Pesquisadores australianos estabeleceram novo recorde de eficiência na busca por hidrogênio solar de baixo custo

Uma equipe de pesquisadores australianos estabeleceu um novo recorde mundial de eficiência para a produção direta de hidrogênio renovável a partir da energia solar usando materiais de baixo custo, combinando inovações cultivadas na Austrália em células solares de próxima geração e eletrólise.
O marco foi alcançado por pesquisadores da Australian National University e da University of New South Wales, e está sendo saudado como um grande passo para reduzir o custo da produção de hidrogênio renovável.
A pesquisa foi publicada na revista Advanced Energy Materials e detalha como os pesquisadores usaram inovações de ponta em células solares ‘tandem’ de próxima geração, combinadas com avanços nas técnicas de eletrólise para alcançar uma eficiência de conversão solar em hidrogênio superior a 20 por cent.
Os pesquisadores usaram células solares ‘tandem’ de silício-perovskita de baixo custo otimizadas para a produção de hidrogênio, que combinaram dois tipos de células solares em camadas uma sobre a outra para atingir uma eficiência combinada de 24,3 por cento – uma eficiência maior do que a maioria do silício convencional células solares. A equipe então combinou as células solares em tandem de alta eficiência com materiais catalisadores de baixo custo para dividir a água em hidrogênio e oxigênio por meio da eletrólise.
Utilizando materiais de baixo custo para produzir o dispositivo solar direto para hidrogênio, os pesquisadores conseguiram alcançar uma eficiência de conversão de mais de 20 por cento.
Os pesquisadores disseram que conseguiram atingir uma meta de eficiência de conversão definida pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos como parte dos esforços para reduzir o custo de produção de hidrogênio renovável.
A equipe também está confiante de que novas pesquisas poderão, em última instância, superar a meta do governo de Morrison de produzir hidrogênio a um custo inferior a US $ 2 por quilo. “Os sistemas de separação solar direta de água de alta eficiência feitos de absorvedores de luz e catalisadores de baixo custo são um caminho promissor para permitir a comercialização de tecnologias de hidrogênio solar”, diz o artigo de pesquisa.
“Demonstramos um sistema de divisão solar direta de água com eficiência de 20% [solar para hidrogênio], acoplando eletrodos de catalisador abundantes em terra com células tandem de perovskita-Si de alto desempenho, cumprindo a meta de eficiência [solar para hidrogênio] definida pelo DOE para o ano de 2020. ” Embora o custo atual de produção de hidrogênio o torne não competitivo para uma variedade de usos, particularmente aqueles relacionados ao uso no sistema de energia – a queda rápida dos custos pode fazer com que o hidrogênio se torne uma alternativa acessível para muitas fontes derivadas de combustíveis fósseis, incluindo combustíveis para transporte e energia usada como uma fonte de calor industrial.
O co-autor da pesquisa, Dr. Siva Karuturi, da Australian National University, disse ao RenewEconomy que combinando células solares com eletrolisadores de hidrogênio em uma única unidade, melhorias na eficiência de produção e reduções de custo poderiam ser alcançadas muito além das técnicas atuais de produção de hidrogênio renovável.
“Em um eletrolisador centralizado que geralmente funciona com eletricidade da rede, a membrana e os eletrodos são empilhados em vários números – muitas vezes centenas deles – para atingir a capacidade de produção desejada, o que resulta em um sistema complexo”, disse o Dr. Karuturi.
“Na eletrólise PV direta, conforme demonstrado em nosso trabalho, uma única unidade de eletrodos e membrana pode ser integrada diretamente com células PV em um módulo de hidrogênio solar simplificado. Essa abordagem elimina a necessidade de infraestrutura de energia e eletrolisadores e, portanto, pode resultar em maior eficiência de conversão de energia e baixo custo”.
A equipe já está esperançosa de aumentar essa eficiência para 25 por cento, fazendo melhorias no projeto e aproveitando mais avanços nos projetos de células solares em tandem – e estima que isso poderia reduzir o custo da produção de hidrogênio renovável para US $ 2,30 por quilograma.
“O desafio está em encontrar uma combinação ideal de PV e catalisadores que permita alta eficiência de conversão solar em hidrogênio”, disse o Dr. Karuturi.
“A energia gerada pelas células fotovoltaicas deve corresponder à necessária para os eletrodos catalisadores.
Além disso, precisamos fazer isso usando materiais que não são caros para escalar.
Nosso trabalho empregou células fotovoltaicas em tandem de perovskita / Si e catalisadores à base de Ni que satisfazem muito bem esses critérios”. A equipe de pesquisa disse que os fortes resultados mostram o potencial para combinar inovações em tecnologias de produção de hidrogênio e solar para produzir hidrogênio renovável de baixo custo, e espera que isso possa desempenhar um papel significativo na descarbonização do sistema de energia mais amplo.
“O hidrogênio tem um papel crítico a desempenhar em nosso esforço para fazer a transição para emissões líquidas zero até 2050. Se tivermos que atender à demanda esperada de hidrogênio verde nos próximos anos e a um custo competitivo, precisamos de abordagens disruptivas. A produção direta de hidrogênio solar tem um grande potencial ”, disse o Dr. Karuturi.“Nosso trabalho futuro se concentra na ampliação e na melhoria do desempenho e robustez do sistema.” A pesquisa foi apoiada por fundos fornecidos pelo Australian Research Council e pela Australian Renewable Energy Agency.