Прямой подход

В Институте солнечного топлива HZB несколько команд работают над прямым подходом к расщеплению воды на солнце: 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, основанные на недорогих и стабильных поглотителях оксида металла, уже достигают эффективности, близкой к 10%. Хотя элементы PEC все еще менее эффективны, чем электролизеры с фотоэлектрическим приводом, они также обладают важными преимуществами: в элементах PEC, например, тепло от солнечного света может быть использовано для дальнейшего ускорения реакций. А поскольку при таком подходе плотность тока в десять-сто раз ниже, в качестве катализаторов можно использовать многочисленные и очень недорогие материалы.

Еще не конкурентоспособен

На данный момент технико-экономический анализ (TEA) и оценка чистой энергии (NEA) показали, что подход PEC пока неконкурентоспособен для крупномасштабного внедрения. Водород из систем PEC сегодня стоит около 10 долларов США/кг, что примерно в 6 раз дороже, чем водород из парового риформинга ископаемого метана (1,5 доллара США/кг). Более того, совокупная потребность в энергии для расщепления воды PEC, по оценкам, в 4-20 раз выше, чем для производства водорода с помощью ветряных турбин и электролизеров.

Идея: совместное производство ценных химических веществ

"Именно здесь мы хотели применить новый подход", - говорит доктор Фатва Абди из Института солнечного топлива HZB. В рамках сотрудничества UniSysCat excellence network между профессором Рейнхардом Шомеккером и профессором Роэлем ван де Кролем группа Абди исследовала, как меняется баланс, когда часть полученного водорода дополнительно реагирует с итаконовой кислотой (IA) в том же реакторе (на месте) с образованием метил янтарной кислоты (MSA).

Сроки окупаемости энергии

Сначала они подсчитали, сколько энергии необходимо для производства элемента PEC из светопоглотителей, катализаторов и других материалов, таких как стекло, и как долго он должен функционировать, чтобы производить эту энергию в форме химической энергии, такой как водород или MSA. Для одного только водорода этот "срок окупаемости энергии" составляет около 17 лет при условии скромной 5%-ной эффективности преобразования солнечной энергии в водородную. Если только 2% производимого водорода используется для преобразования IA в MSA, время окупаемости энергии сокращается вдвое, а если 30% водорода преобразуется в MSA, производимая энергия может быть восстановлена всего через 2 года. "Это делает процесс гораздо более устойчивым и конкурентоспособным", - говорит Абди. Одна из причин: энергия, необходимая для синтеза MSA в такой ячейке PEC, составляет лишь одну седьмую от энергии, необходимой для обычных процессов производства MSA.

Гибкая система

"Система является гибкой и может также производить другие ценные химикаты, которые в настоящее время необходимы на объекте", - объясняет Абди. Преимущество заключается в том, что основные компоненты установки PEC, на которые приходится большая часть инвестиционных затрат, остаются неизменными; требуется заменить только катализатор гидрирования и исходное сырье. "Такой подход предлагает способ значительно снизить себестоимость производства экологически чистого водорода и повышает 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".