Лужний електролізер

Зниження вартості зеленого водню, отриманого електролізом води, є дуже бажаним для зменшення витрат на перехід енергії. Це вимагає не тільки недорогої екологічної електроенергії, але й менших капітальних витрат. Останнє є особливо важливим, оскільки майбутні електролізні установки працюватимуть на основі (надлишкової) змінної відновлюваної електроенергії, що обмежує кількість робочих годин і, отже, збільшує відносний внесок капітальних витрат. Є три способи знизити капітальні витрати: економія на масштабі, економія чисельності та інновації.
«Економія від масштабу» означає, що великі заводи відносно дешевші. У хімічній промисловості типово, що завод, який у десять разів більший, лише в п’ять разів дорожчий, тобто капітальні витрати на одиницю виробленого продукту в два рази нижчі. Питання полягає в тому, чи буде це масштабування також застосовано до електролізних установок, оскільки електролізери погано «масштабуються»: через обмеження в управлінні теплом поточні лужні стеки обмежені розміром приблизно 10 МВт, і не очікується, що це число значно збільшиться в майбутнє. Це означає, що для великих заводів електролізери просто потрібно буде «пронумерувати», маючи на увазі, що переваги електролізерів у масштабі обмежені. У той же час стеки становлять лише 10-20% загальних витрат заводу, а інші 80-90% витрат добре масштабуються. Таким чином, ми все ще очікуємо гарної економії на масштабі для заводів з електролізу води, хоча вони можуть бути дещо менш сприятливими, ніж для звичайних хімічних заводів.
«Економія кількості» означає, що коли виробляється більше одиниць одного продукту, вони стають дешевшими через автоматизоване виробництво та іншу оптимізацію ланцюжка поставок. Найвідомішим прикладом є сонячні батареї, де таким чином вдалося досягти значного зниження витрат. Крім того, у сфері електролізерів існує величезний потенціал для «економії на масштабі», оскільки наразі більшість електролізерів все ще виготовляються дуже трудомістким способом із ручним складанням елементів у стопки. Через зростання попиту на електролізери ми вже бачимо, як виробники починають розробляти автоматизовані виробничі лінії, що призводить до значного зниження витрат.
І «економія масштабу», і «економія цифр» сприятимуть зниженню витрат, але між ними також існує компроміс: більші стеки та модулі (до яких входять насоси, газорідинні сепаратори та теплообмінники) означають, що кількість одиниць буде меншою, а отже, і переваги «економії чисельності» будуть меншими. Однак ринок електролізерів для води буде настільки великим, що навіть із великими стеками та модулями все одно буде помітна «економія чисел». Це означає, що для електролізу води «економія масштабу» та «економія цифр» можуть доповнювати один одного.
Ще одним головним фактором зниження витрат будуть інновації. Незважаючи на те, що лужна технологія існує вже понад 100 років, все ще є достатньо можливостей для технічних інновацій, особливо щодо щільності струму, при якій технологія працює. Порівняно з традиційною технологією лужного електролізу, щільність струму можна збільшити більш ніж у п’ять разів завдяки інноваціям у діафрагмі, електродних покриттях і конструкції елемента. На рисунку 3 показано схематичне зображення концептуальної системи лужного електролізу, яка може з’явитися на ринку в 2030 році. Таблиця 2 показує відповідні робочі характеристики такого електролізера, показуючи, що вихід водню з такого електролізера може бути в десять разів вищим, ніж традиційний лужні електролізери. Це фактично знижує витрати на вироблений водень, оскільки стек не в десять разів дорожчий за традиційний.

Є багато способів, якими електроліз виробництва водню може принести користь окремим особам, а також підприємствам. Можливо, головною перевагою цієї технології є виробництво зеленого водню на відміну від використання блакитного водню (продукту, отриманого з традиційних джерел викопного палива, наприклад природного газу). Іншими словами, електролізер пропонує відновлюваний засіб для виробництва енергії.

Тому зрозуміло, чому електролізер часто використовується в промисловості водневих паливних елементів. Цей газ можна збирати та зберігати, щоб заряджати клітини після того, як вони виснажаться; значно подовжуючи термін їх служби, забезпечуючи при цьому надійні джерела енергії.

Інше цікаве застосування, пов’язане зі зберіганням водню, полягає в тому, як його можна інтегрувати в існуючі зелені технології. Наприклад, можуть бути випадки, коли вітрові турбіни не можуть виробляти достатній рівень потужності через погодні умови. Електролізер на місці може бути використаний як резервна система.

Інший випадок стосується ситуацій, коли виробляється надмірна кількість електроенергії. На відміну від згортання виробництва, цю потужність можна перенаправити на електролізер; що призводить до більш адекватних запасів водню для майбутнього використання.[9]

Лужний електроліз води виділяється своєю винятковою масштабованістю, легко пристосовуючись до різноманітних потреб виробництва водню. Ця універсальність робить його застосовним у різних сценаріях, від скромних ініціатив до масштабних промислових процесів. Крім того, подовжений термін служби лужного електролізу забезпечує послідовне та стабільне постачання воднем протягом тривалого часу.
Економічна ефективність лужного електролізу є ще однією помітною перевагою, оскільки для його обладнання потрібні менш дорогі матеріали порівняно з альтернативними методами виробництва водню. Ця доступність розширює його доступність, розширюючи його привабливість для різноманітної бази користувачів, включаючи малі підприємства та дослідницькі установи.

Простота визначає технічне обслуговування систем лужного електролізу. Їх проста конструкція вимагає мінімальної уваги та обслуговування, усуваючи необхідність у спеціальних навичках або дорогому технічному обслуговуванні, що робить його зручним вибором для виробництва водню.

Робота при нижчих температурах є ключовою перевагою лужного електролізу, що сприяє зменшенню споживання енергії та підвищенню загальної ефективності. Цей енергозберігаючий процес призводить до економії коштів і зменшення впливу на навколишнє середовище.
Виробництво водню високої чистоти є додатковою перевагою лужного електролізу, особливо важливою для застосувань у таких галузях, як паливні елементи та хімічна промисловість. Гарантія найвищої продуктивності та надійності в цих секторах робить лужний електроліз кращим методом виробництва водню.

Нарешті, заслуговує на увагу екологічний потенціал лужного електролізу. Завдяки інтеграції відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна або вітрова енергія, процес значно скорочує викиди вуглецю та зменшує залежність від викопного палива, узгоджуючи головну мету сприяння стійкій та екологічно свідомій енергетичній системі.

Таким чином, лужний електроліз води пропонує багатогранний набір переваг для виробництва водню. Його масштабованість, економічна ефективність, невибагливість у обслуговуванні, здатність працювати при низьких температурах, вихід водню високої чистоти та екологічні характеристики позиціонують його як переконливе рішення для різних застосувань. Незалежно від того, чи використовується лужний електроліз води в невеликих проектах чи у великих промислових умовах, він є надійним і стійким джерелом водню.

Лужний електролізер — це пристрій, який використовує розчин електроліту, як правило, гідроксид калію або натрію, для розщеплення молекул води на водень і кисень за допомогою процесу, який називається електролізом. Хімічний принцип лужного електролізера базується на принципах електрохімії. В електрохімії хімічні реакції відбуваються шляхом перенесення електронів від однієї речовини до іншої. Коли електричний струм прикладається до розчину електроліту, це викликає процес електроліту, який називається електролізом. Під час цього процесу електричний струм розщеплює молекули води на атоми водню та кисню, що входять до їх складу.
У лужному електролізері процес стає можливим завдяки наявності розчину електроліту, який містить іони гідроксиду (OH-), які полегшують перенесення електронів між електродами та молекулами води. Іони гідроксиду притягуються до позитивно зарядженого анода (електрод, підключений до позитивної клеми джерела живлення), а іони водню (H+) притягуються до негативно зарядженого катода (електрод, підключений до негативної клеми джерела живлення). .
На аноді молекули води окислюються з утворенням газоподібного кисню та позитивно заряджених іонів водню: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
На катоді іони водню відновлюються з утворенням газоподібного водню: 4H+ + 4e- → 2H2
Загалом реакцію можна виразити так: 2H2O → 2H2 + O2
Розчин електроліту відіграє важливу роль у процесі, забезпечуючи провідне середовище для потоку електронів між електродами та молекулами води. Гідроксид-іони в розчині електроліту також допомагають підтримувати стабільний рівень pH, що важливо для ефективної роботи електролізера.
Таким чином, лужний електролізер працює за допомогою розчину електроліту для полегшення передачі електронів між електродами та молекулами води, що призводить до утворення водню та кисню.

Лужні електролізери зазвичай виготовляються з матеріалів, які є стійкими до корозії та можуть витримувати суворі умови процесу електролізу. Основні матеріали, що використовуються в лужних електролізерах, включають:

Електроди:Електроди в лужних електролізерах зазвичай виготовляються з нікелю, нікельованої сталі або титану, покритого сплавом на основі нікелю. Ці матеріали стійкі до корозії та можуть витримувати суворі умови процесу електролізу.

Мембрана:Лужні електролізери використовують рідкий КОН-електроліт, тому для них не потрібна мембрана.

Компоненти клітини:Компоненти комірок у лужних електролізерах, такі як корпуси комірок, сепаратори та резервуари під тиском, зазвичай виготовляються з таких матеріалів, як нержавіюча сталь, вуглецева сталь або нікелеві сплави. Ці матеріали стійкі до корозії та можуть витримувати суворі умови процесу електролізу.

Лужні електролізери є економічно вигідним і ефективним варіантом для виробництва водню. Вони мають ряд переваг перед іншими типами електролізерів, включаючи вищу енергоефективність, низьку вартість, виробництво водню високої чистоти та механічну міцність. Лужні електролізери виготовлені з використанням матеріалів, стійких до корозії та здатних витримувати суворі умови процесу електролізу, наприклад нікелю, нікельованої сталі, титану, покритого сплавом на основі нікелю, нержавіючої сталі, вуглецевої сталі та нікелевих сплавів. Використовуючи лужні електролізери, промисловість може виробляти водень високої чистоти ефективніше та з нижчою ціною, сприяючи більш стійкому та екологічно чистому майбутньому.

Продукція продається в усіх регіонах Китаю та експортується в країни світу. Вони були продані в понад 20 країнах і регіонах, включаючи Сполучені Штати, Німеччину, Марокко, Кенію, Саудівську Аравію, В’єтнам, Алжир, Індію, Танзанію та Тайвань. Успішно надані такі відомі підприємства, як China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group та інші відомі підприємства. Існує багато станцій гідрогенізації зеленого водню, таких як Вуланчабу, Хайкоу, Хайнань, Хайнань Хайкоу, Юньнань Куньмін тощо, які забезпечують проекти з виробництва екологічно чистого водню.