Vários cientistas de Laboratório Nacional de Energias Renováveis (NREL) do Departamento de Energia dos EUA e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) criaram um guia para pesquisadores que lhes permite medir de forma padronizada a eficiência da produção de hidrogênio diretamente da energia solar. Este guia é aplicável a técnicas fotoeletroquímicas de separação de água (PEC), uma alternativa à eletrólise que não requer eletricidade.
O eletrólise É o processo convencional de obtenção de hidrogênio a partir da água. A separação fotoeletroquímica da água (PEC) apareceu pela primeira vez nas revistas científicas em 1972. Desde então, a pesquisa continuou para refinar e melhorar o processo, mas até agora não foi estabelecido procedimentos padronizados para medir sua eficiência.
A técnica PEC que usa a luz solar para separá-lo em seus dois componentes, oxigênio e hidrogênio é um dos potencialmente mais sustentável para energia limpa. No entanto, as medições da eficiência dos processos de PEC usando a mesma tecnologia podem variar muito em diferentes laboratórios devido à falta de métodos padronizados.
Embora a pesquisa tenha possibilitado a certificação da eficiência das células fotovoltaicas, as medidas de eficiência do water splitting PEC ainda não possuem um protocolo amplamente aceito. O guia de melhores práticas recentemente desenvolvido e publicado em Fronteiras na Pesquisa Energética visa oferecer um sistema confiável para comparar resultados obtidos em diferentes lugares e por diferentes grupos. O guia fornece um roteiro para a comunidade PEC, que servirá de base para os pesquisadores continuarem refinando a tecnologia. Essas práticas foram verificadas por ambos os laboratórios usando o mesmo hardware de teste, fotoeletrodos PEC e procedimentos de medição.
“É realmente difícil comparar os resultados de eficiência de separação de água PEC entre laboratórios, porque as medições são feitas em condições diferentes”, explica Todd Deutsch do NREL e co-autor. do artigo “Melhores práticas PEC: como medir com segurança a eficiência de fotocátodos de energia solar para hidrogênio“. De acordo com Deutsch, “o Departamento de Energia reconheceu isso há algum tempo, então houve alguns esforços de definição de padrões nos quais estivemos envolvidos: esforços colaborativos de vários laboratórios e também esforços específicos do NREL”.
O artigo detalha o caminho para que todos os laboratórios sigam o mesmo rumo em suas práticas experimentais, a começar pelos materiais necessários para a fabricação dos fotoeletrodos. Os autores detalham o procedimento de fabricação, configuração experimental e processo para medir a eficiência da energia solar para o hidrogênio (STH). A medição direta da quantidade de hidrogênio gerada pela separação da água do PEC é necessária para a caracterização precisa da eficiência do STH.
NREL estabeleceu o primeiro recorde de eficiência STH excedendo 10% (12,4% STH) em 1998. No entanto, em 2016, ele revisou esse número para baixo em um post descrevendo “armadilhas” comuns a serem evitadas ao fazer medições de eficiência, depois de perceber que o experimento original havia sido superiluminado. Em 2017, a equipe projetou absorvedores de luz mais otimizados para usar o espectro solar, resultando em um STH mais alto de 16,2% que era um novo recorde mundial na época.
O Escritório de Tecnologias de Células de Combustível de Hidrogênio do Departamento de Energia dos Estados Unidos definiu o 25% como meta final para STH através da divisão de água PEC, embora a análise preliminar sugira que o hidrogênio com custo competitivo poderia ser obtido com eficiências mais baixas. Os fotoeletrodos demonstraram eficiências de 10% a 20%. Os pesquisadores do PEC também continuam trabalhando para melhorar a durabilidade. O semicondutor usado para capturar a luz solar é imerso em um eletrólito aquoso (à base de água). Mas com o pH do eletrólito variando de ácido a alcalino, o eletrólito corroerá o semicondutor e encurtará sua vida útil.