氢能——光电化学分解水制氢如何变得有竞争力

通过共同生产有价值的化学品，可以大大缩短光电化学“绿色”氢气生产的能源回收时间。

阳光可以用来在光电化学（PEC）电池中直接从水中产生绿色氢气。到目前为止，大多数基于这种“直接方法”的系统还没有强大的竞争力。然而，一旦这种光电化学电池中的一些氢气被原位用于催化氢化反应，平衡就会发生变化，从而导致化学和制药工业中使用的化学品的共同生产。研究表明，光电化学“绿色”制氢的能源回收时间可以显著缩短。

氢气可以通过电解水来生产，最好是通过太阳能电池或风能来提供所需的电能。这种“绿色”氢气有望在未来的能源系统中发挥重要作用。在过去的十年里，太阳能水分解已经取得了相当大的进展：最好的电解槽可以从光伏组件或风能中获得所需的电压，其效率已经达到30%。这是间接方法。

直接方法

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。这些光电极由与催化剂材料紧密结合以形成光电化学电池的活性成分的光吸收剂组成。基于低成本和稳定的金属氧化物吸收剂的最佳光电化学电池已经实现了接近10%的效率。尽管光电化学电池的效率仍然不如光伏驱动的电解槽，但它们也有重要的优势：例如，在光电化学电池中，来自阳光的热量可以用来进一步加速反应。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。

尚未具备竞争力

到目前为止，技术经济分析和净能源评估表明，光电化学方法在大规模实施方面还没有竞争力。如今，来自光电化学系统的氢气的成本约为10美元/公斤，是来自化石甲烷蒸汽重整的氢气（1.5美元/公斤）的约6倍。此外，光电化学水分解的累计能源需求估计是风力涡轮机和电解槽制氢的4-20倍。

理念：共同生产有价值的化学品

HZB太阳能燃料研究所的Fatwa Abdi博士说：“这就是我们想要带来一种新方法的地方。”Abdi的团队研究了当产生的一些氢气在同一反应器中（原位）与衣康酸进一步反应形成甲基琥珀酸时，平衡是如何变化的。

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光电化学电池所需的能量，以及以氢或甲基琥珀酸等化学能的形式生产这种能量需要多长时间。仅就氢气而言，假设太阳能到氢气的效率为5%，这一“能源回收时间”约为17年。如果只有2%的氢气用于将衣康酸转化为甲基琥珀酸，则能源回收时间减半，如果30%的氢气转化为甲基琥珀酸则仅需2年即可回收生产能源。Abdi说：“这使这个过程更加可持续和具有竞争力。”一个原因是：在这种光电化学电池中合成甲基琥珀酸所需的能量仅为传统甲基琥珀酸生产工艺所需能量的七分之一。

一个灵活的系统

Abdi解释道：“该系统很灵活，还可以生产现场目前所需的其他有价值的化学品。”其优点是光电化学装置的固定部件（占大部分投资成本）保持不变，仅需要交换氢化催化剂和原料。Abdi说：“这种方法提供了一种显著降低绿色氢气生产成本的方法，并提高了光电化学技术的经济可行性。我们仔细考虑了这个过程，下一步是在实验室测试同时生产氢气和甲基琥珀酸在实践中的效果。”