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。在过去十年中，太阳能水分解取得了相当大的进步：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。
直接的方法
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。因为用这种方法电流密度要低十到一百倍，
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。
理念：联合生产有价值的化学品
“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 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“能源投资回收期”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。
灵活的系统
“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，下一步是在实验室中测试同时生产氢气和 MSA 在实践中的效果如何。”
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