Elektrolizer alkaliczny

Obniżenie kosztów zielonego wodoru wytwarzanego w procesie elektrolizy wody jest wysoce pożądane w celu zmniejszenia kosztów transformacji energetycznej. Wymaga to nie tylko taniej zielonej energii, ale także niższych kosztów kapitałowych. To ostatnie jest szczególnie istotne, gdyż przyszłe zakłady elektrolizy będą eksploatowane w oparciu o (nadwyżkę) zmiennej energii elektrycznej odnawialnej, ograniczając liczbę godzin pracy, a tym samym zwiększając względny udział kosztów kapitałowych. Istnieją trzy sposoby obniżenia kosztów kapitału: korzyści skali, korzyści liczbowe i innowacje.
„Ekonomia skali” oznacza, że ​​duże elektrownie są stosunkowo tańsze. W przemyśle chemicznym typowe jest, że dziesięciokrotnie większy zakład jest tylko pięciokrotnie droższy, co oznacza, że ​​koszty kapitałowe na jednostkę wytworzonego produktu są dwukrotnie niższe. Pytanie brzmi, czy to skalowanie będzie miało zastosowanie również do instalacji elektrolizy, ponieważ elektrolizery nie „dobrze skalują”: ze względu na ograniczenia w zarządzaniu ciepłem obecne kominy alkaliczne są ograniczone do wielkości około 10 MW i nie oczekuje się, że liczba ta znacznie wzrośnie w przyszły. Oznacza to, że w przypadku większych zakładów elektrolizery będą musiały zostać po prostu „ponumerowane”, co oznacza, że ​​elektrolizery mają ograniczone korzyści skali. Jednocześnie stosy stanowią jedynie 10-20% całkowitych kosztów instalacji, a pozostałe 80-90% kosztów dobrze się skalują. Dlatego w dalszym ciągu spodziewamy się dobrych korzyści skali w przypadku zakładów elektrolizy wody, chociaż mogą one być nieco mniej korzystne niż w przypadku zwykłych zakładów chemicznych.
„Ekonomia liczb” oznacza, że ​​gdy wytwarza się więcej jednostek tego samego produktu, stają się one tańsze dzięki zautomatyzowanej produkcji i innym optymalizacjom łańcucha dostaw. Najbardziej znanym przykładem są panele słoneczne, w przypadku których osiągnięto w ten sposób ogromne obniżki kosztów. Ponadto w dziedzinie elektrolizerów istnieje ogromny potencjał „ekonomii skali”, ponieważ obecnie większość elektrolizerów jest nadal wytwarzana w sposób bardzo pracochłonny, polegający na ręcznym składaniu ogniw w stosy. Ze względu na rosnące zapotrzebowanie na elektrolizery widzimy już, jak producenci rozpoczynają rozwój zautomatyzowanych linii produkcyjnych, co prowadzi do znacznej redukcji kosztów.
Zarówno „korzyść skali”, jak i „korzyść liczb” przyczynią się do redukcji kosztów, ale istnieje między nimi kompromis: większe stosy i moduły (w tym m.in. pompy, separatory gaz-ciecz i wymienniki ciepła) oznaczają, że liczba jednostek będzie mniejsza, a co za tym idzie, zalety „ekonomii liczb” będą mniejsze. Jednak rynek elektrolizerów wodnych będzie na tyle duży, że nawet przy dużych stosach i modułach nadal będą występować znaczne „oszczędności liczb”. To sprawia, że ​​w przypadku elektrolizy wody „korzyści skali” i „korzyści liczb” mogą się uzupełniać.
Kolejnym ważnym czynnikiem wpływającym na redukcję kosztów będą innowacje. Chociaż technologia alkaliczna istnieje już od ponad 100 lat, nadal istnieje wiele miejsca na innowacje techniczne, szczególnie w zakresie gęstości prądu, przy której ta technologia jest stosowana. W porównaniu z tradycyjną technologią elektrolizy alkalicznej, gęstość prądu można zwiększyć ponad pięciokrotnie dzięki innowacjom w membranie, powłokach elektrod i konstrukcji ogniwa. Rysunek 3 przedstawia schematyczne przedstawienie koncepcyjnego stosu do elektrolizy alkalicznej, który mógłby pojawić się na rynku w 2030 r. Tabela 2 przedstawia odpowiednie charakterystyki działania takiego elektrolizera, pokazując, że produkcja wodoru z takiego elektrolizera może być dziesięciokrotnie większa niż w przypadku tradycyjnego elektrolizery alkaliczne. Pozwala to skutecznie obniżyć koszty produkowanego wodoru, gdyż komin nie jest dziesięciokrotnie droższy od tradycyjnego.

Istnieje wiele sposobów, w jakie elektroliza do produkcji wodoru może przynieść korzyści zarówno osobom indywidualnym, jak i przedsiębiorstwom. Być może główną zaletą tej techniki jest produkcja zielonego wodoru, w przeciwieństwie do niebieskiego wodoru (produktu otrzymywanego z tradycyjnych źródeł paliw kopalnych, takich jak gaz ziemny). Innymi słowy, elektrolizer oferuje odnawialne środki produkcji energii.

Jasne jest zatem, dlaczego w branży wodorowych ogniw paliwowych często stosuje się elektrolizer. Gaz ten można gromadzić i przechowywać w celu ponownego naładowania ogniw po ich wyczerpaniu; radykalnie wydłużając ich żywotność, zapewniając jednocześnie niezawodne źródła energii.

Inne interesujące zastosowanie magazynowania wodoru dotyczy możliwości jego zintegrowania z istniejącymi ekologicznymi technologiami. Na przykład może się zdarzyć, że turbiny wiatrowe nie będą w stanie wytworzyć wystarczającego poziomu mocy ze względu na warunki pogodowe. Jako system redundantny można zastosować elektrolizer znajdujący się na miejscu.

Innym przykładem są sytuacje, w których wytwarzana jest nadmierna ilość energii elektrycznej z sieci. Zamiast ograniczać produkcję, moc tę można przekierować do elektrolizera; co skutkuje bardziej odpowiednimi zapasami wodoru do przyszłego wykorzystania.[9]

Alkaliczna elektroliza wody wyróżnia się wyjątkową skalowalnością, umożliwiając łatwe dostosowanie się do różnorodnych potrzeb w zakresie produkcji wodoru. Ta wszechstronność sprawia, że ​​można go zastosować w szerokim spektrum scenariuszy, od inicjatyw o skromnej skali po ekspansywne procesy przemysłowe. Dodatkowo wydłużony okres eksploatacji elektrolizy alkalicznej zapewnia stałe i zrównoważone dostawy wodoru przez dłuższy czas.
Kolejną zauważalną zaletą jest opłacalność elektrolizy alkalicznej, ponieważ jej wyposażenie wymaga tańszych materiałów w porównaniu z alternatywnymi metodami produkcji wodoru. Ta przystępność cenowa poszerza jego dostępność, zwiększając jego atrakcyjność dla zróżnicowanej bazy użytkowników, w tym małych przedsiębiorstw i instytucji badawczych.

Prostota definiuje konserwację alkalicznych systemów elektrolizy. Ich prosta konstrukcja wymaga minimalnej uwagi i obsługi, eliminując konieczność posiadania specjalistycznych umiejętności lub kosztownych procedur konserwacyjnych, co czyni je wygodnym wyborem do produkcji wodoru.

Kluczową zaletą elektrolizy alkalicznej jest praca w niższych temperaturach, która przyczynia się do zmniejszenia zużycia energii i zwiększenia ogólnej wydajności. Ten energooszczędny proces skutkuje oszczędnościami kosztów i mniejszym wpływem na środowisko.
Dodatkową zaletą elektrolizy alkalicznej jest produkcja wodoru o wysokiej czystości, szczególnie istotna w zastosowaniach w takich gałęziach przemysłu jak ogniwa paliwowe i chemikalia. Zapewnienie najwyższej wydajności i niezawodności w tych sektorach utwierdza elektrolizę alkaliczną jako preferowaną metodę produkcji wodoru.

Na koniec warto zwrócić uwagę na ekologiczny potencjał elektrolizy alkalicznej. Integrując odnawialne źródła energii, takie jak energia słoneczna czy wiatrowa, proces ten znacznie ogranicza emisję dwutlenku węgla i zmniejsza zależność od paliw kopalnych, co jest zgodne z nadrzędnym celem, jakim jest wspieranie zrównoważonego i świadomego ekologicznie systemu energetycznego.

Podsumowując, alkaliczna elektroliza wody oferuje wieloaspektowy wachlarz korzyści w produkcji wodoru. Jego skalowalność, opłacalność, niskie koszty utrzymania, możliwość pracy w niższych temperaturach, wytwarzany wodór o wysokiej czystości i właściwości przyjazne dla środowiska sprawiają, że jest to atrakcyjne rozwiązanie w różnych zastosowaniach. Niezależnie od tego, czy stosuje się je w projektach na małą skalę, czy w dużych zakładach przemysłowych, alkaliczna elektroliza wody okazuje się niezawodnym i zrównoważonym źródłem wodoru.

Elektrolizer alkaliczny to urządzenie wykorzystujące roztwór elektrolitu, zazwyczaj wodorotlenku potasu lub sodu, do rozbicia cząsteczek wody na wodór i tlen w procesie zwanym elektrolizą. Zasada chemiczna elektrolizera alkalicznego opiera się na zasadach elektrochemii. W elektrochemii reakcje chemiczne są napędzane przez przeniesienie elektronów z jednej substancji na drugą. Kiedy do roztworu elektrolitu zostanie przyłożony prąd elektryczny, powoduje on, że roztwór elektrolitu przechodzi proces zwany elektrolizą. Podczas tego procesu prąd elektryczny powoduje rozbicie cząsteczek wody na atomy wodoru i tlenu.
W elektrolizerze alkalicznym proces ten jest możliwy dzięki obecności roztworu elektrolitu, który zawiera jony wodorotlenkowe (OH-), które ułatwiają przenoszenie elektronów pomiędzy elektrodami a cząsteczkami wody. Jony wodorotlenkowe są przyciągane do dodatnio naładowanej anody (elektroda podłączona do dodatniego bieguna źródła zasilania), a jony wodorowe (H+) są przyciągane do ujemnie naładowanej katody (elektroda podłączona do ujemnego zacisku źródła zasilania) .
Na anodzie cząsteczki wody ulegają utlenieniu, tworząc gazowy tlen i dodatnio naładowane jony wodoru: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
Na katodzie jony wodoru ulegają redukcji, tworząc gazowy wodór: 4H+ + 4e- → 2H2
Ogólnie reakcję można wyrazić jako: 2H2O → 2H2 + O2
Roztwór elektrolitu odgrywa ważną rolę w procesie, zapewniając ośrodek przewodzący dla przepływu elektronów pomiędzy elektrodami a cząsteczkami wody. Jony wodorotlenkowe zawarte w roztworze elektrolitu pomagają także w utrzymaniu stabilnego poziomu pH, co jest istotne dla sprawnego funkcjonowania elektrolizera.
Podsumowując, elektrolizer alkaliczny działa poprzez wykorzystanie roztworu elektrolitu w celu ułatwienia przenoszenia elektronów pomiędzy elektrodami i cząsteczkami wody, co powoduje wytwarzanie gazowego wodoru i tlenu.

Elektrolizery alkaliczne są zwykle konstruowane przy użyciu materiałów odpornych na korozję i wytrzymujących trudne warunki procesu elektrolizy. Do głównych materiałów stosowanych w elektrolizerach alkalicznych należą:

Elektrody:Elektrody w elektrolizerach alkalicznych są zwykle wykonane z niklu, stali niklowanej lub tytanu pokrytego stopem na bazie niklu. Materiały te są odporne na korozję i wytrzymują trudne warunki procesu elektrolizy.

Membrana:Elektrolizery alkaliczne wykorzystują ciekły elektrolit KOH, więc nie wymagają membrany.

Składniki ogniwa:Elementy ogniw w elektrolizerach alkalicznych, takie jak ramy ogniw, separatory i zbiorniki ciśnieniowe, są zazwyczaj wykonane z materiałów takich jak stal nierdzewna, stal węglowa lub stopy niklu. Materiały te są odporne na korozję i wytrzymują trudne warunki procesu elektrolizy.

Elektrolizery alkaliczne są opłacalną i wydajną opcją produkcji wodoru. Mają kilka zalet w porównaniu z innymi typami elektrolizerów, w tym wyższą efektywność energetyczną, niski koszt, produkcję wodoru o wysokiej czystości i wytrzymałość mechaniczną. Elektrolizery alkaliczne są zbudowane z materiałów odpornych na korozję i wytrzymujących trudne warunki procesu elektrolizy, takich jak nikiel, stal niklowana, tytan pokryty stopem na bazie niklu, stal nierdzewna, stal węglowa i stopy niklu. Wykorzystując elektrolizery alkaliczne, przemysł może wydajniej i po niższych kosztach wytwarzać wodór o wysokiej czystości, przyczyniając się do przyszłości bardziej zrównoważonej i czystej energii.

Produkty sprzedawane są we wszystkich regionach Chin i eksportowane do krajów na całym świecie. Zostały sprzedane w ponad 20 krajach i regionach, w tym w Stanach Zjednoczonych, Niemczech, Maroku, Kenii, Arabii Saudyjskiej, Wietnamie, Algierii, Indiach, Tanzanii i Tajwanie. Pomyślnie dostarczono dobrze znane przedsiębiorstwa, takie jak China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group i inne znane przedsiębiorstwa. Istnieje wiele stacji uwodornienia zielonego wodoru, takich jak Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming itp., które realizują projekty ekologiczne i wytwarzające wodór.