حد ترمودینامیکی ۱.۲۳ ولت که بازدهی الکترولیز آب را تعیین می‌کند

واقعیت فیزیکی تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن، تابع یک مرز دقیق ترمودینامیکی است که مدت‌ها پیش از گذار کنونی به انرژی‌های سبز تثبیت شده است. در دما (۲۵ درجه سانتی‌گراد) و فشار استاندارد (۱ اتمسفر)، حداقل پتانسیل الکتریکی مطلق برای شکستن پیوندهای مولکولی آب مایع، دقیقاً ۱.۲۳ ولت به ازای هر سلول است. این رقم که از انرژی آزاد تشکیل گیبس به دست آمده، کف تئوریک الکترولیز آب را نشان می‌دهد. در ولتاژهای کمتر از ۱.۲۳ ولت، فارغ از نوع کاتالیزور یا مدت زمان اعمال جریان، واکنش به هیچ وجه انجام نخواهد شد.[5]

با این حال، آستانه ۱.۲۳ ولت تنها کار الکتریکی لازم برای پیشبرد جداسازی شیمیایی را در بر می‌گیرد. این واکنش گرماگیر است، به این معنا که با پیشرفت خود، گرما جذب می‌کند. اگر یک الکترولایزر دقیقاً با ولتاژ ۱.۲۳ ولت کار کند، برای تداوم واکنش باید انرژی حرارتی را از محیط اطراف خود دریافت کند که این امر موجب سرد شدن سلول می‌شود. برای عملکرد در حالت خنثی از نظر حرارتی (ترمونچرال) - جایی که ورودی الکتریکی هم کار لازم و هم گرمای مورد نیاز را تأمین می‌کند - ولتاژ باید تا ۱.۴۸ ولت افزایش یابد.[2][6]

انجمن سلطنتی شیمی در بررسی جامع فناوری‌های الکترولیز در سال ۲۰۲۲ خاطرنشان می‌کند: «پتانسیل برگشت‌پذیر ۱.۲۳ ولت یک ایده‌آل ترمودینامیکی است، اما ولتاژ ترمونچرال ۱.۴۸ ولت، حداقلِ عملی برای سیستمی است که بدون منبع گرمای خارجی کار می‌کند.» این مرز ۱.۴۸ ولتی، معیاری است که بازدهی تمام الکترولایزرهای تجاری در دمای محیط با آن سنجیده می‌شود.[6]

در عمل و در مقیاس صنعتی، هیچ الکترولایزر تجاری‌ای با ولتاژ ۱.۴۸ ولت کار نمی‌کند. سیستم‌های مدرن آلکالاین و غشای تبادل پروتون (PEM) برای دستیابی به نرخ‌های مطلوب تولید هیدروژن، معمولاً به ولتاژی بین ۱.۸ تا ۲.۰ ولت به ازای هر سلول نیاز دارند. شکاف بین حداقل تئوریک و ولتاژ عملیاتی واقعی به عنوان «فراپتانسیل» شناخته می‌شود. این ولتاژ مازاد به شکل گرمای اتلافی ظاهر شده و نشان‌دهنده افت مستقیم بازدهی الکتریکی است.[6]

مقصر اصلی این افت بازدهی، واکنش تصاعد اکسیژن (OER) است که در آند رخ می‌دهد. در حالی که هیدروژن نسبتاً به آسانی در کاتد تولید می‌شود، OER یک فرآیند پیچیده است که به انتقال چهار الکترون و تشکیل یک پیوند دوگانه اکسیژن-اکسیژن نیاز دارد. پژوهشگران در تحلیلی که در سال ۲۰۲۴ در نشریه The Innovation منتشر شد، توضیح دادند: «سینتیک کُند واکنش تصاعد اکسیژن، بازدهی کلی فرآیند تجزیه آب را تعیین می‌کند.»[2][4]

مهندسان برای غلبه بر این مقاومت جنبشی، به الکتروکاتالیزورهای پیشرفته متکی هستند. در الکترولایزرهای PEM که در محیطی به شدت اسیدی کار می‌کنند، کاتالیزور آند تقریباً به طور انحصاری ایریدیوم است؛ یکی از کمیاب‌ترین و گران‌ترین عناصر روی زمین. حتی با استفاده از پیشرفته‌ترین کاتالیزورهای اکسید ایریدیوم، فراپتانسیل OER معمولاً ۰.۳ تا ۰.۴ ولت به نیاز سلول اضافه می‌کند و ولتاژ عملیاتی کل را به مراتب بالاتر از حد ترمونچرال می‌برد.[4][6]

الکترولایزرهای آلکالاین که قدیمی‌ترین و پرکاربردترین فناوری تجاری محسوب می‌شوند، با کار در محلول بازی هیدروکسید پتاسیم، نیاز به فلزات گران‌بها را برطرف می‌کنند. آن‌ها از کاتالیزورهای مبتنی بر نیکل یا آهن بهره می‌برند. با این حال، این سیستم‌ها نیز با محدودیت‌های جنبشی خاص خود و مقاومت اهمی ناشی از الکترولیت مایع مواجه‌اند که در چگالی جریان استاندارد، به ولتاژهای عملیاتی مشابهی در حدود ۱.۸ تا ۱.۹ ولت منجر می‌شود.[5][6]

زمانی که دما به عنوان یک متغیر وارد معادله می‌شود، محاسبات ترمودینامیکی به طور قابل‌توجهی تغییر می‌کنند. با افزایش دمای عملیاتی الکترولایزر، انرژی الکتریکی مورد نیاز برای تجزیه آب کاهش یافته، در حالی که نیاز به انرژی حرارتی افزایش می‌یابد. این اصل، پایه و اساس توسعه سلول‌های الکترولیز اکسید جامد (SOEC) است که در دماهای بین ۷۰۰ تا ۸۵۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند.[3]

بر اساس داده‌های ترمودینامیکی گردآوری‌شده توسط آزمایشگاه ملی آیداهو، در دمای ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد، ولتاژ برگشت‌پذیر لازم برای تجزیه بخار از ۱.۲۳ ولت به حدود ۰.۹۵ ولت کاهش می‌یابد. با استفاده از گرمای اتلافی صنعتی یا راکتورهای هسته‌ای پیشرفته برای تأمین بخار با دمای بالا، سیستم‌های SOEC می‌توانند به بازدهی الکتریکی نزدیک به ۱۰۰ درصد نسبت به ارزش حرارتی پایین هیدروژن دست یابند و از تنگناهای جنبشی که سیستم‌های دما پایین را مختل می‌کنند، عبور کنند.[3]

علی‌رغم چشم‌انداز روشن سیستم‌های دما بالا، آینده نزدیک هیدروژن سبز در گرو بهینه‌سازی فناوری‌های PEM و آلکالاین در دمای محیط است. طرح ابتکاری Hydrogen Energy Earthshot متعلق به وزارت انرژی ایالات متحده، هزینه تولید ۱ دلار به ازای هر کیلوگرم هیدروژن پاک را هدف‌گذاری کرده است. دستیابی به این هدف مستلزم کاهش ولتاژ عملیاتی سلول‌های تجاری به سمت ۱.۶ ولت و به حداقل رساندن برق هدررفته به شکل گرما است.

پیشرفت‌های اخیر در فوتوکاتالیزورهای نیمه‌هادی نانوساختار و پیکربندی‌های دینامیک راکتور، مسیرهایی را برای کاهش تدریجی فراپتانسیل OER ارائه می‌دهند. یک مرور سیستماتیک در سال ۲۰۲۴ در نشریه Nanomaterials تأکید کرد که بهینه‌سازی مساحت سطح و ساختار الکترونیکی کاتالیزورهای فلزات واسطه، می‌تواند میلی‌ولت‌های حیاتی را از نیاز عملیاتی بکاهد؛ امری که در مقیاس گیگاوات، به معنای صرفه‌جویی مگاوات‌ها توان الکتریکی است.[4]

محدودیت‌های ۱.۲۳ ولت و ۱.۴۸ ولت، قوانین تغییرناپذیر فیزیک هستند که مرزهای اقتصاد هیدروژن را تعریف می‌کنند. در حالی که مهندسی می‌تواند شکاف فراپتانسیل را به حداقل برساند، انرژی مطلق مورد نیاز برای شکستن مولکول آب ثابت باقی می‌ماند. موفقیت تلاش‌های جهانی برای کربن‌زدایی، نه به شکستن این قوانین ترمودینامیکی، بلکه به این بستگی دارد که الکترولایزرهای تجاری تا چه حد می‌توانند برای نزدیک شدن به این مرزها مهندسی شوند.[2][6]