Получить зеленый водород с эффективностью преобразования солнечной энергии более 30%

Перспективная система фотоэлектрического электролиза для преобразования солнечной энергии в водород состоит из двух мембранных электролизеров с полимерным электролитом, соединенных с солнечной панелью. Средний КПД STH (преобразования солнечной энергии в водород), в лабораторных условиях за 48 часов составил 30%. Эти результаты демонстрируют высокий потенциал систем фотоэлектрического электролиза для эффективного хранения солнечной энергии.

Водород, в зависимости от основных способов его получения, условно имеет разные «цвета».

Зелёный – полученный путём электролиза воды (разделения воды на кислород и водород) с использованием электроэнергии, выработанной из экологически чистых возобновляемых источников энергии.

Жёлтый – путём электролиза воды с использованием электроэнергии, полученной на атомных электростанциях.

Голубой получают путём паровой конверсии природного газа (метана), то есть путём разделения метана на водород и угарный газ, впоследствии преобразуемый в углекислый (CH4 + H2O = CO + 3H2).

Бирюзовый производится путём пиролиза метана, то есть сильного теплового воздействия без доступа воздуха, в результате которого получается ацетилен и водород (2СН4 →С2Н2 + ЗН2).

Коричневый – путём газификации угля, то есть нагрева каменного или бурого угля вместе с окислителем, что ведёт к образованию водорода, большого количества CO2 и побочных выбросов. Эта технология едва ли может рассматриваться в качестве одной из перспективных для промышленного получения водорода ввиду низкой экологичности, но на её основе создаются относительно более экологичные способы переработки мусора, биомассы и канализационных стоков.

Производство водорода путем электрохимического расщепления воды является перспективным способом хранения солнечной энергии. Чтобы эта технология была экономически конкурентоспособной, важно создать такую систему, которая с высокой эффективностью преобразовывала бы солнечную энергию в водород (STH).

Поскольку установленная мощность фотоэлектрических установок продолжает расти, рентабельные технологии хранения солнечной энергии будут иметь решающее значение для уменьшения непостоянства солнечного ресурса и возможности накопления энергии. Производство водорода за счет солнечного разделения воды представляет собой многообещающее решение этих проблем, поскольку именно водород может храниться, транспортироваться и потребляться без образования вредных побочных продуктов.

Однако стоимость водорода, полученного с помощью электролиза, по-прежнему значительно выше, чем у ископаемого топлива. По проведенным исследованиям, установлено, что пороговая стоимость водорода может быть от 2,00 до 4,00 долларов США за 3,8 литра (1 галлон) бензинового эквивалента, в то время как самые минимальные затраты на производство водорода с помощью эффективных систем электролиза составляют около 3,26–6,62 доллара США за 3,8 литра бензинового эквивалента.

По оценкам экспертов в сфере энергетики, для осуществления полного перехода на зелёную энергетику посредством водорода в одной только Германии к 2030 г. должно быть введено в эксплуатацию не менее 30 ГВт генерирующих мощностей водородной энергетики.

Существует несколько многообещающих подходов к крупномасштабному расщеплению воды солнечным светом, включая фотохимические, фотоэлектрохимические (PEC) и фотоэлектрические системы электролиза. Но ни один из этих подходов в настоящее время не является экономически выгодным при использовании существующих технологий.

Наиболее перспективными являются фотоэлектрохимические (PEC) системы, которые напрямую преобразуют солнечное излучение в водород, и PEM электролизеры, использующие электроэнергию автономных фотоэлектрических установок (PV-E).

Сравнение приведённой стоимости 1 килограмма водорода (LCOH) при использовании различных технологий, рассматривая стандартные конфигурации PV-E и концептуальные конструкции PEC, экстраполированные до будущего коммерческого масштаба. LCOH для автономной электролизной системы (PV-E) составила 6,22$/кг H2, с эффективностью преобразования солнечной энергии в водород 10,9%. Для системы PEC с аналогичной эффективностью 10% расчетный LCOH был намного выше, а именно 8,43$/кг

Чтобы реализовать крупномасштабное развертывание получения водорода, стоимость его солнечной генерации должна быть значительно снижена. Лучшая из существующих ныне эффективность, продемонстрированная при использовании системы разделения воды PEC, по крайней мере, с одним переходом полупроводник – жидкость, составляет 12,4%. Наивысшая эффективность STH, продемонстрированная на сегодняшний день, 24,4%, была получена системой фотоэлектрического электролиза с использованием многопереходных солнечных элементов GaInP / GaAs / Ge и электрохимических ячеек с полимерным электролитом. Для сравнения: лучшая многопереходная фотоэлектрическая система при концентрированном освещении, созданная на сегодняшний день, продемонстрировала эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую 46,0%.

Теоретически системы могут потенциально достигать до 90–95%, что для ячейки 3 Дж может обеспечить эффективность фотоэлектрического электролиза ~ 57%, а для для ячейки 4 — 5 Дж ~ 62%. Эти значения указывают на то, что существуют значительные возможности для дальнейшего улучшения характеристик прототипов систем фотоэлектрического электролиза.

В новых исследованиях ученые использовали высокоэффективный солнечный элемент, соединенный с двумя последовательными электролизерами, оснащенными полимерно-электролитными мембранами (PEM) для достижения очень высокой эффективности STH. Данная система производит водород в лабораторных условиях со средней эффективностью STH 30% за 48 часов, что является высоким показателем эффективности производства водорода. Это устройство может обеспечить реализацию крупномасштабных солнечных установок для получения водорода.

Соединение высокоэффективной многопереходной солнечной панели с двумя последовательно соединенными электролизерами является эффективным способом минимизировать чрезмерное напряжение, генерируемое ею и позволяет более эффективно использовать высокоэффективные фотоэлектрические элементы для разделения воды. Поскольку данная система использует коммерчески доступные компоненты, можно предположить, что аналогичные методы могут быть реализованы в серийном производстве.

Анализ технико-экономических моделей крупномасштабных централизованных солнечных панелей получения водорода показывает, что достижение высокой эффективности STH является одним из наиболее важных факторов в снижении стоимости водорода. Дальнейшая разработка более дешевых и эффективных солнечных батарей, и электролизеров, оптимизированных конструкций систем фотоэлектрического электролиза и технико-экономических моделей для прогнозирования затрат на получение водорода — все это важные темы для продолжения исследований. А демонстрация разработанной высокоэффективной системы — важный шаг к достижению целей в области развития технологий получения водорода и снижения затрат.