyntese.
Spørgsmålet er, om de vil bære frugt i tide til at hjælpe med at begrænse de globale klimaændringer? Et problem er, at det at gøre solbrændstoffer kulstofneutralt vil kræve helt nye teknologier og infrastrukturer til at opfange kulstof fra luften eller emissioner fra fossile brændselsanlæg.
Det andet problem er, at det er meget, meget svært at omdanne kuldioxid for at fuldføre fotosynteseprocessen. Det involverer seks separate kemiske trin, og der er ingen kendt katalysator, der vil omdanne kuldioxid til brændstof effektivt og selektivt, som der er for vandspaltningsreaktionen.
Den udfordring, som JCAP tager fat på i løbet af de sidste fem år, er faktisk mere fundamental og vanskelig i mange henseender end brint-brændstofindsatsen, men af stor potentiel gevinst, siger Fecko.
Skiftet, siger Harry Atwater, Lewis' efterfølger som JCAP-direktør, har drevet hele virksomheden ikke til prototyping og opskaleringsaktiviteter, men til et meget stærkere fokus på grundforskning. Det fokus stemmer overens med DOE'ernes mål Grunduddannelse i energividenskab , som kontrollerer JCAPs finansiering. Men det vil ikke bringe os tættere på, på kort sigt, på faktisk at bygge enheder og skabe en industri omkring solbrændstoffer.
Det er derfor, Nate Lewis mener, at skiftet væk fra prototyping og opskalering af brint-genererende enheder var en fejl. Brint i sig selv er et nyttigt slutprodukt, hævder Lewis. Det kan brændes direkte i modificerede forbrændingsmotorer. Det kan omdannes til syntetisk brændstof via Fischer-Tropsch proces . Det kan bruges i brændselsceller til at lagre energi og til at producere elektricitet, hvilket kun efterlader vand som et affaldsprodukt. De vandsplittende prototyper udviklet hos JCAP vil stadig kræve omfattende udvikling for at blive omdannet til nyttige kommercielle enheder. Men Lewis er overbevist om, at han kan nå dertil, og det på relativt kort tid: Hvis vi havde mindre end 5 millioner dollars om året, er jeg ret overbevist om, at vi kunne nå dertil om fem år, og det er første gang, jeg har sagt det , han siger.
JCAP-forskerne Sonjia Francis (til højre) og Dan Torelli (til venstre) undersøger den elektrokemiske reduktion af kuldioxid til flydende brændstof. JCAP har flyttet sit fokus væk fra at hamre på løsninger og mod grundlæggende videnskabelig forskning.
Indtil videre vil det arbejde dog ikke blive udført gennem JCAP. Lewis støtter fortsat forskning i fuldskala kunstig fotosyntese. Men han betragter JCAPs omdirigering som en effektiv opgivelse af en lovende ren energiteknologi - vandopdeling til brintproduktion - der kunne kommercialiseres meget hurtigere. Grundforskning i kuldioxidomdannelse er et meget snævert defineret omfang og fokus, siger han. Solbrændstoffer bør være meget bredere end at vælge en specifik måde at komme dertil og definansiere andre muligheder.
Atwater og Fecko siger, at opfindelsen af en vandopdelingsanordning var en vigtig milepæl, som andre laboratorier og andre forskere kan bringe til virkelighed. Vores opgave er at gøre forskningsfremskridt, der giver anledning til teknologiske muligheder, siger Atwater. Vi er videnskabsmænd - vi kan ikke skubbe bolden helt til mållinjen.
At nå mållinjen var dog det oprindelige mål, som Chu opstillede, da centret blev grundlagt. I en vis forstand er JCAP et casestudie i løftet om og farerne ved langsigtet føderal finansiering af energiteknologier. Chu taler bedrøvet om den vej, som det program, han lavede i 2010, ikke tog. Grundvidenskab er en nødvendig og vidunderlig ting, siger han. Men det var ikke det, jeg havde i tankerne.