Vodeni elektrolizator za vodonik

Elektroliza je obećavajuća opcija za proizvodnju vodika bez ugljenika iz obnovljivih i nuklearnih izvora. Elektroliza je proces korištenja električne energije za razdvajanje vode na vodik i kisik. Ova reakcija se odvija u jedinici koja se zove elektrolizer. Elektrolizatori mogu biti u rasponu veličine od male opreme veličine uređaja koja je dobro prikladna za malu distribuiranu proizvodnju vodonika do velikih, centralnih proizvodnih objekata koji bi mogli biti direktno povezani s obnovljivim ili drugim oblicima koji ne emituju stakleničke plinove. proizvodnja električne energije.

Kako to radi
Kao i gorivne ćelije, elektrolizatori se sastoje od anode i katode odvojene elektrolitom. Različiti elektrolizatori funkcionišu na različite načine, uglavnom zbog različite vrste materijala elektrolita koji je uključen i jonskih vrsta koje provodi.

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

Voda reagira na anodi i formira kisik i pozitivno nabijene vodikove ione (protone).
Elektroni teku kroz eksterno kolo, a joni vodonika selektivno se kreću preko PEM-a do katode.
Na katodi se ioni vodika kombinuju sa elektronima iz vanjskog kola i formiraju vodonik. Anodna reakcija: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Katodna reakcija: 4H+ + 4e- → 2H2

Alkalni elektrolizatori
Alkalni elektrolizatori rade putem transporta hidroksidnih jona (OH-) kroz elektrolit od katode do anode pri čemu se na strani katode stvara vodonik. Elektrolizatori koji koriste tečnu alkalnu otopinu natrijevog ili kalijevog hidroksida kao elektrolita komercijalno su dostupni već dugi niz godina. Noviji pristupi koji koriste čvrste alkalne izmjenjivačke membrane (AEM) kao elektrolit obećavaju na laboratorijskoj skali.

Elektrolizatori sa čvrstim oksidom
Čvrsti oksidni elektrolizatori, koji koriste čvrsti keramički materijal kao elektrolit koji selektivno provodi negativno nabijene ione kisika (O2-) na povišenim temperaturama, stvaraju vodonik na nešto drugačiji način.
Para na katodi se kombinuje s elektronima iz vanjskog kruga i formira plin vodonik i negativno nabijene ione kisika.
Joni kiseonika prolaze kroz čvrstu keramičku membranu i reaguju na anodi da formiraju gas kiseonika i generišu elektrone za spoljni krug.
Elektrolizatori sa čvrstim oksidom moraju raditi na temperaturama koje su dovoljno visoke da bi membrane od čvrstog oksida pravilno funkcionisale (oko 700 stepeni -800 stepeni, u poređenju sa PEM elektrolizerima, koji rade na 70 stepeni -90 stepeni, i komercijalnim alkalnim elektrolizerima, koji obično rade na manje od 100 stepeni). Napredni elektrolizatori sa čvrstim oksidom u laboratoriji zasnovani na keramičkim elektrolitima koji provode proton obećavaju da će sniziti radnu temperaturu na 500-600 stepeni. Čvrsti oksidni elektrolizatori mogu učinkovito koristiti toplinu dostupnu na ovim povišenim temperaturama (iz različitih izvora, uključujući nuklearnu energiju) da smanje količinu električne energije potrebne za proizvodnju vodika iz vode.

Zašto se ovaj put razmatra
Elektroliza je vodeći put proizvodnje vodonika za postizanje cilja Hydrogen Energy Earthshot smanjenja troškova čistog vodonika za 80% na 1 USD po 1 kilogramu u jednoj deceniji ("1 1 1"). Vodik proizveden elektrolizom može dovesti do nulte emisije stakleničkih plinova, ovisno o izvoru električne energije. Izvor potrebne električne energije – uključujući njenu cijenu i efikasnost, kao i emisije koje proizlaze iz proizvodnje električne energije – moraju se uzeti u obzir kada se procjenjuju prednosti i ekonomska održivost proizvodnje vodonika putem elektrolize. U mnogim regionima zemlje današnja elektroenergetska mreža nije idealna za obezbeđivanje električne energije potrebne za elektrolizu zbog otpuštenih gasova staklene bašte i potrebne količine goriva zbog niske efikasnosti procesa proizvodnje električne energije. Proizvodnja vodika putem elektrolize se nastavlja za opcije obnovljive (vjetar, solarna, hidro, geotermalna) i nuklearne energije. Ovi putevi proizvodnje vodonika rezultiraju praktički nultim emisijama stakleničkih plinova i kriterijima zagađivača; međutim, troškovi proizvodnje moraju se značajno smanjiti kako bi bili konkurentni sa zrelijim putevima baziranim na ugljiku, kao što je reforma prirodnog gasa.

Potencijal za sinergiju sa proizvodnjom energije iz obnovljivih izvora
Proizvodnja vodonika putem elektrolize može ponuditi mogućnosti za sinergiju sa dinamičkom i povremenom proizvodnjom energije, što je karakteristično za neke tehnologije obnovljive energije. Na primjer, iako je cijena energije vjetra nastavila da opada, inherentna varijabilnost vjetra predstavlja prepreku za efikasno korištenje energije vjetra. Proizvodnja vodikovog goriva i električne energije mogla bi se integrirati u vjetroelektranu, omogućavajući fleksibilnost prebacivanja proizvodnje kako bi se najbolje uskladila dostupnost resursa s operativnim potrebama sistema i tržišnim faktorima. Također, u vremenima viška proizvodnje električne energije iz vjetroelektrana, umjesto smanjenja električne energije kao što se uobičajeno radi, moguće je iskoristiti ovaj višak električne energije za proizvodnju vodonika putem elektrolize.

Važno je napomenuti...
Današnja električna energija iz mreže nije idealan izvor električne energije za elektrolizu jer se većina električne energije proizvodi korištenjem tehnologija koje rezultiraju emisijom stakleničkih plinova i energetski su intenzivne. Proizvodnja električne energije korištenjem obnovljivih ili nuklearnih energetskih tehnologija, bilo odvojeno od mreže, ili kao rastući dio mješavine mreže, moguća je opcija za prevazilaženje ovih ograničenja za proizvodnju vodika putem elektrolize.

U procesu elektrolize, dva različita procesa jonizacije se odvijaju istovremeno. U ovom slučaju se takmiče i voda i elektrolit.

Elektrolit prolazi kroz isti proces jonizacije kao i voda. Ista oksidacija i redukcija bi se dogodile u elektrolitu.
Budući da se anjon iz elektrolita natječe s hidroksidnim ionima da bi odustao od elektrona, a kation se natječe s ionom vodika da bi se reducirao prihvatanjem elektrona, elektrolit se mora pažljivo odabrati.

Kation elektrolita mora imati niži elektrodni potencijal od H+. Uvijek imajte na umu da u svakoj elektrolizi elektrodni potencijal katjona elektrolita treba biti manji od elektrodnog potencijala kationa tvari koja se elektrolizuje, a elektrodni potencijal anjona elektrolita trebao bi biti veći od elektrodnog potencijala anjona elektrolita. supstanca koja se elektrolizuje.

Proizvodnja zelenog vodonika korištenjem obnovljivih izvora energije izazvala je dovoljno zanimanja za elektrolizu vode za proizvodnju vodika. Elektroliza vode korištenjem obnovljivih izvora energije bez emisije CO2 smatra se obećavajućim metodom povećanja stope proizvodnje vodonika. U 2020. godini u svijetu je proizvedeno približno 87 miliona tona vodika za različite namjene, uključujući preradu nafte, proizvodnju amonijaka (NH3) (preko Haberovog procesa) i metanola (CH3OH) (putem redukcije ugljičnog monoksida [CO]), i kao transportno gorivo. Očekuje se da će potražnja za vodonikom dostići 500-680 miliona MT do 2050. Tržište proizvodnje vodonika procijenjeno je na 130 milijardi dolara od 2020. do 2021. i očekuje se da će rasti po godišnjoj stopi od 9,2% do 2030. Ali postoji kvaka: preko 95% trenutne proizvodnje vodonika zasniva se na fosilnim gorivima, a vrlo malo je "zelenih". Danas se na proizvodnju vodonika troši 6% globalnog prirodnog gasa i 2% globalnog uglja. Ipak, tehnologije proizvodnje zelenog vodonika postaju sve popularnije.

Elektroliza je proces koji koristi električnu energiju za razdvajanje vode na H2 i O2. Protok elektrona kroz provodljivu stazu, kao što je žica, je ono što je elektricitet. Ovaj put je poznat kao kolo. Elektroni se kreću zbog razlike električnog potencijala između anode i katode. Anoda ima više elektrona i nestabilnija je zbog gomilanja elektrona. Elektroni se žele preurediti kako bi eliminisali razliku. Elektroni se međusobno odbijaju i pokušavaju se pomaknuti na lokaciju s manje elektrona. To je katoda.
Budući da čista voda ne provodi struju, cijepanje vode je spora redoks reakcija.

hemija
U elektrolizeru su jedna katoda i jedna anoda spojene na izvor napajanja. 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 je dobitak elektrona.
Ukratko, na negativno nabijenoj katodi odvija se reakcija redukcije, pri čemu se elektroni (e−) sa katode daju kationima vodonika kako bi formirali plinoviti vodonik
Katoda (redukcija):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Na pozitivno nabijenoj anodi dolazi do oksidacijske reakcije, stvarajući plin kisika i dajući elektrone anodi da završe 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.

Bipolarne ćelije za elektrolizu vode se sastoje od mnogih pojedinačnih elektrohemijskih ćelija u električnim serijama. U praksi, slojevi ćelija za elektrolizu vode koji su upravo zaustavljeni mogu zadržati značajan električni naboj zbog preostalog vodonika i kisika koji ostaju unutar svake ćelije. Ako ostanemo sami, može proći mnogo sati da se ovaj preostali elektrohemijski naboj rasprši. Osoblje za servisiranje i održavanje sistema mora biti izuzetno oprezno ako pokušava servisirati ili zamijeniti ove naslage ćelija ubrzo nakon rada. Na primjer, metalni alat kao što je ključ mogao bi nenamjerno premostiti jaz između priključne ploče pozitivne struje u nizu ćelija i uzemljenog metalnog potpornog okvira, povlačeći veliku struju ili električni luk sa oštećenjem i ozljedom kao neželjenim rezultatom. Ugroženo je i osoblje koje ne nosi odgovarajuću izolacionu zaštitnu opremu.

Najbolja praksa za osoblje za održavanje i servis je da provjere da nema značajnog električnog naboja u sloju ćelija prije nego što uklone sigurnosne štitnike i električne priključke sa sloja ćelija. Osoblju se savjetuje da izvrši mjerenje napona u kućištu ćelija kako bi se potvrdilo da je snop ćelija ispražnjen. U nekim slučajevima, servisno osoblje može također primijeniti pravilno dizajniran servisni alat sastavljen od visokostrujnog kratkog otpornika preko ispražnjene ćelije kao dodatnu zaštitu.

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