绿色氢光电化学水分解如何具有竞争力

氢气可以通过电解水产生，理想情况下是利用太阳能电池或风能提供所需的电能。这种“绿色”氢有望在未来的能源系统中发挥重要作用。在过去的十年中，太阳能水分解取得了长足的进步：从光伏模块或风能中获取所需电压的最佳电解槽已经实现了高达30%的效率。这是间接的方法。

在HZB太阳能燃料研究所，几个团队正在研究一种直接的太阳能水分解方法：他们正在开发将太阳光转化为电能、在水溶液中稳定并催化促进水分解的光电极。这些光电极由光吸收剂组成，这些光吸收剂与催化剂材料紧密耦合，形成光电化学电池(PEC)的活性成分。

基于低成本和稳定的金属氧化物吸收剂的最佳PEC电池已经实现了接近10%的效率。尽管PEC电池的效率仍然低于PV驱动的电解槽，但它们也具有重要的优势：例如，在PEC电池中，来自阳光的热量可用于进一步加速反应。而且由于采用这种方法，电流密度降低了十到一百倍，因此可以使用丰富且非常便宜的材料作为催化剂。

还没有竞争力

到目前为止，技术经济分析(TEA)和净能源评估(NEA)表明，PEC方法尚不具备大规模实施的竞争力。如今，来自PEC系统的氢气成本约为10美元/千克，比来自化石甲烷蒸汽重整的氢气(1.5美元/千克)高出约6倍。此外，估计PEC水分解的累计能源需求比风力涡轮机和电解槽制氢高4-20倍。

“这就是我们想要采用新方法的地方，”HZB太阳能燃料研究所的FatwaAbdi博士说。在ReinhardSchomäcker教授和RoelvandeKrol教授之间的UniSysCat卓越网络合作框架内，Abdi的小组研究了当产生的一些氢气在同一反应器中(原位)与衣康酸(IA)进一步反应时平衡如何变化形成甲基琥珀酸(MSA)。

能源回收时间

他们首先计算了用光吸收剂、催化剂材料和玻璃等其他材料生产PEC电池需要多少能量，以及它需要多长时间才能以氢或MSA等化学能的形式产生这种能量。仅就氢而言，假设太阳能转化为氢的效率适中，为5%，这种“能源回收期”约为17年。

如果仅将生产的氢气的2%用于将IA转化为MSA，则能源回收时间减半，如果将30%的氢气转化为MSA，则仅需2年即可恢复生产能源。“这使得该过程更具可持续性和竞争力，”阿卜迪说。原因之一：在这种PEC电池中合成MSA所需的能量仅为传统MSA生产工艺所需能量的七分之一。

“该系统非常灵活，还可以生产现场目前需要的其他有价值的化学品，”Abdi解释说。优点是占投资成本大部分的PEC装置的固定组件保持不变;只需更换加氢催化剂和原料。

“这种方法提供了一种显着降低绿色氢生产成本并提高PEC技术经济可行性的方法，”Abdi说。“我们仔细考虑了整个过程，下一步是在实验室测试同时生产氢气和MSA在实践中的效果如何。”