Direct solar photocatalysis as an alternative hydrogen production method - current status and feasibility

Considering the daily increase in the energy consumption all over the world as well as the global warming, utilizing renewable energies is of importance. Generally renewable energy sources have a fluctuating nature which highlights the necessity of the energy storage units. Therefore, it will be possible to meet the demand by renewable energy even in the absence of the renewable source. Hydrogen is one of the clean fuels that can be produced via different fossil fuel based or renewable based mechanisms. In this study, a review of current hydrogen production methods is provided with focus on photocatalytic method which directly uses solar energy to dissociate the water molecules. Moreover, a model for solar water splitting unit consisting of a 1 [MWp] capacity monocrystalline silicon photovoltaic, a proton exchange membrane electrolysis, and hydrogen storage tanks is developed for Oulu, Finland, and Milan, Italy. Two scenarios are considered; one where the modeled system only can sell electricity to the grid (S1), and the other one that the system can also purchase electricity from the grid (S2). It is found that the levelised cost of hydrogen for $S1$ is lower in Milan, but for S2 it is lower in Oulu for the electrolyser with capacity larger than 200 [kWel]. In addition, the solar-to-hydrogen (STH) conversion efficiency of the proposed system is better in Oulu for the electrolyser with capacity lower than 400 [kWel].

Se consideriamo l’aumento quotidiano del consumo di energia in tutto il mondo e quindi il riscaldamento globale, diventa evidente l’importanza dell’utilizzo delle energie rinnovabili. Le fonti di energia rinnovabile sono generalmente di natura intermittente, originando la necessità del loro immagazzinamento. Quest’ultimo redenderebbe possibile una corrispondenza tra la domanda e l’offerta di energia rinnovabile, persino quando la fonte dell’energia rinnovabile in questione è assente. L’idrogeno rappresenta uno dei combustibili puliti e può essere prodotto a partire da combustibili fossili o da meccanismi basati su energie rinnovabili. In questo studio presentiamo una revisione dei metodi di produzione di idrogeno più attuali, specialmente focalizzandoci sul metodo fotocatalitico, che utilizza direttamente l’energia solare per dissociare molecole d’acqua. Inoltre, è stata sviluppata ad Oulu, in Finlandia, ed a Milano un’unità per la fotolisi dell’acqua che prevede l’utilizzo di luce solare. L’unità consiste di una cella fotovoltaica basata in un monocristallo di silicio con una capacità di 1 [MWp], di una membrana elettrolitica a scambio protonico e di un sistema di immagazzinamento dell’idrogeno. Due scenari possono essere considerati. Nello scenario S1 l’elettricità è inviata all’unità elettrica, mentre nello scenario S2 può anche essere ricevuta dall’unità. Abbiamo analizzato che il costo medio dell’idrogeno in S1 è inferiore a Milano, ma nel caso di S2 è più basso ad Oulu quando si utilizza una cella elettrolitica con una capacità maggiore di 200 [kWel]. L’efficienza di conversione della radiazione in idrogeno è maggiore ad Oulu, quando si utilizza una cella elettrolitica con capacità minore di 400 [kWel].