新研究评估大型光电化学制氢的能量平衡

晓说

在寻求用清洁能源方案替代排放温室气体的化石燃料时，一些技术，如从阳光直接制氢般诱人。如果宇宙中最丰富的元素氢，可以在地球上生产很经济而且对环境整体影响很小，那么它将以极低的总碳排放量和极小的气候影响来为固定的和移动的设备提供能量。例如，氢可以在燃料电池中作为燃料供给来发电或用作产生液体运输燃料的原料。

然而今天，制备氢气最经济的方法是通过重整如天然气之类的化石燃料，天然气直接燃烧对环境有同样的负面影响。电解法制氢即电解水为氢和氧原则上可以使用可再生电能，但目前非常昂贵。

科学家正在寻求一个有前途的方法，就是直接利用阳光分解水为生产清洁能源制造出大量的氢，这个过程被称为光电化学（PEC）制备。与从烃类分解产生氢且残余的碳不同，烃类分解残余的碳通常被氧化以二氧化碳的形式排放到大气中，而光电化学制备是从水中分解氢留下干净的氧气。研究人员已经在实验室内小规模的完成了PEC，但是扩大规模为能够提供足够供应满足工业社会需求的氢能发电厂，还需要相当多的研究和技术发展。

许多悬而未决的问题不仅局限于技术层面，还有其领域中生命周期的影响，特别是净能量平衡。如基于PEC技术的能量生产设施，应该在其生命周期内产生比制造和修理更多的能量。为了使基于PEC大型制氢成为现实，科学家和资助机构都想了解他们需要追随何种研究方向。

从科学家在人工光合作用联合中心（JCAP）一项新的研究中创造了生命周期评估（LCA）模型，其提供了一些评估可能有助于引导研究方向，有利于更快的在市场上取得成功。他们构建了一个大型的基于PEC制氢装置的模型模拟，使用了目前相关技术以及未来表现的预测。隶属于劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）的材料、物质生物科学、化学科学和环境能源技术分部（EETD）的JCAP科学家参与了此项研究。

“这个从太阳能到氢技术的建模提供了对其潜在竞争力的深刻理解，”该研究主要作者，环境能源技术部的Roger Sathre说，“这将有助于确定改进中的关键挑战和机遇。”

EETD研究人员在技术生命周期评估方面在仅限于实验室的情况下已经有了相当丰富的经验，如新的红外阻挡电致变色窗口涂层， 碳封存技术，以及先进的生物燃料。他们的研究结果旨在帮助指导从实验室研发到市场的成功。

深入的描述和更多的切入点

产氢模型的发展需要很多部件以及研究人员对技术研发的大量投入。该研究团队模拟出了一个能连续平均产出氢气1GW或者每天产出氢气610吨的设备。160个这样的设备即可为全美的轻型汽车供能。

产氢模型的发展需要很多部件以及研究人员对技术研发的大量投入。该研究团队模拟出了一个能连续平均产出氢气1GW或者每天产出氢气610吨的设备。160个这样的设备即可为全美的轻型汽车供能。

“这项研究是我们第一次探索大型的制氢系统，并且做一个完整的系统要求平衡的评估。系统要求包括能量、材料投入和产出。”这项研究的发起人之一，环境能量技术部的Jeffery Greenblatt说。之前的几项研究已经评估了更小规模的大约是这次所研究的大型系统的一千分之一大小的系统，它们更关注与经济效益。伯克利的研究者们对这个设备做了一个初步的工程设计，并且生成了一个模型来描述整个系统的能量流动和生产、使用以及停用这个设备的之间联系。这使得他们能够计算这种设备的三个主要的能量指标。

其中一个能量指标就是生命周期的主要能量余额，或者说是设备将会在使用期内提供多少净能量。第二个指标就是能源投资回报率，表示设备产生的有用能量除以它的能量投入－这个值必须大于1且尽量地大以使得这项技术可行。最后一个指标是能量投资回收的时间，这个指标衡量了设备需要运作多长时间提供氢当量的能量来抵消它制造和停止运作所消耗的能量。

制造出这样的模型要从它的部件开始。这个团队模拟了一个两平方米大的光电化学电池，每14个电池排布在一个叫做面板的可运输的结构里。每1000个面板组成一个区域。整个设备由1510个区域组成。（见图一）

这个模型需要估算制作所有这些部件的能量，加上工厂的剩余部分，例如水管和气管道、储存罐、压缩机、传感器、道路等等。建设，运行和停运需要估算能量和材料输入，例如水、过程所需的气体、运进材料和倒掉废物。这个设备被认为有40年的使用寿命。

在该模型的基本条件下，植物的投资回收周期为8.1年，能源的投资回报率为1.7。在40年的生命周期中，工厂所产生的能量为500千万亿焦耳。格林布拉特指出，“一千万亿焦耳可以满足5万辆氢燃料电池汽车一年所需的能量。”

桑斯说，“研究结果表明,光电化学制氢技术有很大的潜力来满足巨大的能源需求，有很多变量因素会影响能量的产出，而研发领域需要关注这些变量。”

影响能量产出最重要的因素是太阳能制氢（STH）的效率，效率越高，能源回报率也就越高（假设转换效率是10%）。光电化学池的寿命以及制造光电化学池所消耗的能量也是影响能量产出的重要因素。该报告阐述了未来的研究方向，未来将会制造出更有效的光电化学池（PEC）。

研究人员预测，如果光电化学池（PEC）的效率是太阳能制氢（STH）效率的20%（他们认为是最可能的），并且寿命能延长到20年，工厂的能源回收期就可以缩短到三年，投资回报率就可以超过3，几乎是模型条件下的两倍。

研究人员还认识到，光电化学池的效率和寿命都需要提高，但是目前的科研水平还不能达到这个要求，还需要大量的时间去研究。此外，还发现，在系统平衡的条件下，于光化学电池的能量“投入”是小于其能量“支出”的，所以用更少的能量制造光电化学池是可行有效的。

格林布拉特补充说：“我们的研究方向是正确的，因为分析表明，掌握光电化学池技术的工厂将成为“正能量”（以较少的能量投入获得较大的能量产出），但是未来应该注重净能量平衡的变量——投入产出效率、寿命、初始能源投资的研究，满足系统级别的目标进而实现积极的能源效益。