Vodni elektrolizator za vodik

Elektroliza je obetavna možnost za proizvodnjo vodika brez ogljika iz obnovljivih in jedrskih virov. Elektroliza je postopek uporabe električne energije za cepitev vode na vodik in kisik. Ta reakcija poteka v enoti, imenovani elektrolizer. Elektrolizerji se lahko razlikujejo po velikosti od majhne opreme v velikosti naprave, ki je zelo primerna za distribucijsko proizvodnjo vodika v majhnem obsegu, do velikih centralnih proizvodnih obratov, ki bi jih lahko neposredno povezali z obnovljivimi viri ali drugimi oblikami, ki ne oddajajo toplogrednih plinov. proizvodnja električne energije.

Kako deluje
Tako kot gorivne celice so tudi elektrolizerji sestavljeni iz anode in katode, ločeni z elektrolitom. Različni elektrolizatorji delujejo na različne načine, predvsem zaradi različne vrste vključenega elektrolitskega materiala in ionskih vrst, ki jih prevaja.

Membranski elektrolizerji s polimernim elektrolitom
V elektrolizerju s polimerno elektrolitno membrano (PEM) je elektrolit trden poseben plastični material.

Voda reagira na anodi in tvori kisik in pozitivno nabite vodikove ione (protone).
Elektroni tečejo skozi zunanje vezje, vodikovi ioni pa se selektivno premikajo po PEM do katode.
Na katodi se vodikovi ioni združijo z elektroni iz zunanjega tokokroga in tvorijo vodikov plin. Anodna reakcija: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Katodna reakcija: 4H+ + 4e- → 2H2

Alkalni elektrolizatorji
Alkalni elektrolizerji delujejo s transportom hidroksidnih ionov (OH-) skozi elektrolit od katode do anode, pri čemer vodik nastaja na katodni strani. Elektrolizerji, ki kot elektrolit uporabljajo tekočo alkalno raztopino natrijevega ali kalijevega hidroksida, so komercialno dostopni že vrsto let. Novejši pristopi, ki uporabljajo trdne alkalne izmenjevalne membrane (AEM) kot elektrolit, so obetavni v laboratorijskem merilu.

Trdni oksidni elektrolizerji
Elektrolizerji s trdnim oksidom, ki uporabljajo trden keramični material kot elektrolit, ki selektivno prevaja negativno nabite kisikove ione (O2-) pri povišanih temperaturah, proizvajajo vodik na nekoliko drugačen način.
Para na katodi se združuje z elektroni iz zunanjega tokokroga in tvori vodikov plin in negativno nabite kisikove ione.
Kisikovi ioni prehajajo skozi trdno keramično membrano in reagirajo na anodi, da tvorijo plin kisik in ustvarjajo elektrone za zunanje vezje.
Elektrolizatorji s trdnim oksidom morajo delovati pri temperaturah, ki so dovolj visoke, da membrane s trdnim oksidom pravilno delujejo (približno 700 stopinj – 800 stopinj v primerjavi z elektrolizatorji PEM, ki delujejo pri 70 stopinjah – 90 stopinjah, in komercialnimi alkalnim elektrolizatorji, ki običajno delujejo pri manj kot 100 stopinj). Napredni laboratorijski elektrolizerji trdnega oksida, ki temeljijo na protonsko prevodnih keramičnih elektrolitih, obetajo znižanje delovne temperature na 500 stopinj –600 stopinj. Elektrolizerji s trdnim oksidom lahko učinkovito uporabljajo toploto, ki je na voljo pri teh povišanih temperaturah (iz različnih virov, vključno z jedrsko energijo), da zmanjšajo količino električne energije, potrebne za proizvodnjo vodika iz vode.

Zakaj se ta pot upošteva
Elektroliza je vodilna pot proizvodnje vodika za doseganje cilja Hydrogen Energy Earthshot o znižanju stroškov čistega vodika za 80 % na 1 USD na 1 kilogram v 1 desetletju (»1 1 1«). Vodik, proizveden z elektrolizo, lahko povzroči ničelne emisije toplogrednih plinov, odvisno od vira uporabljene električne energije. Pri ocenjevanju koristi in ekonomske upravičenosti proizvodnje vodika z elektrolizo je treba upoštevati vir potrebne električne energije – vključno s stroški in učinkovitostjo ter emisijami, ki izhajajo iz proizvodnje električne energije. V mnogih regijah države današnje električno omrežje ni idealno za zagotavljanje električne energije, potrebne za elektrolizo, zaradi sproščenih toplogrednih plinov in količine potrebnega goriva zaradi nizke učinkovitosti procesa proizvodnje električne energije. Proizvodnja vodika z elektrolizo se uporablja za možnosti obnovljive (vetrne, sončne, vodne, geotermalne) in jedrske energije. Te poti proizvodnje vodika povzročijo skoraj nič toplogrednih plinov in emisij onesnaževal; vendar je treba proizvodne stroške znatno znižati, da bi bili konkurenčni z bolj zrelimi potemi, ki temeljijo na ogljiku, kot je reformiranje zemeljskega plina.

Potencial za sinergijo s proizvodnjo električne energije iz obnovljivih virov
Proizvodnja vodika z elektrolizo lahko ponudi priložnosti za sinergijo z dinamično in občasno proizvodnjo električne energije, ki je značilna za nekatere tehnologije obnovljivih virov energije. Na primer, čeprav stroški vetrne energije še naprej padajo, je inherentna spremenljivost vetra ovira za učinkovito uporabo vetrne energije. Proizvodnja vodikovega goriva in električne energije bi se lahko integrirala v vetrno elektrarno, kar bi omogočilo prilagodljivost za preusmeritev proizvodnje, da bi se razpoložljivost virov kar najbolje ujemala z operativnimi potrebami sistema in tržnimi dejavniki. Poleg tega je v času presežne proizvodnje električne energije iz vetrnih elektrarn, namesto omejevanja električne energije, kot se običajno počne, mogoče uporabiti to presežno električno energijo za proizvodnjo vodika z elektrolizo.

Pomembno je omeniti ...
Današnja električna energija iz omrežja ni idealen vir električne energije za elektrolizo, ker se večina električne energije proizvede s tehnologijami, ki povzročajo emisije toplogrednih plinov in so energetsko intenzivne. Proizvodnja električne energije z uporabo tehnologij obnovljive ali jedrske energije, bodisi ločeno od omrežja bodisi kot vse večji del mešanice omrežij, je možna možnost za premagovanje teh omejitev za proizvodnjo vodika z elektrolizo.

V procesu elektrolize istočasno potekata dva različna procesa ionizacije. Voda in elektrolit v tem primeru tekmujeta.

Elektrolit je podvržen enakemu procesu ionizacije kot voda. Enaka oksidacija in redukcija bi se zgodila v elektrolitu.
Ker anion iz elektrolita tekmuje s hidroksidnimi ioni, da se odpovejo elektronu, in kation tekmuje z vodikovim ionom, da se reducira s sprejemom elektrona, je treba elektrolit izbrati previdno.

Kation elektrolita mora imeti nižji elektrodni potencial kot H+. Vedno si zapomnite, da mora biti pri kateri koli elektrolizi elektrodni potencial kationa elektrolita manjši od elektrodnega potenciala kationa snovi, ki se elektrolizira, elektrodni potencial aniona elektrolita pa mora biti večji od elektrodnega potenciala aniona elektrolita. snov, ki se elektrolizira.

Proizvodnja zelenega vodika z uporabo obnovljivih virov energije je vzbudila dovolj zanimanja za elektrolizo vode za proizvodnjo vodika. Elektroliza vode z uporabo obnovljivih virov energije brez emisij CO2 velja za obetavno metodo povečanja stopnje proizvodnje vodika. Leta 2020 je bilo po vsem svetu proizvedenih približno 87 milijonov ton vodika za različne namene, vključno z rafiniranjem nafte, proizvodnjo amoniaka (NH3) (prek Haberjevega procesa) in metanola (CH3OH) (prek redukcije ogljikovega monoksida [CO]) in kot transportno gorivo. Povpraševanje po vodiku naj bi do leta 2050 doseglo 500-680 milijonov ton. Trg proizvodnje vodika je bil od leta 2020 do 2021 ocenjen na 130 milijard dolarjev in naj bi do leta 2030 rasel po 9,2-odstotni letni stopnji. Vendar obstaja ulov: več kot 95 % trenutne proizvodnje vodika temelji na fosilnih gorivih, pri čemer je zelo malo "zelenih". Danes se za proizvodnjo vodika porabi 6 % svetovnega zemeljskega plina in 2 % svetovnega premoga. Kljub temu postajajo zelene tehnologije za proizvodnjo vodika vse bolj priljubljene.

Elektroliza je postopek, ki uporablja elektriko za cepitev vode na H2 in O2. Tok elektronov skozi prevodno pot, kot je žica, je tisto, kar je elektrika. Ta pot je znana kot krog. Elektroni se premikajo zaradi razlike električnega potenciala med anodo in katodo. Anoda ima več elektronov in je bolj nestabilna zaradi množice elektronov. Elektroni se želijo prerazporediti, da bi odpravili razliko. Elektroni se odbijajo in poskušajo premakniti na mesto z manj elektroni. To je katoda.
Ker čista voda ne prevaja elektrike, je cepitev vode počasna redoks reakcija.

kemija
V elektrolizerju sta ena katoda in ena anoda povezani z virom energije. Elektroni vedno tečejo od anode do katode, ne glede na vse. Katoda je vedno tam, kjer pride do redukcije, zato morajo biti tam elektroni. Oksidacija je izguba elektronov, redukcija pa pridobivanje elektronov.
Na kratko, na negativno nabiti katodi poteka reakcija redukcije, pri čemer se elektroni (e−) s katode predajo vodikovim kationom, da nastane vodikov plin
Katoda (redukcija): 2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Na pozitivno nabiti anodi pride do oksidacijske reakcije, pri kateri nastaja plin kisik in daje elektrone anodi, da sklene tokokrog
Anoda (oksidacija): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Kombinacija teh reakcij povzroči:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 nastaja na katodi, O2 pa na anodi.
Za elektrolizo vode je potrebna minimalna potencialna razlika 1,23 volta, čeprav je pri tej napetosti potrebna zunanja toplota iz okolja.

Skladi bipolarnih celic za elektrolizo vode so sestavljeni iz številnih posameznih elektrokemičnih celic v električnih serijah. V praksi lahko skladi celic za vodno elektrolizo, ki so bili pravkar ustavljeni, obdržijo precejšen električni naboj zaradi preostalega vodika in kisika, ki ostaneta v vsaki celici. Če ostane sam, lahko traja več ur, da se ta preostali elektrokemični naboj razprši. Sistemsko servisno in vzdrževalno osebje mora biti zelo previdno, če poskuša servisirati ali zamenjati te nize celic kmalu po delovanju. Na primer, kovinsko orodje, kot je ključ, bi lahko nehote premostilo vrzel med priključno ploščo s pozitivnim tokom niza celic in ozemljenim kovinskim podpornim okvirjem, kar bi potegnilo velik tok ali električni oblok s poškodbami in poškodbami kot neželenim rezultatom. Ogroženo je tudi osebje, ki ne nosi ustrezne izolacijske zaščitne opreme.

Najboljša praksa za vzdrževalno in servisno osebje je, da preverijo, ali v nizu celic ni pomembnejšega električnega naboja, preden odstranijo varnostna varovala in električne povezave s sklopa celic. Osebju svetujemo, da izvede meritev napetosti nabora celic, da preveri, ali je nabor celic izpraznjen. V nekaterih primerih lahko servisno osebje kot dodatno zaščito uporabi tudi ustrezno zasnovano servisno orodje, sestavljeno iz visokotokovnega kratkostičnega upora preko izpraznjenega niza celic.

Izdelki se prodajajo v vseh regijah Kitajske in izvažajo v države po vsem svetu. Prodane so bile v več kot 20 državah in regijah, vključno z Združenimi državami, Nemčijo, Marokom, Kenijo, Savdsko Arabijo, Vietnamom, Alžirijo, Indijo, Tanzanijo in Tajvanom. Uspešno zagotavlja dobro znana podjetja, kot so China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group in druga znana podjetja. Obstaja veliko postaj za hidrogeniranje zelenega vodika, kot so Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming itd., ki zagotavljajo zelene projekte in projekte za proizvodnjo vodika.