La respuesta de Christopher VanLang es una gran descripción de los aspectos científicos de la fotocatálisis. Quería agregar una perspectiva de la división del agua electrolítica combinada con la solar también porque es otra área de intensa investigación. También hay muchos desafíos de ingeniería para abordar.
1. Los buenos catalizadores son caros.
De hecho, podemos fabricar catalizadores bastante decentes con estabilidad a largo plazo en entornos ácidos para las medias reacciones de oxígeno e hidrógeno. Todo lo que debe hacer es pegar un par de metales en el agua, aplicar un voltaje pequeño y generar hidrógeno y oxígeno. Incluso puede comprar su propio divisor de agua para experimentos en el hogar que pueden ser alimentados por un panel solar barato (lo usamos para demostraciones en el Cambridge Science Festival). Esto es esencialmente lo que hacen las plantas: tienen una parte que convierte la luz solar en energía eléctrica, luego la transporta a otra parte que usa esa energía para dividir el agua.
Pero estos catalizadores comerciales son metales preciosos como el platino y los óxidos de rutenio / iridio, todos los cuales son ridículamente caros y de baja abundancia, lo que los hace difíciles de escalar. La asignación de platino con otros elementos para reducir costos es un objetivo importante para que el DOE realice las celdas de combustible y los divisores de agua.
2. Catalizadores más baratos conducen a otros problemas.
Los buenos a menudo tienen poca estabilidad a largo plazo. Los catalizadores más baratos también requieren pasar de soluciones ácidas a soluciones básicas (también conocidas como alcalinas). Los entornos ácidos son agradables porque los protones son los portadores de carga en la solución, que pueden transportarse fácilmente a través de las membranas de polímero porque son pequeños. Las soluciones alcalinas utilizan OH- como portadores de carga, que son mucho más grandes y, por lo tanto, más difíciles de transportar a través de las membranas. La membrana es esencial para separar los productos de oxígeno e hidrógeno y se convierte en la mayor fuente de pérdidas en los sistemas alcalinos.
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3. Necesitamos mucho hidrógeno.
Si desea llevarlo a escalas industriales para reemplazar la generación de hidrógeno en las instalaciones de producción de amoníaco o en las refinerías de petróleo, debe generar toneladas de hidrógeno. Literalmente toneladas. Como en 300 toneladas por día en cualquier planta moderna de producción de amoníaco. Estas plantas utilizan la reforma de vapor, que es muy barata (<$ 1 / kg H2), coproduce de 10 a 100 MW de electricidad y opera con una eficiencia de alrededor del 65%. Las plantas químicas modernas también son capaces de secuestrar carbono con una eficiencia de alrededor del 95%, por lo que dejan una huella de carbono mucho menor.
Compare esto con los divisores de agua, que actualmente cuestan como máximo $ 5 / kg H2 y en el peor de $ 25 / kg H2, requieren aproximadamente 1 GWh / día de energía para funcionar y tienen eficiencias similares en los dispositivos.
4. Los divisores solares de agua son intensivos en capital.
Por cada átomo de H2 que crees, debes consumir 2 electrones. Entonces, si crea 300 toneladas de H2 por día (una tonelada métrica es de 1000 kg), esto es aproximadamente con 3400 mol de electrones por segundo, o 10 ^ 8 A. Esta es una gran corriente: la mayoría de los electrolizadores funcionan a 100 mA / cm ^ 2 por lo que requeriría una enorme cantidad de área de operación para alcanzar esas corrientes. Estos podrían tener algún tipo de configuración apilada, pero lo más importante es que conlleva un gran costo de capital.
Además, con los catalizadores como están ahora, se requieren unos pocos GWh / día de energía eléctrica mínima . La gran cantidad de energía eléctrica necesaria es un gran contribuyente al costo, incluso cuando proviene de la red a tasas industriales (alrededor de $ 3.00 / kg H2). Prácticamente, si desea que eso provenga de la energía solar, en las partes más soleadas de los EE. UU., Esto significa que necesitaría alrededor de 1,000,000 m ^ 2 de paneles solares, que es aproximadamente del tamaño del Pentágono. Las granjas solares son típicamente de 10 a 100 veces más pequeñas.
Los catalizadores más eficientes (mucho mejores que incluso los mejores catalizadores actuales) podrían reducir esto en un orden de magnitud, por lo que solo requeriría aproximadamente el área base de la Gran Pirámide de Giza, que es aproximadamente la de una granja solar estándar. Sin embargo, tenga en cuenta que esto necesitaría una granja solar para cada instalación de producción de amoníaco, refinería de petróleo o cualquier otra planta de producción de hidrógeno a gran escala.
5. Los fotocatalizadores son duros. Realmente difícil.
Esto se remonta a la respuesta de Christopher VanLang. Catalizar la división del agua tiene algunos buenos candidatos si simplemente desea suministrar una corriente eléctrica. Pero si desea integrar eso con la energía fotovoltaica en un solo dispositivo (usando fotoanodes y fotocátodos) para minimizar las pérdidas y mitigar los costos de capital, se encuentra con un problema de diseño de materiales increíblemente desafiante.
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Entonces sí, la división del agua es difícil. Es ciencia dura. Es una ingeniería difícil. Y la energía es un mercado realmente difícil.
Nota: Todo lo anterior son cálculos al final del sobre. Avíseme si detecta algo que se siente muy lejos: las sugerencias de edición siempre son bienvenidas.
Corrección: Originalmente tenía el precio de la electricidad estimado en alrededor de $ 0,40 / kg debido a un error aritmético tonto. Más exactamente, el costo es de alrededor de $ 3.00 / kg con eficiencias relativamente buenas (lo que tiene mucho más sentido dado el uso de electricidad), y esto se ha corregido en el texto. Es la mayor parte del costo en la generación a gran escala y no trivial para la generación distribuida pequeña. Puede leer más aquí: Página en nrel.gov
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