Vodeni elektrolizator za vodik

Elektroliza je obećavajuća opcija za proizvodnju vodika bez ugljika iz obnovljivih i nuklearnih izvora. Elektroliza je proces korištenja električne energije za razdvajanje vode na vodik i kisik. Ova reakcija odvija se u jedinici koja se zove elektrolizer. Veličine elektrolizera mogu varirati od male opreme veličine uređaja koja je prikladna za distribuiranu proizvodnju vodika u malim razmjerima do velikih, središnjih proizvodnih postrojenja koja se mogu izravno povezati s obnovljivim izvorima energije ili drugim oblicima koji ne emitiraju stakleničke plinove. proizvodnja električne energije.

Kako radi
Kao i gorivne ćelije, elektrolizeri se sastoje od anode i katode odvojene elektrolitom. Različiti elektrolizatori funkcioniraju na različite načine, uglavnom zbog različite vrste uključenog elektrolita i ionskih vrsta koje provodi.

Membranski elektrolizatori s polimernim elektrolitom
U elektrolizeru s polimernom elektrolitskom membranom (PEM), elektrolit je čvrsti specijalni plastični materijal.

Voda reagira na anodi stvarajući kisik i pozitivno nabijene ione vodika (protone).
Elektroni teku kroz vanjski krug, a ioni vodika selektivno se kreću preko PEM-a do katode.
Na katodi se ioni vodika spajaju s elektronima iz vanjskog kruga i stvaraju plin vodik. Anodna reakcija: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Katodna reakcija: 4H+ + 4e- → 2H2

Alkalni elektrolizatori
Alkalni elektrolizatori rade putem transporta hidroksidnih iona (OH-) kroz elektrolit od katode do anode pri čemu se vodik stvara na strani katode. Elektrolizatori koji koriste tekuću alkalnu otopinu natrijevog ili kalijevog hidroksida kao elektrolit komercijalno su dostupni već mnogo godina. Noviji pristupi koji koriste čvrste alkalne izmjenjivačke membrane (AEM) kao elektrolit obećavaju u laboratorijskim razmjerima.

Čvrsti oksidni elektrolizatori
Elektrolizatori s čvrstim oksidom, koji koriste čvrsti keramički materijal kao elektrolit koji selektivno provodi negativno nabijene ione kisika (O2-) na povišenim temperaturama, generiraju vodik na nešto drugačiji način.
Para na katodi spaja se s elektronima iz vanjskog strujnog kruga i stvara plin vodik i negativno nabijene ione kisika.
Ioni kisika prolaze kroz čvrstu keramičku membranu i reagiraju na anodi stvarajući plin kisik i stvarajući elektrone za vanjski krug.
Elektrolizatori s čvrstim oksidom moraju raditi na dovoljno visokim temperaturama da membrane s čvrstim oksidom pravilno funkcioniraju (oko 700 stupnjeva – 800 stupnjeva, u usporedbi s PEM elektrolizatorima, koji rade na 70 – 90 stupnjeva, i komercijalnim alkalnim elektrolizerima, koji obično rade na nižim od 100 stupnjeva). Napredni laboratorijski elektrolizatori čvrstog oksida koji se temelje na keramičkim elektrolitima koji provode proton obećavaju snižavanje radne temperature na 500 stupnjeva – 600 stupnjeva. Elektrolizatori krutog oksida mogu učinkovito koristiti toplinu dostupnu na tim povišenim temperaturama (iz raznih izvora, uključujući nuklearnu energiju) kako bi smanjili količinu električne energije potrebne za proizvodnju vodika iz vode.

Zašto se ovaj put razmatra
Elektroliza je vodeći način proizvodnje vodika za postizanje cilja Hydrogen Energy Earthshot smanjenja cijene čistog vodika za 80% na 1 USD po 1 kilogramu u 1 desetljeću ("1 1 1"). Vodik proizveden elektrolizom može dovesti do nulte emisije stakleničkih plinova, ovisno o izvoru korištene električne energije. Izvor potrebne električne energije - uključujući njenu cijenu i učinkovitost, kao i emisije koje proizlaze iz proizvodnje električne energije - mora se uzeti u obzir kada se procjenjuju koristi i ekonomska održivost proizvodnje vodika putem elektrolize. U mnogim regijama zemlje današnja elektroenergetska mreža nije idealna za osiguranje električne energije potrebne za elektrolizu zbog otpuštenih stakleničkih plinova i količine goriva koja je potrebna zbog niske učinkovitosti procesa proizvodnje električne energije. Proizvodnja vodika putem elektrolize nastavlja se za obnovljive izvore (vjetar, sunce, hidro, geotermalna) i nuklearna energija. Ovi putovi proizvodnje vodika rezultiraju gotovo nultom emisijom stakleničkih plinova i kriterijskih onečišćujućih tvari; međutim, trošak proizvodnje treba značajno smanjiti kako bi bio konkurentan sa zrelijim putovima koji se temelje na ugljiku, kao što je reformiranje prirodnog plina.

Potencijal za sinergiju s proizvodnjom energije iz obnovljivih izvora energije
Proizvodnja vodika putem elektrolize može ponuditi mogućnosti sinergije s dinamičkom i povremenom proizvodnjom električne energije, što je karakteristično za neke tehnologije obnovljivih izvora energije. Na primjer, iako je cijena energije vjetra nastavila padati, inherentna varijabilnost vjetra je prepreka učinkovitoj upotrebi energije vjetra. Proizvodnja vodikovog goriva i električne energije mogla bi se integrirati u vjetroelektranu, omogućujući fleksibilnost za preusmjeravanje proizvodnje kako bi se dostupnost resursa najbolje uskladila s operativnim potrebama sustava i tržišnim čimbenicima. Također, u vremenima prekomjerne proizvodnje električne energije iz vjetroelektrana, umjesto smanjenja električne energije kao što se obično radi, moguće je iskoristiti taj višak električne energije za proizvodnju vodika putem elektrolize.

Važno je napomenuti...
Današnja električna mreža nije idealan izvor električne energije za elektrolizu jer se većina električne energije proizvodi pomoću tehnologija koje rezultiraju emisijama stakleničkih plinova i energetski su intenzivne. Proizvodnja električne energije korištenjem tehnologija obnovljive ili nuklearne energije, bilo odvojeno od mreže ili kao rastući dio mrežne mješavine, moguća je opcija za prevladavanje ovih ograničenja za proizvodnju vodika putem elektrolize.

U procesu elektrolize istovremeno se odvijaju dva različita procesa ionizacije. I voda i elektrolit se u ovom slučaju natječu.

Elektrolit prolazi isti proces ionizacije kao i voda. Ista oksidacija i redukcija dogodila bi se u elektrolitu.
Budući da se anion iz elektrolita natječe s hidroksidnim ionima da preda elektron, a kation se natječe s vodikovim ionom da se reducira prihvaćanjem elektrona, elektrolit se mora pažljivo odabrati.

Kation elektrolita mora imati manji elektrodni potencijal od H+. Uvijek upamtite da u bilo kojoj elektrolizi potencijal elektrode kationa elektrolita treba biti manji od potencijala elektrode kationa tvari koja se elektrolizira, a potencijal elektrode aniona elektrolita treba biti veći od potencijala elektrode aniona elektrolita. tvar koja se elektrolizira.

Proizvodnja zelenog vodika korištenjem obnovljivih izvora energije potaknula je dovoljno zanimanja za elektrolizu vode za proizvodnju vodika. Elektroliza vode uz korištenje obnovljivih izvora energije bez emisije CO2 smatra se obećavajućom metodom povećanja stope proizvodnje vodika. U 2020. u svijetu je proizvedeno približno 87 milijuna tona vodika za različite namjene, uključujući rafiniranje nafte, proizvodnju amonijaka (NH3) (putem Haberovog procesa) i metanola (CH3OH) (putem redukcije ugljičnog monoksida [CO]), i kao gorivo za prijevoz. Očekuje se da će potražnja za vodikom dosegnuti 500-680 milijuna MT do 2050. Tržište proizvodnje vodika procijenjeno je na 130 milijardi USD od 2020. do 2021. i očekuje se da će rasti po godišnjoj stopi od 9,2% do 2030. Ali postoji caka: preko 95% trenutne proizvodnje vodika temelji se na fosilnim gorivima, a vrlo malo je "zelenih". Danas se za proizvodnju vodika troši 6% svjetskog prirodnog plina i 2% svjetskog ugljena. Unatoč tome, tehnologije proizvodnje zelenog vodika dobivaju na popularnosti.

Elektroliza je proces koji koristi električnu energiju za razdvajanje vode na H2 i O2. Protok elektrona kroz vodljivi put, kao što je žica, ono je što je elektricitet. Ovaj put je poznat kao krug. Elektroni se kreću zbog razlike električnih potencijala između anode i katode. Anoda ima više elektrona i nestabilnija je zbog nakupljanja elektrona. Elektroni se žele preurediti kako bi eliminirali razliku. Elektroni se odbijaju i pokušavaju premjestiti na mjesto s manje elektrona. To je katoda.
Budući da čista voda ne provodi struju, cijepanje vode je spora redoks reakcija.

Kemija
U elektrolizeru postoji jedna katoda i jedna anoda spojene na izvor struje. Elektroni uvijek teku od anode do katode bez obzira na sve. Katoda je uvijek tamo gdje dolazi do redukcije, stoga elektroni moraju biti tamo. Oksidacija je gubitak elektrona, a redukcija dobivanje elektrona.
Ukratko, na negativno nabijenoj katodi odvija se reakcija redukcije, pri čemu se elektroni (e−) s katode predaju vodikovim kationima kako bi se formirao vodikov plin
Katoda (redukcija): 2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Na pozitivno nabijenoj anodi dolazi do reakcije oksidacije, stvarajući plin kisika i dajući elektrone anodi da dovrše krug
Anoda (oksidacija): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Kombinacija ovih reakcija proizvodi:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 se proizvodi na katodi, a O2 na anodi.
Za elektrolizu vode potrebna je minimalna razlika potencijala od 1,23 volta, iako je pri tom naponu potrebna vanjska toplina iz okoline.

Skupovi bipolarnih ćelija za elektrolizu vode sastoje se od mnogo pojedinačnih elektrokemijskih ćelija u električnim serijama. U praksi, hrpe ćelija za elektrolizu vode koje su upravo zaustavljene mogu zadržati značajan električni naboj zbog zaostalog vodika i kisika koji ostaju unutar svake ćelije. Ostavljen na miru, može proći mnogo sati da se ovaj preostali elektrokemijski naboj rasprši. Osoblje za servis i održavanje sustava mora biti krajnje oprezno ako pokušava servisirati ili zamijeniti ove skupove ćelija ubrzo nakon rada. Na primjer, metalni alat poput ključa mogao bi nenamjerno premostiti prazninu između terminalne ploče s pozitivnom strujom i uzemljenog metalnog potpornog okvira, povlačeći veliku struju ili električni luk s oštećenjem i ozljedom kao neželjenim rezultatom. Osoblje koje ne nosi odgovarajuću izolacijsku zaštitnu opremu također je u opasnosti.

Najbolja praksa za osoblje za održavanje i servis je provjeriti da nema značajnog električnog naboja u nizu ćelija prije uklanjanja sigurnosnih štitnika i električnih veza sa niza ćelija. Osoblju se savjetuje da provede mjerenje napona snopa ćelija kako bi potvrdili da je snop ćelija ispražnjen. U nekim slučajevima, servisno osoblje također može primijeniti ispravno dizajniran servisni alat koji se sastoji od kratkospojnog otpornika velike struje preko ispražnjenog skupa ćelija kao dodatnu zaštitu.

Proizvodi se prodaju u svim regijama Kine i izvoze u zemlje diljem svijeta. Prodani su u više od 20 zemalja i regija uključujući Sjedinjene Države, Njemačku, Maroko, Keniju, Saudijsku Arabiju, Vijetnam, Alžir, Indiju, Tanzaniju i Tajvan. Uspješno pruža dobro poznata poduzeća kao što su China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group i druga poznata poduzeća. Postoje mnoge stanice za hidrogenaciju zelenog vodika kao što su Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, itd. pružaju projekte proizvodnje zelenog vodika i vodika.