Trong thế giới thực của nền kinh tế hydro, chi phí bình đẳng bất kỳ dạng hydro xanh nào đều phải cạnh tranh với quá trình cải tạo metan bằng hơi nước, có chất xúc tác với mức giá 2,5 USD/kg.

Số liệu này phụ thuộc vào quy mô hệ thống, chi phí vốn và hiệu suất của máy điện phân, vị trí của cơ sở sản xuất, vì vậy hydro xanh nhất trong tương lai có hiệu quả cao nhất ở những vùng có bức xạ mặt trời cao. 

Quy mô sản xuất là vấn đề bất cứ khi nào nghĩ về ý tưởng đổi mới và quá trình đưa công nghệ từ phòng thí nghiệm đến thị trường trong yêu cầu khẩn cấp việc chuyển đổi cơ sở hạ tầng năng lượng hóa thạch thành một cơ sở hạ tầng năng lượng bền vững. Philip Ball, biên tập viên của Tạp chí Nature nhấn mạnh “một bước đột phá một khám phá đầy hứa hẹn là một bước đột phá và sau đó là chuỗi những khó khăn bắt đầu”.

Nhân loại đang trực tiếp đối mặt với sự nóng lên toàn cầu và những hậu quả thảm khốc được dự báo trước. Một trong những nhiệm vụ khó khăn nhất đối với các nhà khoa học và kỹ sư là phát triển các hệ thống sản xuất năng lượng bền vững, chuyển đổi, lưu trữ, sử dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm chi phí, mở rộng các nguyên mẫu sáng tạo trong phòng thí nghiệm lên những tỷ lệ đáng kể về mặt công nghệ và cấp độ sẵn sàng sản xuất công nghiệp.

Từ lâu, quá trình điện phân nước sử dụng nguồn điện hóa thạch và hiện nay có thể được thực hiện bằng nguồn điện tái tạo. Thực tế này hình thành những khó khăn đáng kể trong việc đưa nguồn nhiên liệu xanh vào trong sản xuất và cuộc sống thực tế do phụ thuộc lớn vào nguồn điện, làm gia tăng giá thành nhiên liệu và khiến nhiều vùng kém phát triển không thể có được nhiên liệu xanh thực sự.

Sự phát triển của công nghệ cho phép điện phân nước có thể được thực hiện hoàn toàn bằng năng lượng ánh sáng mặt trời, tích hợp quang điện với các tế bào điện hóa, loại bỏ sự phụ thuộc vào lưới điện. Công nghệ này cho phép triển khai sản xuất hydro trên toàn cầu, kể cả những vùng khó khăn và đói nghèo.

Rất nhiều nhà hóa học vật liệu, nhà khoa học và kỹ sư có ấn tượng rất sâu và phấn khích trước báo cáo của Dan Nocera, đăng trên tạp chí Science về một máy điện phân nước không dây sáng tạo, có thể sản xuất hydro năng lượng mặt trời với hiệu suất 2,5% dưới bức xạ 1 mặt trời ở AM1,5 (Hệ số khối lượng khí).

Máy điện phân bao gồm một pin mặt trời silicon vô định hình tiếp giáp ba lớp và kết nối với một điện cực phân tách oxy và hydro. Thiết kế và cấu trúc được làm hoàn toàn từ những vật chất dồi dào trên trái đất, có cấu hình đơn giản nhưng mạnh mẽ về tiềm năng công nghệ do loại bỏ sự cần thiết phải có pin mặt trời bên ngoài để cung cấp năng lượng điện phân nước, không phụ thuộc vào điện lưới, điều khiến cho thiết bị điện phân không hoàn toàn xanh.

Công nghệ sáng tạo mang tính nhảy vọt này khiến thiết bị phân tách nước dễ dàng được triển khai trên quy mô lớn. Để chuyển đổi thiết bị tách nước không dây, thử nghiệm trong phòng thí nghiệm thành một nguyên mẫu quan trọng trên lĩnh vực công nghệ, đòi hỏi phải mở rộng quy mô của một kiến ​​trúc quang điện-điện hóa đa thành phần phải đáp ứng các tiêu chí nghiêm ngặt, tối ưu hóa sự tích hợp nhiệt và điện mặt trời với pin điện hóa để sản xuất hydro trong điều kiện kiềm hoặc axit..

Một thiết bị tách nước quang điện – điện hóa đã được giới thiệu bởi Trung tâm Nghiên cứu Juelich ở Đức. Đây là cơ sở thành viên của tập đoàn châu Âu - một tổ hợp đa ngành gồm ba cơ sở nghiên cứu công - một trường đại học và hai nhà sản xuất mô-đun quang điện thương mại (PV).

Sơ đồ về kiến ​​trúc và kết nối của các thành phần được lắp ráp trong một thiết bị PV-EC nguyên mẫu tích hợp cao, thu nhỏ thành hệ thống tạo hydro điện hóa chạy bằng năng lượng mặt trời 64 cm 2.  Thiết bị PV – EC bao gồm các tế bào năng lượng mặt trời silicon màng mỏng ba điểm tiếp giáp kết hợp với một chất xúc tác tách nước niken sắt molypden đa chức năng  hấp thụ điện tử.

Trong thiết bị này, mô-đun quang điện ba lớp tiếp giáp a-Si: H / a-Si: H / μc-Si: H được ghép trực tiếp vào màng trao đổi anion của tế bào điện phân nước kiềm. Thiết kế PV-EC được ghép nối trực tiếp giúp giảm thiểu sự phức tạp về điện và nhiệt, giảm chi phí và tăng cường hiệu quả của bộ điện phân, ghép nối ngoài với các mô-đun quang điện.

b) Ảnh chụp chồng điện phân màng trao đổi proton, gắn trực tiếp vào mặt sau của một trong các mô-đun PV.

Một thiết bị trình diễn dự án có quy mô công nghệ quan trọng khác với diện tích thu thập PV lớn hơn 10m2 đã được lắp đặt tại Trung tâm Nghiên cứu Juelich ở Đức .

Mảng PV 10 m2 bao gồm 8 mô-đun CIGS PV và ba mô-đun PV dị liên kết a-Si/c-Si, kết nối trực tiếp với các ngăn xếp điện phân màng trao đổi proton.

Dưới bức xạ của 1 mặt trời, thiết bị này cho thấy hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro vượt quá 10%, hiệu suất sản xuất hydro được định lượng bằng đồng hồ đo lưu lượng khối lượng.

Trong các điều kiện thử nghiệm độ ổn định lâu dài, sự suy giảm hiệu suất của thiết bị dưới 10% trong vòng 9 tháng và 22 kg hydro được thu thập, một mục tiêu hiệu suất vượt quá mong đợi của dự án đối với các đối tác liên danh. Các chỉ số hiệu suất này là tín hiệu tốt cho sự phát triển trong tương lai của công nghệ PV-EC H2 độc lập.