绿氢：光电化学水分解如何变得具有竞争力

氢气可以通过电解水产生，理想情况下是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相当大的进展：最好的电解槽，从光伏组件或风力发电中获取所需的电压，已经实现了高达30%的效率。这是间接方法。

在HZB太阳能燃料研究所，几个团队正在研究太阳能水分解的直接方法：他们正在开发将太阳光转化为电能的光电极，在水溶液中稳定，并催化促进水分解。这些光电电极由与催化剂材料紧密耦合的光吸收剂组成，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，但它们也具有重要优势：例如，在PEC电池中，来自太阳光的热量可用于进一步加速反应。而且由于这种方法的电流密度要低十到一百倍，因此可以使用丰富且非常便宜的材料作为催化剂。

尚无竞争力

到目前为止，技术经济分析(TEA)和净能源评估(NEA)表明，PEC方法在大规模实施方面尚不具有竞争力。如今，PEC系统的氢气成本约为10美元/千克，约为化石甲烷蒸汽重整(6.1美元/千克)的5倍。此外，PEC水分解的累积能源需求估计比风力涡轮机和电解槽制氢的4-20倍高。

“这就是我们想要引入新方法的地方，”HZB太阳能研究所的Fatwa Abdi博士说。在Reinhard Schomäcker教授和Roel van de Krol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与同一反应器中的衣康酸(IA)进一步反应形成甲基琥珀酸(MSA)时平衡如何变化。

能源回收期

他们首先计算了从光吸收剂，催化剂材料和其他材料(如玻璃)生产PEC电池需要多少能量，以及它必须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，假设太阳能制氢效率适中，这个“能源回收期”约为17年。

如果只用2%的氢气将IA转化为MSA，能源回收期就会减半，如果30%的氢气转化为MSA，生产能量只需2年就可以恢复。“这使得这个过程更具可持续性和竞争力，”Abdi说。原因之一是：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PEC单元的固定部件(占投资成本的大部分)保持不变;只需要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的方法，并增加了PEC技术的经济可行性，”Abdi说。“我们已经仔细考虑了整个过程，下一步是在实验室中测试同时生产氢气和MSA在实践中的效果如何。

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