Фотоэлектрохимические пути к зелёному водороду: анализ, обзор и форсайт

Аннотация

Современная динамика декарбонизации выявляет структурные ограничения существующих моделей производства водорода. Технико-экономические оценки показывают, что основным фактором себестоимости зелёного водорода остаётся энергопотребление, тогда как темпы наращивания мощностей электролиза остаются недостаточными по сравнению с траекториями достижения углеродной нейтральности. Несмотря на рост установленной мощности электролизёров с около 0,1 ГВт в 2020 г. до значений 1,75 ГВт в 2023 г., значительная часть заявленных проектов не достигает стадии окончательного инвестиционного решения, а инфраструктурные ограничения сохраняются.

Фотоэлектрохимическое водоразложение представляет альтернативную конфигурацию, объединяющую светопоглощение полупроводником и электрохимическое расщепление воды в единой системе. В отличие от централизованных схем электролиза, требующих развитой логистики хранения и транспорта, PEC-архитектуры обеспечивают возможность локальной генерации водорода, снижая уязвимости цепочек поставок, отмеченные в исследованиях надёжности водородной инфраструктуры.

В работе представлен системный анализ эволюции PEC-технологий с интеграцией материаловедческих данных, библиометрических показателей и патентной динамики. Рассматривается взаимосвязь между пороговыми значениями solar-to-hydrogen эффективности, ограничениями стабильности материалов  и траекториями инновационного развития оксидных, нитридных, халькогенидных и гибридных фотоэлектродов. Предлагается прогнозная дорожная карта до 2035 года, акцентирующая внимание на стратегиях замещения благородных металлов, совместимости с промышленным производством и интеграции в распределённую водородную инфраструктуру. PEC рассматривается как долгосрочная комплементарная технология в формирующейся архитектуре водородной энергетики.