Водород можно производить путем электролиза воды, в идеале с помощью солнечных батарей или энергии ветра, обеспечивающих необходимую электрическую энергию. Ожидается, что этот «зеленый» водород сыграет важную роль в энергетической системе будущего. За последнее десятилетие расщепление воды на солнечной энергии значительно продвинулось вперед: лучшие электролизеры, которые получают необходимое напряжение от фотоэлектрических модулей или энергии ветра, уже достигают эффективности до 30%. Это косвенный подход.

В Институте солнечного топлива HZB несколько групп работают над прямым подходом к расщеплению воды на солнечной энергии : они разрабатывают фотоэлектроды, которые преобразуют солнечный свет в электрическую энергию , стабильны в водных растворах и каталитически способствуют расщеплению воды. Эти фотоэлектроды состоят из поглотителей света, которые тесно связаны с материалами катализатора , образуя активный компонент фотоэлектрохимического элемента (PEC).

Лучшие ячейки PEC на основе недорогих и стабильных поглотителей из оксида металла уже достигают эффективности, близкой к 10%. Хотя PEC-ячейки по-прежнему менее эффективны, чем фотоэлектрические электролизеры, они также имеют важные преимущества: например, в PEC-ячейках тепло солнечного света может использоваться для дальнейшего ускорения реакций. А поскольку при таком подходе плотность тока в десять-сотню раз ниже, можно использовать в качестве катализаторов доступные и очень недорогие материалы.

Еще не конкурентоспособный

До сих пор технико-экономический анализ (TEA) и оценки чистой энергии (NEA) показали, что подход PEC еще не конкурентоспособен для крупномасштабного внедрения. Водород из систем ПЭК сегодня стоит около 10 долларов США/кг, что примерно в 6 раз больше, чем водород, получаемый при паровой конверсии ископаемого метана (1,5 долларов США/кг). Более того, совокупная потребность в энергии для расщепления воды на ПЭК оценивается в 4-20 раз выше, чем для производства водорода с помощью ветряных турбин и электролизеров.

«Именно здесь мы хотели применить новый подход», — говорит доктор Фатва Абди из Института солнечного топлива HZB. В рамках сотрудничества в рамках сети передового опыта UniSysCat между профессором Райнхардом Шомэкером и профессором Роэлем ван де Кролом группа Абди исследовала, как меняется баланс, когда часть полученного водорода вступает в дальнейшую реакцию с итаконовой кислотой (IA) в том же реакторе (на месте) до образуют метилянтарную кислоту (МСК).

Сроки окупаемости энергии

Сначала они рассчитали, сколько энергии требуется для производства ячейки PEC из светопоглотителей, каталитических материалов и других материалов, таких как стекло, и как долго она должна функционировать, чтобы производить эту энергию в форме химической энергии, такой как водород или MSA. Только для водорода этот «время окупаемости энергии» составляет около 17 лет при скромной эффективности преобразования солнечной энергии в водород на уровне 5%.

Если только 2 % произведенного водорода используется для преобразования IA в MSA, время окупаемости энергии сокращается вдвое, а если 30 % водорода преобразуется в MSA, производственная энергия может быть восстановлена ​​всего через 2 года. «Это делает процесс более устойчивым и конкурентоспособным», — говорит Абди. Одна из причин: энергия, необходимая для синтеза MSA в такой ячейке PEC, составляет лишь одну седьмую от потребности в энергии обычных процессов производства MSA.

«Система является гибкой и может также производить другие ценные химические вещества, которые в настоящее время необходимы на объекте», — объясняет Абди. Преимущество состоит в том, что постоянные компоненты блока PEC, на которые приходится большая часть инвестиционных затрат, остаются прежними; необходимо заменить только катализатор гидрирования и сырье.

«Этот подход предлагает способ значительно снизить себестоимость производства зеленого водорода и повысить экономическую целесообразность технологии PEC», — говорит Абди. «Мы тщательно продумали процесс, и следующий шаг — проверить в лаборатории, насколько хорошо одновременное производство водорода и MSA работает на практике».