Електролізер води для водню

Електроліз є перспективним варіантом безвуглецевого виробництва водню з відновлюваних і ядерних ресурсів. Електроліз - це процес використання електрики для розщеплення води на водень і кисень. Ця реакція відбувається в установці, що називається електролізером. Електролізери можуть варіюватися за розміром від невеликого обладнання розміром із прилад, яке добре підходить для дрібномасштабного розподіленого виробництва водню, до великомасштабних центральних виробничих потужностей, які можуть бути безпосередньо пов’язані з відновлюваними джерелами енергії чи іншими формами, що не викидають парникових газів. виробництво електроенергії.

Як це працює
Як і паливні елементи, електролізери складаються з анода та катода, розділених електролітом. Різні електролізери функціонують по-різному, в основному через різний тип електролітного матеріалу та іонів, які він проводить.

Мембранні електролізери з полімерним електролітом
В електролізері з полімерною електролітичною мембраною (PEM) електроліт є твердим спеціальним пластиковим матеріалом.

Вода реагує на аноді з утворенням кисню та позитивно заряджених іонів водню (протонів).
Електрони протікають через зовнішній контур, а іони водню вибірково рухаються через PEM до катода.
На катоді іони водню поєднуються з електронами із зовнішнього контуру, утворюючи газоподібний водень. Анодна реакція: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Катодна реакція: 4H+ + 4e- → 2H2

Лужні електролізери
Лужні електролізери працюють за допомогою транспортування іонів гідроксиду (OH-) через електроліт від катода до анода, при цьому водень генерується на стороні катода. Електролізери, що використовують рідкий лужний розчин гідроксиду натрію або калію як електроліт, були комерційно доступними протягом багатьох років. Новіші підходи з використанням твердих лужно-обмінних мембран (AEM) як електроліту є перспективними в лабораторних масштабах.

Твердооксидні електролізери
Електролізери з твердим оксидом, які використовують твердий керамічний матеріал як електроліт, який вибірково проводить негативно заряджені іони кисню (O2-) за підвищених температур, генерують водень дещо іншим способом.
Пара на катоді поєднується з електронами із зовнішнього контуру, утворюючи газоподібний водень і негативно заряджені іони кисню.
Іони кисню проходять через тверду керамічну мембрану та реагують на аноді, утворюючи газоподібний кисень і генеруючи електрони для зовнішнього контуру.
Електролізери з твердим оксидом повинні працювати при досить високих температурах, щоб твердооксидні мембрани працювали належним чином (приблизно 700–800 градусів, у порівнянні з електролізерами PEM, які працюють при 70–90 градусах, і комерційними лужними електролізерами, які зазвичай працюють при меншій 100 градусів). Удосконалені лабораторні твердооксидні електролізери на основі керамічних електролітів з протонною провідністю можуть знизити робочу температуру до 500–600 градусів. Електролізери для твердих оксидів можуть ефективно використовувати тепло, доступне при цих високих температурах (з різних джерел, включаючи ядерну енергію), щоб зменшити кількість електричної енергії, необхідної для виробництва водню з води.

Чому цей шлях розглядається
Електроліз є провідним способом виробництва водню для досягнення мети Hydrogen Energy Earthshot щодо зниження вартості чистого водню на 80% до 1 долара США за 1 кілограм за 1 десятиліття ("1 1 1"). Водень, отриманий за допомогою електролізу, може призвести до нульових викидів парникових газів, залежно від джерела використовуваної електроенергії. Джерело необхідної електроенергії, включаючи її вартість і ефективність, а також викиди в результаті виробництва електроенергії, необхідно враховувати при оцінці переваг і економічної доцільності виробництва водню за допомогою електролізу. У багатьох регіонах країни сучасна електромережа не є ідеальною для забезпечення електроенергією, необхідною для електролізу, через викид парникових газів і кількість необхідного палива через низьку ефективність процесу виробництва електроенергії. Виробництво водню за допомогою електролізу використовується для відновлюваної (вітерової, сонячної, гідро-, геотермальної) і ядерної енергії. Ці шляхи виробництва водню призводять до практично нульового викиду парникових газів і критеріальних викидів забруднюючих речовин; однак витрати на виробництво необхідно значно знизити, щоб бути конкурентоспроможними з більш зрілими вуглецевими шляхами, такими як риформінг природного газу.

Потенціал синергії з виробництвом електроенергії з відновлюваних джерел енергії
Виробництво водню за допомогою електролізу може запропонувати можливості для синергії з динамічним і періодичним виробництвом електроенергії, що характерно для деяких технологій відновлюваної енергетики. Наприклад, хоча вартість енергії вітру продовжує падати, властива мінливість вітру є перешкодою для ефективного використання енергії вітру. Водневе паливо та виробництво електроенергії можуть бути інтегровані у вітрову електростанцію, що дозволить гнучко переносити виробництво, щоб найкраще відповідати доступності ресурсів робочим потребам системи та ринковим факторам. Крім того, у часи надмірного виробництва електроенергії на вітрових електростанціях замість скорочення електроенергії, як це зазвичай робиться, можна використовувати цю надлишкову електроенергію для виробництва водню за допомогою електролізу.

Важливо відзначити...
Сучасна електромережа не є ідеальним джерелом електроенергії для електролізу, оскільки більша частина електроенергії виробляється за допомогою технологій, які призводять до викидів парникових газів і є енергоємними. Виробництво електроенергії з використанням технологій відновлюваної або ядерної енергії, або окремо від мережі, або як зростаюча частина суміші мереж, є можливим варіантом подолання цих обмежень для виробництва водню за допомогою електролізу.

У процесі електролізу одночасно відбуваються два різні процеси іонізації. У цьому випадку конкурують вода і електроліт.

Електроліт проходить той самий процес іонізації, що й вода. Таке ж окислення і відновлення відбувалося б в електроліті.
Оскільки аніон з електроліту конкурує з іонами гідроксиду, щоб віддати електрон, а катіон конкурує з іоном водню, щоб відновитися, приймаючи електрон, електроліт потрібно вибирати обережно.

Катіон електроліту повинен мати менший електродний потенціал, ніж Н+. Завжди пам’ятайте, що під час будь-якого електролізу електродний потенціал катіону електроліту має бути меншим за електродний потенціал катіону речовини, що електролізується, а електродний потенціал аніону електроліту має бути більшим за електродний потенціал аніону електроліту. речовина, що піддається електролізу.

Виробництво зеленого водню з використанням відновлюваних джерел енергії викликало достатній інтерес до електролізу води для виробництва водню. Електроліз води з використанням відновлюваних джерел енергії без викидів CO2 розглядається як перспективний метод збільшення швидкості виробництва водню. У 2020 році в усьому світі було вироблено приблизно 87 мільйонів тонн водню для різних цілей, включаючи переробку нафти, виробництво аміаку (NH3) (через процес Хабера) і метанолу (CH3OH) (через відновлення чадного газу [CO]), а також як транспортне паливо. Очікується, що до 2050 року попит на водень досягне 500-680 мільйонів тонн. З 2020 по 2021 рік ринок виробництва водню оцінювався в 130 мільярдів доларів США, і очікується, що він зростатиме на 9,2% щорічно до 2030 року. Але є одна заковика: Понад 95% нинішнього виробництва водню базується на викопному паливі, при цьому дуже мало є «зеленим». Сьогодні виробництво водню споживає 6% світового природного газу та 2% світового вугілля. Незважаючи на це, технології виробництва зеленого водню набувають популярності.

Електроліз - це процес, який використовує електрику для розщеплення води на H2 і O2. Потік електронів через провідний шлях, такий як дріт, ось що таке електрика. Цей шлях відомий як ланцюг. Електрони рухаються за рахунок різниці електричних потенціалів між анодом і катодом. Анод має більше електронів і більш нестабільний через скупчення електронів. Електрони хочуть перегрупуватися, щоб усунути різницю. Електрони відштовхуються один від одного і намагаються переміститися в місце з меншою кількістю електронів. Тобто катод.
Оскільки чиста вода не проводить електрику, розщеплення води є повільною окисно-відновною реакцією.

Хімія
В електролізері є один катод і один анод, підключені до джерела струму. Електрони завжди течуть від анода до катода, незважаючи ні на що. Катод завжди знаходиться там, де відбувається відновлення, тому там повинні бути електрони. Окислення - це втрата електронів, а відновлення - отримання електронів.
Коротко кажучи, на негативно зарядженому катоді відбувається реакція відновлення, коли електрони (e−) від катода передаються катіонам водню з утворенням газоподібного водню.
Катод (відновлення): 2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
На позитивно зарядженому аноді відбувається реакція окислення, утворюючи газоподібний кисень і віддаючи електрони аноду для завершення ланцюга
Анод (окислення): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Поєднання цих реакцій призводить до:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 утворюється на катоді, а O2 — на аноді.
Електроліз води вимагає мінімальної різниці потенціалів 1,23 вольта, хоча при цій напрузі потрібне зовнішнє тепло від навколишнього середовища.

Блоки біполярних елементів для електролізу води складаються з багатьох окремих електрохімічних елементів у електричних рядах. На практиці щойно зупинені стеки водяних електролізних елементів можуть зберігати значний електричний заряд через залишковий водень і кисень, що залишаються в кожній клітині. Залишений сам по собі, може знадобитися багато годин, щоб цей залишковий електрохімічний заряд розвіявся. Обслуговуючий і обслуговуючий персонал системи повинен проявляти надзвичайну обережність, намагаючись обслуговувати або замінювати ці стеки елементів незабаром після роботи. Наприклад, металевий інструмент, як-от гайковий ключ, може ненавмисно закрити проміжок між клемною пластиною позитивного струму комірок і заземленою металевою опорною рамою, викликаючи великий струм або електричну дугу з пошкодженням і травмами як небажаний результат. Персонал, який не носить відповідного ізолюючого захисного спорядження, також піддається ризику.

Найкраща практика для технічного та обслуговуючого персоналу полягає в тому, щоб перед видаленням захисних захисних кожухів і електричних з’єднань у комплекті елементів переконатися, що в комплекті елементів немає значного електричного заряду. Персоналу рекомендовано виконати вимірювання напруги на панелі елементів, щоб переконатися, що набір елементів розряджений. У деяких випадках обслуговуючий персонал може також застосувати належним чином сконструйований сервісний інструмент, що складається з сильнострумного короткозамикаючого резистора на розрядженій комірці як додатковий запобіжний засіб.

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.