光催化水分解与光伏-电解系统在太阳能制氢方面的技术经济及土地利用比较评估

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Comparative techno-economic and land-use assessment of photocatalytic water splitting and PV–electrolysis systems for solar hydrogen production

　　摘要：光催化水分解技术和光伏电解技术是两种结构不同的太阳能制氢低碳路径；然而，在实际应用条件下的经济性和空间效率表现仍不够明确。本研究构建了一个统一的技术经济与土地使用评估框架，以每天1吨的产氢目标为基准比较这两种技术。该框架采用一致的系统边界、七个国家的多年气象数据以及各国特定的经济参数，共同评估氢气的平准化成本、土地需求以及单位面积产氢量。研究结果表明，在大多数国家，光伏电解技术的平准化成本更低；而在美国（7.02美元/千克对比7.12美元/千克）和日本（11.46美元/千克对比11.76美元/千克），光催化水分解技术的平准化成本更低，中国的两者成本则接近。在所有国家中，光催化水分解技术的单位面积产氢量始终高于光伏电解技术，在有利条件下甚至可高出2.94倍，同时其所需的土地面积也相应更小（在基准土地使用率下约为光伏电解技术的30%–50%）。通过情景分析和敏感性分析，研究发现约15%的太阳能转氢效率以及5年的催化剂使用寿命是光催化水分解技术具备竞争力的关键指标，且在高辐照度地区，成本主要取决于催化剂寿命，而在低辐照度地区则与聚光装置的成本相关。所提出的热脆弱性指数表明，仅依据直射太阳辐射强度选择选址可能会高估光催化水分解技术的可行性，因为环境温度和风速也会对经济性产生重大影响。这些研究结果明确了光催化水分解技术可在何种部署条件下补充或替代光伏电解技术，并为高效利用土地的太阳能制氢提供了实用的技术目标。

引言：在各种低排放制氢技术中，太阳能驱动的制氢系统因能够直接生产可再生燃料而越来越受到关注[1][2]。这类系统主要分为两种架构：光伏电解技术，即利用太阳能发电驱动水电解器；以及光催化水分解技术，即利用阳光直接激发半导体光催化剂来驱动反应，无需外部电路[3][4]。尽管这两种技术在架构上存在差异——光伏电解技术依赖外部电路，而光催化水分解技术将光吸收与催化功能集成在单个颗粒中——但本质上都依赖于在大面积上收集弱太阳辐射[5][6]。这种共性意味着这两种系统都面临着一个根本性的部署限制，即太阳光的单位面积能量密度较低；要实现大规模制氢，就需要较大的光收集面积和设施占地面积，因此土地使用成为部署规模上的重要性能因素[7][8]。Tonelli等人[9]的研究表明，在5%的适宜土地覆盖率假设下，2050年全球预计的制氢需求中有一半以上无法在国内满足，否则会导致54多个国家出现土地或水资源短缺问题；Hisatomi等人[10]则指出，要实现1吉瓦级的太阳能制氢产能，需要数十平方公里的光收集面积。因此，土地使用必须被视为核心变量，而非次要指标，应与单位面积产氢量和系统成本一起作为决定大规模技术选型的关键因素。在这两种技术中，光伏电解技术目前更为成熟，也更适合实际应用，但随着对土地使用问题的深入研究，其空间限制也逐渐显现[11][12]。通过将成熟的商业光伏模块与日益普及的水电解器相结合，光伏电解技术是目前实现大规模太阳能制氢最可行的短期方案[13][14]。不过，这种技术成熟度也意味着其需要较大的土地面积，因为光伏电解系统需要足够的场地来生成太阳能电力。美国国家可再生能源实验室估计，一个每天生产10万公斤氢气的工厂，如果完全依靠现场光伏发电，则需要大约800兆瓦的电力容量以及超过4000英亩（16.2平方公里）的土地[15]。在土地资源紧张的地区，这一土地需求尤为重要。光催化水分解技术则提供了一种截然不同的系统架构，有望提升大规模部署时的土地使用效率[16]。由于水分解反应发生在单个半导体颗粒内部，无需外部电路，因此光催化水分解系统可以减少与光伏电解系统相关的电力调节组件，且可通过可溶液处理的催化剂片材或面板式结构在大面积上部署[10][17]。这种结构简单的特点有助于实现高度的模块化扩展，也可能降低系统的整体成本；不过，气体处理与分离仍是需要解决的重要问题[18]。在土地资源有限的环境中，较高的单位面积产氢量是确保技术经济可行性的关键优势[9]。早期关于光催化水分解的研究主要集中在催化剂材料的开发上，旨在提高其量子产率、对可见光的响应能力以及稳定性；但随着实验室中的转换效率逐渐接近工业应用水平，研究重点逐渐转向系统层面的可行性分析[10]。Zhou等人[19]在纯水环境下，利用聚光太阳能照射，实现了9.2%的太阳能转氢效率，大大提升了光催化水分解技术在材料层面的性能水平。然而，要将这些材料层面的成果转化为可行的大规模应用系统仍然面临挑战，因为催化剂在长期户外环境中的耐用性以及反应器规模扩大到实际可用尺寸的问题，仍是制约其推广的关键障碍[20]。此前关于太阳能制氢的研究主要围绕两个方向展开。在工程可行性方面，早期的技术经济评估主要聚焦于光电化学系统，这类系统基于半导体电极，虽与光催化水分解技术具有相同的直接太阳能转氢原理，但保留了电化学界面，为后续针对光催化水分解技术的研究奠定了方法基础。James等人[21]建立了早期的工厂级技术经济评估框架，用于评估概念性的光电化学制氢系统，涵盖了反应器设计、气体处理以及辅助设备成本等内容。Pinaud等人[22]随后对四种假设的大规模光催化水分解和光电化学制氢系统进行了技术和经济可行性分析，考虑了反应器成本及系统其他相关成本。Nishiyama等人[18]报告称，一个100平方米的光催化水分解面板反应器阵列已成功运行数月，这是该技术首次获得大规模实验验证。不过，这些工程研究要么在固定的场地条件下评估单一系统类型，要么在未考虑多国气象差异和统一系统边界的条件下比较不同技术。在部署分析方面，有研究通过地理空间与气象数据分析中国境内的光催化水分解制氢潜力，结合了不同地区的太阳能和天气数据来评估各地区的产氢能力[23]。Maurya等人[24]通过自下而上的技术经济评估框架，量化了光催化水分解技术的氢气平准化成本及成本构成。虽然对光电化学系统和光伏电解系统的比较分析为太阳能制氢评估提供了有用的方法和经济参考，但这些研究通常都是在固定的效率假设和系统配置前提下进行的[25][26]。尽管基于光电化学技术的分析为直接太阳能转氢系统提供了重要的方法参考，但很少有研究在统一的部署条件下，直接比较光催化水分解技术和光伏电解技术之间的技术经济及空间效率差异。以往的太阳能制氢部署研究要么单独评估某一种技术路径，要么依赖固定的代表性条件，因此存在两个关键缺陷未能得到解决：首先，现有的光催化水分解与光伏电解技术比较研究，并未在统一的系统边界下同时评估土地使用、单位面积产氢量以及平准化成本；其次，尽管这两种技术的优劣在很大程度上取决于太阳能资源、温度和土地可用性，但这些指标受不同部署环境的影响程度至今仍未得到充分研究。为弥补这些不足，本研究构建了一个统一的技术经济与土地使用评估框架，以每天1吨的产氢目标为基准，比较光催化水分解技术和光伏电解技术。该框架利用来自七个国家的多年气象数据，这些国家在太阳能资源、温度和土地成本等方面存在显著差异，从而在统一的系统边界下量化了两种技术的平准化成本、土地需求以及单位面积产氢量。此外，研究还分析了系统的性能与耐久性、成本敏感性，以及除太阳辐射之外的气象因素，尤其是环境温度和风速的影响。通过评估不同部署场景下的经济性能、空间效率及气候敏感性，本研究明确了光催化水分解技术可在何种条件下作为光伏电解技术的补充或替代方案，从而成为实用的太阳能制氢技术。本研究的主要贡献如下：•构建了一个统一的技术经济与土地使用评估框架，使得在相同的产氢目标和统一系统边界下，可以直接比较光催化水分解技术和光伏电解技术。•利用七个国家和地区的长期气象数据，结合各地区的具体气象和经济条件，共同量化了光催化水分解技术和光伏电解技术的成本、土地需求以及单位面积产氢量，从而确定了每种技术在不同地区具有比较优势的条件。•通过基于情景的性能与耐久性分析，确定了光催化水分解技术实现经济竞争力所需达到的阈值，以及影响系统经济性的主要成本因素。•提出了一个热脆弱性指数，用于量化环境温度和风速对光催化水分解技术产氢效率、平准化成本及系统运行能力的综合影响，研究表明，光催化水分解技术的性能和经济性在很大程度上受直射太阳辐射之外的气象条件控制。本文的其余部分结构如下：第2.1节介绍了两种技术路径的系统配置与设计依据；第2.2节阐述了光催化水分解技术和光伏电解系统的过程建模方法；第2.3节定义了用于比较的技术经济与土地使用指标；第3.1节对七个国家的平准化成本、土地需求及单位面积产氢量进行了基线比较；第3.2节分析了光催化水分解技术和光伏电解系统在时间与气候方面的变化规律；第3.3节研究了太阳能转氢效率及催化剂使用寿命对光催化水分解技术经济性的影响；第3.4节通过敏感性分析确定了主要的成本驱动因素；第3.5节量化了环境温度和风速对光催化水分解技术性能及经济脆弱性的影响；第4节总结了主要研究结论。