PV-EC em escala e diretamente integrado significa grande notícia para o hidrogênio verde

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PV-EC em escala e diretamente integrado significa grande notícia
para o hidrogênio verde
Dispositivos fotovoltaicos-eletroquímicos diretamente integrados poderiam fornecer um caminho viável para uma
economia de hidrogênio verde.
Crédito da imagem: Pawel Czerwinski Unsplash
No mundo real da economia do hidrogênio, o custo nivelado de qualquer forma de hidrogênio verde deve ser
competitivo com a reforma do metano a vapor em US $ 25 / kg. Essa métrica acaba sendo dependente do tamanho
do sistema, dos custos de capital e da eficiência do eletrolisador, bem como da localização da instalação, que para o
hidrogênio mais verde do futuro é melhor em regiões de alta irradiância solar.
Escalar as coisas e sempre que penso em ideias-a-inovação e laboratório-para-mercado na busca urgente de
transformar nossa infraestrutura de energia fóssil para uma infraestrutura de energia fóssil sustentável, não posso
deixar de pensar em uma citação de Philip Ball, um ex-editor da Nature, que disse que “um avanço é uma
descoberta grávida de promessas e, em seguida, o enxerto duro começa”.
Vivendo com o estresse existencial do aquecimento global e suas consequências desastrosas previstas, uma das
tarefas mais difíceis para cientistas e engenheiros empenhados em desenvolver sistemas de geração, conversão,
armazenamento e utilização eficientes em termos energéticos e econômicos é escalar protótipos de laboratório para
proporções tecnologicamente significativas e níveis de prontidão.
Este é o “enxerto duro” e em nenhum lugar isso é mais aparente do que no campo do hidrogênio solar. Sabemos há
muito tempo que a eletrólise da água pode ser conduzida com eletricidade fóssil e hoje pode ser feita usando
eletricidade renovável. Ultimamente, aprendemos que a eletrólise da água pode ser alimentada inteiramente pela luz
solar, integrando a energia fotovoltaica com as células eletroquímicas, eliminando a dependência da rede elétrica.
Neste sentido, acho que muitos químicos, cientistas e engenheiros de materiais ficaram impressionados e
entusiasmados com o relatório de Dan Nocera na de um inovador eletrolisador de água sem fio para a produção de
hidrogênio solar a uma eficiência de 2,5% sob 1 irradiação de sol às AM1.5. O eletrolyser é composto por uma célula
https://www.science.org/doi/10.1126/science.1209816?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200pubmed
https://www.science.org/doi/10.1126/science.1209816?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200pubmed
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solar de junção tripla de silício amorfo e acoplada eletricamente acoplada a um eletrodo de evolução de oxigênio e
hidrogênio. O projeto e a construção feitos inteiramente de elementos abundantes na Terra eram elegantes em sua
simplicidade, mas poderosos no potencial tecnológico que previa, pois evitavam a necessidade de uma célula solar
externa para alimentar a eletrólise da água, liberando-se da dependência da eletricidade da rede, que nos primeiros
dias da transição energética, pode não ser totalmente verde.
Em retrospectiva, esse salto criativo acaba sendo o passo fácil em sua implementação em escala. Transformar o
divisor de águas sem fio de demonstração de laboratório em um protótipo tecnologicamente significativo requer a
escala de uma arquitetura multicomponente, multi-element, diretamente acoplada fotovoltaico-eletroquímica (PV-
EC), que deve satisfazer muitos critérios rigorosos, incluindo a otimização da integração térmica e elétrica do solar
com a célula eletroquímica para a produção de hidrogênio sob condições alcalinas ou ácidas.
Tal dispositivo foi recentemente relatado pelo Centro de Pesquisa Juelich, na Alemanha, como parte de um
consórcio europeu composto por uma mistura multidisciplinar de três instituições públicas de pesquisa - uma
universidade e dois fabricantes de módulos fotovoltaicos comerciais (PV).
Ilustração esquemática do protótipo do dispositivo fotovoltaico-eletroquímico (PV-EC) altamente integrado e escaláv
Um esquema da arquitetura e interconexão dos componentes montados de um tipo de protótipo de dispositivo PV-
EC altamente integrado que foi dimensionado com sucesso para um sistema de geração de hidrogênio eletroquímico
de 64 cm 2 com energia solar tecnologicamente significativo é mostrado abaixo. Neste dispositivo, os módulos
fotovoltaicos de filme fino de junção tripla a-Si:H/a-Si:H-Si:H foram acoplados diretamente a uma membrana de troca
de íons de uma célula de eletrólise de água alcalina. O projeto PV-EC diretamente acoplado contorna a
complexidade elétrica e térmica, as perdas de custo e eficiência do eletrolisador sendo acoplado externamente aos
módulos fotovoltaicos.
a) Vista aérea do demonstrador final com uma área de recolha de PV superior a 10 m2 no Centro de
Investigação Juelich, Alemanha. b) Fotografia de uma empilhadeira de membrana de troca de prótons
montada diretamente na parte de trás de um dos módulos fotovoltaicos.
Outro demonstrador de projeto em escala tecnologicamente significativa com área de coleta de energia fotovoltaica
superior a 10 m 2 foi instalado no Centro de Pesquisa Juelich, na Alemanha. A matriz de 10 m2 PV consistiu em oito
módulos CIGS PV e três módulos de heterojunção de a-Si/Si-Si foram conectados diretamente às pilhas de eletrólise
da membrana de troca de prótons. Sob 1 irradiância solar, este dispositivo demonstrou uma eficiência solar-
hidrogênio superior a 10% com base na produção de hidrogênio quantificado com medidores de vazão de massa. Ao
longo das condições de teste de estabilidade a longo prazo, a degradação da eficiência do dispositivo foi inferior a
10% ao longo de 9 meses e foi coletada 22 kg de hidrogênio, uma meta de desempenho além das expectativas do
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adsu.202000070
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adsu.202000070
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/solr.202100479
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projeto dos parceiros do consórcio. Essas métricas de desempenho são um bom presságio para o desenvolvimento
futuro de uma tecnologia sem fio PV-EC H2.
Tenho certeza de que a competição na comunidade de divisão de água é verde de inveja!
Roteiro: Geoffrey Ozin e Minoh Lee
Solar Fuels Group, Universidade de Toronto, Ontário, Canadá, E-mail: g.ozin-utoronto.ca ; Sites da Web:
www.nanowizard.info, www.solarfuels.utor o nto.ca, www.artnanoinnovations.com
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