Это уже работает: существует несколько подходов к использованию солнечной энергии для расщепления воды и получения водорода. К сожалению, этот “зеленый” водород до сих пор стоил дороже, чем “серый” водород из природного газа.

Исследование, проведенное Берлинским центром Гельмгольца (HZB) и Берлинским техническим университетом, теперь показывает, как экологически чистый водород из солнечного света может стать прибыльным: часть водорода используется для переработки химикатов, полученных из биомассы, в высокоценные химические вещества для промышленности. Эта концепция совместного производства очень гибкая; один и тот же завод может использоваться для производства различных побочных продуктов по мере необходимости.

Нам нужно как можно скорее отказаться от ископаемого топлива, чтобы ограничить глобальное потепление. Таким образом, в энергетической системе будущего экологически чистый водород будет играть важную роль в накоплении энергии и в качестве возобновляемого сырья для производства химических веществ и материалов для широкого спектра применений.

В настоящее время водород в основном производится из ископаемого природного газа (серого водорода). С другой стороны, зеленый водород производится путем электролиза воды с использованием возобновляемых источников энергии. Одним из многообещающих подходов является использование фотоэлектрохимических устройств (PEC) для получения водорода с использованием солнечной энергии. Однако водород из установок PEC намного дороже, чем водород из (ископаемого) метана.

Полный контроль над реакциями

Команда, возглавляемая Фатвой Абди (работала в HZB до середины 2023 года, сейчас работает в Городском университете Гонконга) и Рейнхардом Шомекером (UniSysCat, TU Berlin), исследовала, как меняется баланс, когда часть водорода, образующегося в устройстве PEC, вступает в реакцию с итаконовой кислотой (IA) с образованием метилсукциновой кислоты (MSA), все в пределах одного устройства.

Исходный материал, итаконовая кислота, получают из биомассы и вводят внутрь. Метилсукциновая кислота является дорогостоящим соединением, необходимым химической и фармацевтической промышленности.

В исследовании команда описывает, как управлять химическими реакциями в устройстве PEC, изменяя параметры процесса и концентрацию гомогенного катализатора на основе родия, который растворим в воде и уже активен при комнатной температуре. Таким образом, для гидрирования итаконовой кислоты можно было бы использовать различные пропорции водорода, избирательно увеличивая или уменьшая выработку метилсукциновой кислоты.

Завод становится прибыльным благодаря 11-процентному потреблению водорода для MSA

При реалистичном общем КПД установки PEC в 10 процентов и с учетом первичных затрат, а также эксплуатации, технического обслуживания и вывода из эксплуатации производство чистого водорода остается слишком дорогостоящим по сравнению с производством из ископаемого газа. Это справедливо даже в том случае, если предполагается, что срок службы установки PEC составляет 40 лет.

Этот баланс изменяется, если реакция PEC сочетается с процессом гидрирования. Даже если только 11 процентов производимого водорода преобразуется в MSA, стоимость водорода снижается до 1,5 евро за килограмм, что уже находится на том же уровне, что и для водорода, получаемого при паровом риформинге метана. И это справедливо даже для установки PEC со сроком службы всего 5 лет.

Поскольку рыночная цена MSA значительно выше, чем у водорода, большее количество MSA повышает рентабельность. В ходе эксперимента для получения MSA можно было выборочно использовать от 11 до 60 процентов водорода.

Кроме того, предыдущее исследование показало, что совместное производство MSA также сокращает так называемое время окупаемости энергии, то есть время, необходимое заводу для восстановления энергии, израсходованной на его производство.

Установка PEC также может быть использована для производства других побочных продуктов путем простой замены исходного сырья и (растворимого) катализатора: например, ацетон можно гидрировать до изопропанола. “Это еще одно важное преимущество нашей концепции совместного производства. Мы нашли многообещающий способ сделать производство водорода на солнечной энергии экономически выгодным”, – говорит Фетва Абди.