Electrolizor de apă pentru hidrogen

Electroliza este o opțiune promițătoare pentru producția de hidrogen fără carbon din resurse regenerabile și nucleare. Electroliza este procesul de utilizare a energiei electrice pentru a împărți apa în hidrogen și oxigen. Această reacție are loc într-o unitate numită electrolizor. Electrolizoarele pot varia ca dimensiuni, de la echipamente mici, de dimensiunea unui aparat, care sunt potrivite pentru producția distribuită de hidrogen la scară mică, până la instalații de producție centrale la scară mare, care ar putea fi legate direct de surse regenerabile sau alte forme care nu emit gaze cu efect de seră. producerea de energie electrică.

Cum functioneazã
La fel ca celulele de combustibil, electrolizoarele constau dintr-un anod și un catod separat de un electrolit. Diferite electrolizoare funcționează în moduri diferite, în principal datorită tipului diferit de material electrolit implicat și speciilor ionice pe care le conduce.

Electrolizoare cu membrană electrolitică polimerică
Într-un electrolizor cu membrană de electrolit polimeric (PEM), electrolitul este un material plastic solid de specialitate.

Apa reacționează la anod pentru a forma oxigen și ioni de hidrogen încărcați pozitiv (protoni).
Electronii curg printr-un circuit extern, iar ionii de hidrogen se deplasează selectiv prin PEM către catod.
La catod, ionii de hidrogen se combină cu electronii din circuitul extern pentru a forma hidrogen gazos. Reacția anodului: 2H2O → O2 + 4H{+ + 4e-Reacția catodic: 4H+ + 4e- → 2H2

Electrolizoare alcaline
Electrolizoarele alcaline funcționează prin transportul ionilor de hidroxid (OH-) prin electrolit de la catod la anod, hidrogen fiind generat pe partea catodului. Electrolizoarele care utilizează o soluție alcalină lichidă de hidroxid de sodiu sau potasiu ca electrolit sunt disponibile comercial de mulți ani. Abordările mai noi care utilizează membrane de schimb alcalin solide (AEM) ca electrolit sunt promițătoare la scara de laborator.

Electrolizoare cu oxid solid
Electrolizoarele cu oxid solid, care utilizează un material ceramic solid ca electrolit care conduce selectiv ionii de oxigen încărcați negativ (O2-) la temperaturi ridicate, generează hidrogen într-un mod ușor diferit.
Aburul de la catod se combină cu electronii din circuitul extern pentru a forma hidrogen gazos și ioni de oxigen încărcați negativ.
Ionii de oxigen trec prin membrana ceramică solidă și reacționează la anod pentru a forma oxigen gazos și generează electroni pentru circuitul extern.
Electrolizoarele cu oxid solid trebuie să funcționeze la temperaturi suficient de ridicate pentru ca membranele de oxid solid să funcționeze corect (aproximativ 700 grade -800 grade , în comparație cu electrolizoarele PEM, care funcționează la 70 grade -90 grade , și electrolizoarele alcaline comerciale, care funcționează de obicei la mai puțin de 100 de grade). Electrolizoarele avansate de oxid solid la scară de laborator, bazate pe electroliți ceramici conducători de protoni, sunt promițătoare pentru scăderea temperaturii de funcționare la 500-600 de grade. Electrolizoarele cu oxid solid pot folosi eficient căldura disponibilă la aceste temperaturi ridicate (din diverse surse, inclusiv energie nucleară) pentru a reduce cantitatea de energie electrică necesară pentru a produce hidrogen din apă.

De ce este luată în considerare această cale
Electroliza este o cale principală de producție a hidrogenului pentru atingerea obiectivului Hydrogen Energy Earthshot de a reduce costul hidrogenului curat cu 80% la 1 USD pe 1 kilogram într-un deceniu ("1 1 1"). Hidrogenul produs prin electroliză poate duce la zero emisii de gaze cu efect de seră, în funcție de sursa de energie electrică utilizată. Sursa energiei electrice necesare - inclusiv costul și eficiența acesteia, precum și emisiile rezultate din generarea de energie electrică - trebuie luate în considerare atunci când se evaluează beneficiile și viabilitatea economică a producției de hidrogen prin electroliză. În multe regiuni ale țării, rețeaua electrică de astăzi nu este ideală pentru furnizarea energiei electrice necesare electrolizei din cauza gazelor cu efect de seră degajate și a cantității de combustibil necesară din cauza eficienței scăzute a procesului de generare a energiei electrice. Producția de hidrogen prin electroliză este urmărită pentru opțiunile de energie regenerabilă (eoliană, solară, hidro, geotermală) și nucleară. Aceste căi de producție de hidrogen au ca rezultat practic zero emisii de gaze cu efect de seră și emisii de poluanți; cu toate acestea, costul de producție trebuie redus semnificativ pentru a fi competitiv cu căi mai mature bazate pe carbon, cum ar fi reformarea gazelor naturale.

Potențial de sinergie cu generarea de energie din surse regenerabile
Producția de hidrogen prin electroliză poate oferi oportunități de sinergie cu generarea de energie dinamică și intermitentă, care este caracteristică unor tehnologii de energie regenerabilă. De exemplu, deși costul energiei eoliene a continuat să scadă, variabilitatea inerentă a vântului este un impediment pentru utilizarea eficientă a energiei eoliene. Combustibilul cu hidrogen și generarea de energie electrică ar putea fi integrate într-un parc eolian, permițând flexibilitate pentru a schimba producția pentru a potrivi cel mai bine disponibilitatea resurselor cu nevoile operaționale ale sistemului și cu factorii de piață. De asemenea, în perioadele de producție în exces de energie electrică din parcuri eoliene, în loc de a reduce energia electrică, așa cum se face în mod obișnuit, este posibil să se utilizeze acest exces de electricitate pentru a produce hidrogen prin electroliză.

Este important de reținut...
Electricitatea din rețea de astăzi nu este sursa ideală de electricitate pentru electroliză, deoarece cea mai mare parte a energiei electrice este generată folosind tehnologii care duc la emisii de gaze cu efect de seră și sunt consumatoare de energie. Generarea de energie electrică folosind tehnologii de energie regenerabilă sau nucleară, fie separată de rețea, fie ca o parte în creștere a mixului rețelei, este o opțiune posibilă pentru a depăși aceste limitări pentru producția de hidrogen prin electroliză.

Într-un proces de electroliză, au loc două procese de ionizare diferite în același timp. Atât apa, cât și electrolitul concurează în acest caz.

Un electrolit suferă același proces de ionizare ca și apa. Aceeași oxidare și reducere ar avea loc într-un electrolit.
Deoarece un anion din electrolit concurează cu ionii de hidroxid pentru a ceda un electron, iar un cation concurează cu ionul de hidrogen pentru a se reduce prin acceptarea electronului, un electrolit trebuie ales cu grijă.

Cationul electrolitului trebuie să aibă un potențial de electrod mai mic decât H+. Rețineți întotdeauna, în orice electroliză, potențialul electrodului cationului electrolitului ar trebui să fie mai mic decât potențialul electrodului cationului substanței care este electrolizată, iar potențialul electrodului anionului electrolitului ar trebui să fie mai mare decât potențialul electrodului anionului substanţa fiind electrolizată.

Producția de hidrogen verde folosind surse de energie regenerabilă a stârnit suficient interes pentru electroliza apei pentru a produce hidrogen. Electroliza apei folosind surse regenerabile de energie fără emisii de CO2 este văzută ca o metodă promițătoare de creștere a ratei producției de hidrogen. În 2020, aproximativ 87 de milioane de tone de hidrogen au fost produse la nivel mondial pentru diverse utilizări, inclusiv rafinarea petrolului, producția de amoniac (NH3) (prin procesul Haber) și metanol (CH3OH) (prin reducerea monoxidului de carbon [CO]) și ca un combustibil de transport. Cererea de hidrogen este de așteptat să atingă 500-680 milioane de tone până în 2050. Piața de producție de hidrogen a fost evaluată la 130 de miliarde de dolari între 2020 și 2021 și este de așteptat să crească cu o rată anuală de 9,2% până în 2030. Dar există o problemă: peste 95% din producția actuală de hidrogen se bazează pe combustibili fosili, foarte puține fiind „verzi”. Astăzi, producția de hidrogen consumă 6% din gazul natural global și 2% din cărbunele global. Cu toate acestea, tehnologiile de producere a hidrogenului verde câștigă popularitate.

Electroliza este un proces care utilizează electricitate pentru a împărți apa în H2 și O2. Fluxul de electroni printr-o cale conductivă, cum ar fi un fir, este ceea ce este electricitatea. Această cale este cunoscută sub numele de circuit. Electronii se mișcă datorită diferenței de potențial electric dintre anod și catod. Anodul are mai mulți electroni și este mai instabil din cauza aglomerației de electroni. Electronii vor să se rearanjeze pentru a elimina diferența. Electronii se resping unul pe altul și încearcă să se deplaseze într-o locație cu mai puțini electroni. Acesta este un catod.
Deoarece apa pură nu conduce electricitatea, scindarea apei este o reacție redox lentă.

Chimie
În electrolizor, există un catod și un anod conectate la o sursă de alimentare. Electronii curg întotdeauna de la anod la catod, indiferent de ce. Catodul este întotdeauna locul unde are loc reducerea, prin urmare electronii trebuie să fie acolo. Oxidarea este pierderea de electroni, iar reducerea este câștigul de electroni.
Pe scurt, la catodul încărcat negativ are loc o reacție de reducere, electronii (e−) din catod fiind dați cationilor de hidrogen pentru a forma hidrogen gazos.
Catod (reducere): 2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
La anodul încărcat pozitiv are loc o reacție de oxidare, generând oxigen gazos și dând electroni anodului pentru a finaliza circuitul
Anod (oxidare): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
O combinație a acestor reacții produce:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 este produs la catod și O2 la anod.
Electroliza apei necesită o diferență de potențial minimă de 1,23 volți, deși la această tensiune este necesară căldură externă din mediul înconjurător.

Stivele de celule bipolare pentru electroliza apei sunt compuse din multe celule electrochimice individuale în serie electrică. În practică, stivele de celule de electroliză a apei care tocmai au fost oprite pot păstra o sarcină electrică semnificativă datorită hidrogenului și oxigenului reziduali care rămân în fiecare celulă. Lăsată în pace, poate dura multe ore pentru ca această sarcină electrochimică reziduală să se disipeze. Personalul de service și întreținere a sistemului trebuie să fie extrem de precaut dacă încearcă să întrețină sau să înlocuiască aceste stive de celule imediat după operare. De exemplu, o unealtă metalică, cum ar fi o cheie, ar putea acoperi din neatenție un spațiu între o placă terminală de curent pozitiv al stivei de celule și un cadru suport metalic împământat, atragând un curent mare sau un arc electric cu deteriorare și rănire ca rezultat nedorit. Personalul care nu poartă echipament de protecție izolator adecvat este, de asemenea, în pericol.

Cea mai bună practică pentru personalul de întreținere și service este de a verifica dacă nu rămâne nicio sarcină electrică semnificativă în stiva de celule înainte de a îndepărta dispozitivele de protecție și conexiunile electrice din stiva de celule. Personalul este sfătuit să efectueze o măsurare a tensiunii stivei de celule pentru a verifica dacă stiva de celule este descărcată. În unele cazuri, personalul de service poate aplica, de asemenea, un instrument de service proiectat corespunzător, compus dintr-un rezistor de scurtcircuitare de curent mare peste stiva de celule descărcate, ca o protecție suplimentară.

Produsele sunt vândute în toate regiunile Chinei și exportate în țări din întreaga lume. Au fost vândute în peste 20 de țări și regiuni, inclusiv Statele Unite ale Americii, Germania, Maroc, Kenya, Arabia Saudită, Vietnam, Algeria, India, Tanzania și Taiwan. A furnizat cu succes întreprinderi binecunoscute, cum ar fi China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group și alte întreprinderi binecunoscute. Există multe stații de hidrogen hidrogen verde, cum ar fi Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc. oferă proiecte ecologice și de producere a hidrogenului.