Зеленый водород может достичь экономической жизнеспособности через совместное производство ценных химических веществ

Иллюстрация солнечной фотоэлектрохимической и гидрирования.Связанное устройство использует солнечный свет для генерации водорода и потребляет часть сгенерированного водорода in situ для гидрогената, полученного из биомассы, с использованием гомогенного катализатора.Затем оставшийся водород можно использовать для хранения энергии, транспорта, строительства и промышленного применения.Гидрогенизированные продукты являются ценными химическими веществами по высокой потребности в химической и фармацевтической промышленности.Фракция водорода, используемого для реакции гидрирования, может быть адаптирована к требованию путем регулирования поставки сырья биомассы и концентрации катализатора соответственно.Переключаясь между «Feedstock A + Catalyst A» и «Feelstock B + Catalyst B», различные продукты гидрирования могут быть получены на одном и том же заводе PEC.Кредит: Hassan Tahini, ScienceBrush Design/Oldableding по адресу https://doi.org/10.1038/S41467-023-41742-4 🔗

Это уже работает: есть несколько подходов к использованию солнечной энергии для разделения воды и производства водорода.К сожалению, этот «зеленый» водород до сих пор был дороже, чем «серый» водород из природного газа.

Исследование, проведенное Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) и Технического университета Берлина, теперь показывает, как зеленый водород от солнечного света может стать прибыльной: часть водорода используется для модернизации химических веществ, полученных из сырой биомассы, в высококачественные химические вещества для промышленности.Эта концепция совместного производства очень гибкая;То же самое можно использовать для производства различных побочных продуктов по мере необходимости.

Нам нужно как можно скорее отойти от ископаемого топлива, чтобы ограничить глобальное потепление.Поэтому в энергетической системе будущего зеленый водород будет играть важную роль в хранении энергии и в качестве возобновляемого сырья для производства химических веществ и материалов для широкого спектра применения.

В настоящее время водород в основном производится из ископаемого природного газа (серый водород).Зеленый водород, с другой стороны, производится путем электролиза воды с использованием возобновляемой энергии.Одним из перспективных подходов является использование фотоэлектрохимических (PEC) устройств для производства водорода с использованием солнечной энергии.Однако водород из растений PEC гораздо дороже, чем водород из (ископаемого) метана.

Команда, возглавляемая Фатва Абди (в HZB до середины 2023 года, в настоящее время в городском университете в Гонконге) и Рейнхардом Шомаккером (Unisyscat, Tu Berlin) в настоящее время исследовали, как изменяется баланс, когда некоторые из водорода, производимого в устройстве PEC, реагирует сИтаконовая кислота (IA) с образованием метилсукциновой кислоты (MSA), все в одном и том же устройстве.

Начальный материал, итаконовая кислота, поступает из биомассы и кормится в. Метилсукциновая кислота является дорогостоящим соединением и необходимым для химической и фармацевтической промышленности.

В исследовании команда описывает, как контролировать химические реакции в устройстве PEC, изменяя параметры процесса и концентрацию гомогенного катализатора на основе родия, который является водорастворимым и уже активным при комнатной температуре.Таким образом, различные пропорции водорода могут быть использованы для гидрирования итаконовой кислоты, избирательно увеличивая или уменьшая выработку метилсукциновой кислоты.

С реалистичной общей эффективностью PEC на 10 процентов и с учетом первичных затрат, а также эксплуатации, технического обслуживания и эксплуатации, производство чистого водорода остается слишком дорогим по сравнению с производством от ископаемого газа.Это правда, даже если срок службы завода PEC предполагается, что составляет 40 лет.

Этот баланс меняется, если реакция PEC связана с процессом гидрирования.Даже если только 11 процентов полученного водорода конвертируются в MSA, стоимость водорода падает до 1,5 € на килограмм, что уже находится на том же уровне, что и для водорода от парового реформирования метана.И это верно даже для жизни PEC только 5 лет.

Поскольку рыночная цена MSA значительно выше, чем у водорода, больше MSA увеличивает прибыльность.В эксперименте от 11 до 60 процентов водорода можно избирательно использовать для производства MSA.

Кроме того, предыдущее исследование показало, что совместное производство MSA также уменьшает так называемое время окупаемости энергии, то есть время, необходимое заводу, чтобы восстановить энергию, которую потребляет его производство.

Завод PEC также может использоваться для получения других совместных продуктов, просто изменяя сырье и (растворимый) катализатор: например, ацетон может быть гидрогенизирован на изопропанол.«Это еще одно важное преимущество нашей концепции совместного производства. Мы нашли многообещающий способ сделать производство солнечного водорода экономически жизнеспособным»,-говорит Фатва Абди.

Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Больше информации: Keisuke Obata и др., Солнечная модернизация биомассы с помощью связанного гидрирования с использованием электрохимически генерируемого H2, природной связи (2023).Doi: 10.1038/s41467-023-41742-4