title: Life cycle analysis and technoeconomic assessment of the coupled PEC hydrogenation system
Creators: name: Zhang, Xinyi
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::500 Naturwissenschaften::500 Naturwissenschaften und Mathematik
subject: life cycle analysis
subject: technoeconomic assessment
subject: coupled PEC hydrogenation

description: The unsustainable use of fossil fuels contributes to the ever-worsening energy crisis and exacerbates climate change, which poses a significant threat to global ecosystems, economies, and human well-being. Addressing both challenges requires an urgent transition towards renewable energy sources and sustainable practices to mitigate environmental impacts and ensure energy security for future generations. Photoelectrochemical (PEC) water splitting technology offers a sustainable solution for combating climate change by providing a clean and renewable source of hydrogen fuel, but its competitiveness is hindered by the relatively high cost compared with other generation methods. One strategy to increase the competitiveness of PEC-generated H2 is coupling water splitting with hydrogenation reactions that produce higher-value chemicals. Recently, the in situ co-production of hydrogen and methyl succinic acid (MSA) by coupling the hydrogenation of itaconic acid (IA) – a biomass-derived feedstock – inside a PEC water splitting device has been successfully demonstrated. Thus, a comprehensive analysis of the net energy balance, economic viability, and environmental ramifications pertaining to this integrated hydrogenation process is crucial to substantiate the viability of its commercialization prospects. The first part investigates the net energy balance of co-producing hydrogen and MSA by coupling the hydrogenation of IA inside a PEC water splitting device. A negative net energy balance is predicted if the device generates only hydrogen, but energy breakeven can already be achieved when a small fraction (~2%) of the generated hydrogen is used in situ for H2-to-MSA conversion. Moreover, the simulated coupled device produces MSA with much lower cumulative energy demand than conventional hydrogenation. Overall, the coupled hydrogenation concept offers an attractive approach to increase the viability of PEC water splitting while at the same time decarbonizing (part of) the production of high-value chemicals. The second part of the thesis extends the scope of the research into multiple hydrogenation reactions that produce higher-value chemicals in a scaled-up coupled PEC hydrogenation system. Herein, a comprehensive techno-economic assessment (TEA) of a hypothetical PEC plant with a 1,000 kg H2/day capacity, considering seven potential hydrogenation reactions, is conducted. The TEA results identified three hydrogenation reactions that enable economic improvement when coupled with a PEC system: (a) itaconic acid to methyl succinic acid, (b) phenol to cyclohexanol and (c) acetophenone to 1-phenylethanol, with acetophenone to 1-phenylethanol offering the highest returns. Sensitivity analysis shows that solar-to-H2 efficiency and H2-to-chemical conversion are the most critical parameters affecting the levelized cost of hydrogen (LCOH) of the system. Finally, benchmark conversions that would result in competitive LCOH values that are comparable to that of fossil fuel based H2 produced by steam methane reforming (SMR) are identified, and the potential impact of these coupled PEC hydrogenation reactions on the global H2 market is discussed. Although the two assessments above justified the viability of the coupled PEC concept, this method is not free from environmental burdens. In the last part of the thesis, a prospective life cycle assessment (LCA) is conducted, considering all relevant processes in the entire life cycle from cradle-to-gate for a hypothetical large-scale PEC facility when coupled with the hydrogenation of the chemicals selected from previous assessments: MSA, cyclohexanol, and 1-phenylethanol from their respective feedstocks. Our LCA results reveal that all examined reactions exhibit a lower energy demand for H2 production compared to SMR. However, only two of the three reactions – IA to MSA and acetophenone to 1-phenylethanol – demonstrate a positive energy balance across their entire lifecycle. Concerning the global warming potential (GWP), in comparison with integrated photovoltaics / water electrolysis and SMR, the phenol to cyclohexanol reaction contributes more emissions to the environment, while the other two reactions result in negative emissions, effectively avoiding GHG emissions. Nevertheless, other environmental impacts like acidification potential (AP), eutrophication, and ozone depletion are increased due to the complex fabrication process of the PEC system and increased material usage, including chemical feedstock and catalysts. The resulting impact on other categories, such as toxicity potential, is relatively limited. The environmental concern of the coupled PEC hydrogenation process is mainly associated with the bottom absorber, silicon heterojunction (SHJ) cell. Overall, from all perspectives, it can be concluded that the coupled PEC concept is a promising method for improving the overall impacts of the PEC technology in the global renewable energy market.
description: Der Klimawandel stellt eine erhebliche Bedrohung für die weltweiten Ökosysteme, für Volkswirtschaften und das menschliche Wohlergehen dar, die durch eine nicht nachhaltige Nutzung fossiler Brennstoffe noch verschärft wird und zur Energiekrise beiträgt. Die Bewältigung beider Herausforderungen erfordert einen dringenden Übergang zu erneuerbaren Energiequellen und nachhaltigen Praktiken, um die Auswirkungen auf die Umwelt zu mindern und die Energiesicherheit für künftige Generationen zu gewährleisten. Die photoelektrochemische (PEC) Wasserspaltungstechnologie bietet eine nachhaltige Lösung zur Bekämpfung des Klimawandels, indem sie eine saubere und erneuerbare Quelle für Wasserstoff als Kraftstoff bereitstellt. Ihre Wettbewerbsfähigkeit wird allerdings durch die relativ hohen Kosten im Vergleich zu anderen Erzeugungsmethoden beeinträchtigt. Eine Strategie zur Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit von PEC-erzeugtem H2 ist die Kopplung der Wasserspaltung mit Hydrierungsreaktionen, die höherwertige Chemikalien erzeugen. Die in situ-Koproduktion von Wasserstoff und Methylbernsteinsäure (MSA) durch Kopplung der Hydrierung von Itaconsäure (IA) - einem aus Biomasse gewonnenen Ausgangsstoff - in einer PEC-Wasserspaltanlage wurde erfolgreich demonstriert. Daher ist eine umfassende Analyse der Netto-Energiebilanz, der Wirtschaftlichkeit und der Umweltauswirkungen dieses integrierten Hydrierungsprozesses von entscheidender Bedeutung, um die Aussichten für seine Kommerzialisierung zu untermauern. Im ersten Teil wird die Netto-Energiebilanz der gleichzeitigen Erzeugung von Wasserstoff und MSA durch Kopplung der Hydrierung von IA in einer PEC-Wasserspaltanlage untersucht. Es wird eine negative Netto-Energiebilanz vorhergesagt, wenn die Vorrichtung nur Wasserstoff erzeugt. Der Energie-Breakeven kann allerdings bereits erreicht werden, wenn ein kleiner Anteil (~2%) des erzeugten Wasserstoffs in situ für die Umwandlung von H2 in MSA verwendet wird. Darüber hinaus produziert die simulierte gekoppelte Anlage MSA mit einem viel geringeren kumulativen Energiebedarf als die konventionelle Hydrierung. Insgesamt bietet das gekoppelte Hydrierungskonzept einen attraktiven Ansatz, um die Rentabilität der PEC-Wasserspaltung zu erhöhen und gleichzeitig die Produktion wertvoller Chemikalien zu dekarbonisieren. Im zweiten Teil der Arbeit wird der Umfang der Forschung auf mehrere homogene Reaktionen ausgeweitet, die in einem skalierten gekoppelten PEC-Hydrierungssystem höherwertige Chemikalien erzeugen, um die optimale gekoppelte Reaktion zu bestimmen und deren energetische und wirtschaftliche Vorteile für das gekoppelte Konzept zu ermitteln. Hierin wird eine umfassende technisch-wirtschaftliche Bewertung (TEA) einer hypothetischen PEC-Anlage mit einer Kapazität von 1.000 kg H2/Tag unter Berücksichtigung von sieben potenziellen Hydrierungsreaktionen durchgeführt. Die TEA-Ergebnisse identifizierten drei Kopplungshydrierungsreaktionen, die eine wirtschaftliche Verbesserung für das PEC-System ermöglichen: (a) Itaconsäure zu Methylbernsteinsäure, (b) Phenol zu Cyclohexanol und (c) Acetophenon zu 1-Phenylethanol, wobei Acetophenon zu 1-Phenylethanol die höchsten Erträge bietet. Die Sensitivitätsanalyse zeigt, dass der Wirkungsgrad der Umwandlung von Sonne in H2 und von H2 in Chemikalien die kritischsten Parameter sind, die sich auf die Wasserstoffgestehungskosten (LCOH) des Systems auswirken. Schließlich werden Benchmark-Umwandlungen identifiziert, die zu wettbewerbsfähigen LCOH-Werten führen würden, welche mit denen von auf fossilen Brennstoffen basierendem H2 durch Dampf-Methan-Reformierung (SMR) vergleichbar sind. Darüber hinaus werden die potenziellen Auswirkungen dieser gekoppelten PEC-Hydrierungsreaktionen auf den globalen H2-Markt diskutiert. Obwohl die gekoppelte photoelektrochemische (PEC) Technologie zur Deckung des globalen Bedarfs an nachhaltiger Energieversorgung beitragen könnte, nämlich zu wettbewerbsfähigen energetischen und wirtschaftlichen Kosten im Vergleich zu Wasserstoff, der aus fossilen Brennstoffen hergestellt wird, während gleichzeitig wertvolle Chemikalien als Nebenprodukte anfallen, ist diese Methode nicht frei von Umweltbelastungen. Im letzten Teil wurde eine prospektive Ökobilanz durchgeführt, die alle relevanten Prozesse im gesamten Lebenszyklus von “Cradle-to-Gate” für eine hypothetische großtechnische PEC-Anlage in Verbindung mit der Hydrierung der aus früheren Bewertungen ausgewählten Chemikalien berücksichtigt: MSA, Cyclohexanol und 1-Phenylethanol aus ihren jeweiligen Ausgangsstoffen. Unsere LCA-Ergebnisse zeigen, dass alle untersuchten Reaktionen im Vergleich zur SMR einen geringeren Energiebedarf für die H2-Produktion aufweisen. Allerdings weisen nur zwei der drei Reaktionen - Itaconsäure zu Methylbernsteinsäure und Acetophenon zu 1-Phenylethanol - über ihren gesamten Lebenszyklus eine positive Energiebilanz auf. Was das Treibhauspotenzial (GWP) betrifft, so trägt die Reaktion von Phenol zu Cyclohexanol im Vergleich zu integrierter Photovoltaik-Wasserelektrolyse und SMR zu mehr Emissionen in der Umwelt bei, während die beiden anderen Reaktionen negative Emissionen verursachen, wodurch Treibhausgasemissionen effektiv vermieden werden. Andere Umweltauswirkungen wie das Versauerungspotenzial (AP), die Eutrophierung und der Ozonabbau werden jedoch durch den komplexen Herstellungsprozess des PEC-Systems und den erhöhten Materialverbrauch, einschließlich chemischer Ausgangsstoffe und Katalysatoren, verstärkt. Die daraus resultierenden Auswirkungen auf andere Kategorien, wie z. B. das Toxizitätspotenzial, sind relativ begrenzt. Das Umweltproblem des gekoppelten PEC-Hydrierungsprozesses hängt hauptsächlich mit dem unteren Absorber, der Silizium-Heteroübergangszelle (SHJ), zusammen. Insgesamt kann aus allen Perspektiven der Schluss gezogen werden, dass das gekoppelte PEC-Konzept eine der Optimierungsmethoden zur Verbesserung der Gesamtauswirkungen der PEC-Technologie auf dem globalen Markt für erneuerbare Energien darstellt.