Elektrolizer wody do wodoru

Elektroliza jest obiecującą opcją bezemisyjnej produkcji wodoru ze źródeł odnawialnych i jądrowych. Elektroliza to proces wykorzystujący energię elektryczną do rozdzielenia wody na wodór i tlen. Reakcja ta zachodzi w urządzeniu zwanym elektrolizerem. Elektrolizery mogą mieć różną wielkość – od małych urządzeń wielkości urządzenia, które dobrze nadają się do rozproszonej produkcji wodoru na małą skalę, po centralne zakłady produkcyjne na dużą skalę, które można bezpośrednio podłączyć do odnawialnych źródeł energii lub innych form emisji nieemitujących gazów cieplarnianych. produkcja energii elektrycznej.

Jak to działa
Podobnie jak ogniwa paliwowe, elektrolizery składają się z anody i katody oddzielonych elektrolitem. Różne elektrolizery działają na różne sposoby, głównie ze względu na inny rodzaj materiału elektrolitu i rodzaje jonów, które przewodzi.

Elektrolizery membranowe z elektrolitem polimerowym
W elektrolizerze z membraną polimerowo-elektrolitową (PEM) elektrolitem jest stały, specjalny materiał z tworzywa sztucznego.

Woda reaguje na anodzie, tworząc tlen i dodatnio naładowane jony wodoru (protony).
Elektrony przepływają przez obwód zewnętrzny, a jony wodoru selektywnie przemieszczają się przez PEM do katody.
Na katodzie jony wodoru łączą się z elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc gazowy wodór. Reakcja anodowa: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Reakcja katodowa: 4H+ + 4e- → 2H2

Elektrolizery alkaliczne
Elektrolizery alkaliczne działają poprzez transport jonów wodorotlenkowych (OH-) przez elektrolit z katody do anody, przy czym po stronie katody wytwarza się wodór. Elektrolizery wykorzystujące ciekły alkaliczny roztwór wodorotlenku sodu lub potasu jako elektrolitu są dostępne na rynku od wielu lat. Nowsze podejścia wykorzystujące stałe membrany alkaliczne (AEM) jako elektrolit są obiecujące w skali laboratoryjnej.

Elektrolizery ze stałym tlenkiem
Elektrolizery ze stałym tlenkiem, w których jako elektrolit wykorzystuje się stały materiał ceramiczny, który selektywnie przewodzi ujemnie naładowane jony tlenu (O2-) w podwyższonych temperaturach, wytwarzają wodór w nieco inny sposób.
Para na katodzie łączy się z elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc gazowy wodór i ujemnie naładowane jony tlenu.
Jony tlenu przechodzą przez stałą membranę ceramiczną i reagują na anodzie, tworząc gazowy tlen i generując elektrony dla obwodu zewnętrznego.
Elektrolizery ze stałym tlenkiem muszą działać w temperaturach wystarczająco wysokich, aby membrany ze stałego tlenku działały prawidłowo (około 700–800 stopni w porównaniu z elektrolizerami PEM, które działają w temperaturze 70–90 stopni, i dostępnymi na rynku elektrolizerami alkalicznymi, które zazwyczaj działają w temperaturze poniżej 100 stopni). Zaawansowane, laboratoryjne elektrolizery ze stałym tlenkiem, oparte na elektrolitach ceramicznych przewodzących protony, okazują się obiecujące w zakresie obniżania temperatury roboczej do 500–600 stopni. Elektrolizery ze stałym tlenkiem mogą efektywnie wykorzystywać ciepło dostępne w tak podwyższonych temperaturach (pochodzące z różnych źródeł, w tym energii jądrowej), aby zmniejszyć ilość energii elektrycznej potrzebnej do wytworzenia wodoru z wody.

Dlaczego rozważa się tę ścieżkę
Elektroliza to wiodąca ścieżka produkcji wodoru prowadząca do osiągnięcia celu Hydrogen Energy Earthshot, jakim jest zmniejszenie kosztu czystego wodoru o 80% do 1 dolara za 1 kilogram w ciągu 1 dekady („1 1 1”). Wodór wytwarzany w procesie elektrolizy może skutkować zerową emisją gazów cieplarnianych, w zależności od źródła wykorzystywanej energii elektrycznej. Oceniając korzyści i ekonomiczną opłacalność produkcji wodoru metodą elektrolizy, należy wziąć pod uwagę źródło wymaganej energii elektrycznej, w tym jej koszt i wydajność, a także emisję wynikającą z wytwarzania energii elektrycznej. W wielu regionach kraju dzisiejsza sieć elektroenergetyczna nie jest idealna do dostarczania energii elektrycznej potrzebnej do elektrolizy ze względu na uwalniane gazy cieplarniane oraz ilość potrzebnego paliwa ze względu na niską efektywność procesu wytwarzania energii elektrycznej. Produkcja wodoru poprzez elektrolizę jest kontynuowana w ramach energii odnawialnej (wiatrowej, słonecznej, wodnej, geotermalnej) i jądrowej. Te ścieżki produkcji wodoru skutkują praktycznie zerową emisją gazów cieplarnianych i kryterialnych substancji zanieczyszczających; należy jednak znacznie obniżyć koszty produkcji, aby móc konkurować z bardziej dojrzałymi ścieżkami opartymi na węglu, takimi jak reforming gazu ziemnego.

Potencjał synergii z wytwarzaniem energii z OZE
Produkcja wodoru w drodze elektrolizy może oferować możliwości synergii z dynamicznym i nieciągłym wytwarzaniem energii, co jest charakterystyczne dla niektórych technologii energii odnawialnej. Na przykład, chociaż koszt energii wiatrowej w dalszym ciągu spada, nieodłączna zmienność wiatru stanowi przeszkodę w efektywnym wykorzystaniu energii wiatrowej. W farmie wiatrowej można zintegrować wytwarzanie paliwa wodorowego i energii elektrycznej, co umożliwi elastyczne przesunięcie produkcji w celu najlepszego dopasowania dostępności zasobów do potrzeb operacyjnych systemu i czynników rynkowych. Ponadto w czasach nadwyżki produkcji energii elektrycznej z farm wiatrowych, zamiast ograniczać energię elektryczną, jak to się powszechnie robi, można wykorzystać tę nadwyżkę energii do produkcji wodoru w procesie elektrolizy.

Ważne jest, aby pamiętać...
Dzisiejsza energia elektryczna z sieci nie jest idealnym źródłem energii elektrycznej do elektrolizy, ponieważ większość energii elektrycznej jest wytwarzana przy użyciu technologii powodujących emisję gazów cieplarnianych i energochłonnych. Wytwarzanie energii elektrycznej przy użyciu technologii energii odnawialnej lub jądrowej, niezależnie od sieci lub jako rosnąca część miksu sieci, stanowi możliwą opcję przezwyciężenia tych ograniczeń w produkcji wodoru w drodze elektrolizy.

W procesie elektrolizy zachodzą jednocześnie dwa różne procesy jonizacji. W tym przypadku konkuruje ze sobą zarówno woda, jak i elektrolit.

Elektrolit podlega temu samemu procesowi jonizacji co woda. To samo utlenianie i redukcja zachodziłaby w elektrolicie.
Ponieważ anion z elektrolitu konkuruje z jonami wodorotlenkowymi o oddanie elektronu, a kation z jonem wodorowym o redukcję poprzez przyjęcie elektronu, elektrolit należy wybierać ostrożnie.

Kation elektrolitu musi mieć niższy potencjał elektrody niż H+. Zawsze pamiętaj, że w przypadku jakiejkolwiek elektrolizy potencjał elektrody kationu elektrolitu powinien być mniejszy niż potencjał elektrody kationu substancji poddawanej elektrolizie, a potencjał elektrody anionu elektrolitu powinien być większy niż potencjał elektrody anionu substancja poddawana elektrolizie.

Produkcja zielonego wodoru przy użyciu odnawialnych źródeł energii wzbudziła wystarczające zainteresowanie elektrolizą wody w celu wytworzenia wodoru. Elektroliza wody z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii bez emisji CO2 jest postrzegana jako obiecująca metoda zwiększenia tempa produkcji wodoru. W 2020 r. na całym świecie wyprodukowano około 87 mln ton wodoru do różnych zastosowań, w tym do rafinacji ropy naftowej, produkcji amoniaku (NH3) (w procesie Habera) i metanolu (CH3OH) (poprzez redukcję tlenku węgla [CO]) oraz jako paliwo transportowe. Oczekuje się, że zapotrzebowanie na wodór osiągnie 500-680 mln ton do 2050 r. Rynek produkcji wodoru wyceniono na 130 miliardów dolarów w latach 2020–2021 i oczekuje się, że do 2030 r. będzie rósł w tempie 9,2% rocznie. Jest jednak pewien haczyk: ponad 95% obecnej produkcji wodoru opiera się na paliwach kopalnych, a bardzo niewiele z nich jest „zielonych”. Obecnie produkcja wodoru zużywa 6% światowego gazu ziemnego i 2% światowego węgla. Niemniej jednak technologie produkcji zielonego wodoru cieszą się coraz większą popularnością.

Elektroliza to proces wykorzystujący energię elektryczną do podziału wody na H2 i O2. Przepływ elektronów przez ścieżkę przewodzącą, taką jak drut, jest tym, czym jest elektryczność. Ścieżka ta nazywana jest obwodem. Elektrony poruszają się pod wpływem różnicy potencjałów elektrycznych pomiędzy anodą i katodą. Anoda ma więcej elektronów i jest bardziej niestabilna z powodu stłoczenia elektronów. Elektrony chcą się przestawić, aby wyeliminować różnicę. Elektrony odpychają się i próbują przenieść do miejsca z mniejszą liczbą elektronów. To jest katoda.
Ponieważ czysta woda nie przewodzi prądu, rozkład wody jest powolną reakcją redoks.

Chemia
W elektrolizerze znajduje się jedna katoda i jedna anoda podłączone do źródła zasilania. Elektrony zawsze przepływają od anody do katody, bez względu na wszystko. Katoda jest zawsze miejscem, w którym zachodzi redukcja, dlatego elektrony muszą się tam znajdować. Utlenianie to utrata elektronów, a redukcja to zysk elektronów.
W skrócie, na ujemnie naładowanej katodzie zachodzi reakcja redukcji, w której elektrony (e-) z katody są przekazywane kationom wodoru, tworząc gazowy wodór
Katoda (redukcyjna):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Na dodatnio naładowanej anodzie zachodzi reakcja utleniania, w wyniku której wytwarza się gazowy tlen i przekazuje elektrony anodzie w celu dokończenia obwodu
Anoda (utlenianie): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Połączenie tych reakcji daje:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 wytwarza się na katodzie, a O2 na anodzie.
Elektroliza wody wymaga minimalnej różnicy potencjałów wynoszącej 1,23 V, chociaż przy tym napięciu wymagane jest zewnętrzne ciepło z otoczenia.

Dwubiegunowe stosy ogniw do elektrolizy wody składają się z wielu pojedynczych ogniw elektrochemicznych połączonych szeregowo. W praktyce stosy ogniw do elektrolizy wody, które właśnie zostały zatrzymane, mogą zachować znaczny ładunek elektryczny ze względu na resztkowy wodór i tlen pozostający w każdym ogniwie. Pozostawiony sam sobie, rozproszenie resztkowego ładunku elektrochemicznego może zająć wiele godzin. Personel zajmujący się serwisem i konserwacją systemu musi zachować szczególną ostrożność przy próbie serwisowania lub wymiany stosów ogniw wkrótce po zakończeniu pracy. Na przykład metalowe narzędzie, takie jak klucz, może przypadkowo wypełnić szczelinę pomiędzy płytką zaciskową prądu dodatniego stosu ogniw a uziemioną metalową ramą nośną, powodując pobór prądu o dużym natężeniu lub łuk elektryczny, co może spowodować uszkodzenie i obrażenia ciała. Zagrożony jest również personel, który nie nosi odpowiedniego izolującego sprzętu ochronnego.

Najlepszą praktyką dla personelu zajmującego się konserwacją i serwisem jest sprawdzenie, czy w stosie ogniw nie pozostały żadne znaczące ładunki elektryczne, przed usunięciem osłon zabezpieczających i połączeń elektrycznych ze stosu ogniw. Zaleca się, aby personel przeprowadził pomiar napięcia stosu ogniw w celu sprawdzenia, czy stos ogniw jest rozładowany. W niektórych przypadkach personel serwisowy może również zastosować odpowiednio zaprojektowane narzędzie serwisowe składające się z wysokoprądowego rezystora zwierającego na stosie rozładowanych ogniw jako dodatkowe zabezpieczenie.

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.