Воден електролизатор за водород

Електролизата е обещаващ вариант за производство на водород без въглерод от възобновяеми и ядрени ресурси. Електролизата е процес на използване на електричество за разделяне на водата на водород и кислород. Тази реакция протича в устройство, наречено електролизатор. Електролизерите могат да варират по размер от малко оборудване с размер на уред, което е много подходящо за дребномащабно разпределено производство на водород до широкомащабни, централни производствени съоръжения, които могат да бъдат свързани директно с възобновяеми или други форми на неемитиращи парникови газове производство на електроенергия.

Как работи
Подобно на горивните клетки, електролизерите се състоят от анод и катод, разделени от електролит. Различните електролизатори функционират по различни начини, главно поради различния тип използван електролитен материал и йонните видове, които провежда.

Електролизери с полимерна електролитна мембрана
В електролизатор с полимерна електролитна мембрана (PEM) електролитът е твърд специален пластмасов материал.

Водата реагира на анода, за да образува кислород и положително заредени водородни йони (протони).
Електроните протичат през външна верига и водородните йони избирателно се движат през PEM към катода.
На катода водородните йони се комбинират с електрони от външната верига, за да образуват водороден газ. Анодна реакция: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Катодна реакция: 4H+ + 4e- → 2H2

Алкални електролизатори
Алкалните електролизери работят чрез транспортиране на хидроксидни йони (OH-) през електролита от катода към анода, като водородът се генерира от страната на катода. Електролизери, използващи течен алкален разтвор на натриев или калиев хидроксид като електролит, са налични в търговската мрежа от много години. По-новите подходи, използващи твърди алкални обменни мембрани (AEM) като електролит, показват обещание в лабораторен мащаб.

Твърди оксидни електролизатори
Електролизерите с твърд оксид, които използват твърд керамичен материал като електролит, който селективно провежда отрицателно заредени кислородни йони (O2-) при повишени температури, генерират водород по малко по-различен начин.
Парата на катода се комбинира с електрони от външната верига, за да образува водороден газ и отрицателно заредени кислородни йони.
Кислородните йони преминават през твърдата керамична мембрана и реагират на анода, за да образуват кислороден газ и генерират електрони за външната верига.
Електролизерите с твърд оксид трябва да работят при достатъчно високи температури, за да функционират правилно мембраните от твърд оксид (около 700 градуса – 800 градуса, в сравнение с PEM електролизарите, които работят при 70 градуса – 90 градуса, и търговските алкални електролизери, които обикновено работят при по-малко от 100 градуса). Усъвършенстваните лабораторни електролизатори на твърди оксиди, базирани на протонно-проводими керамични електролити, показват обещание за понижаване на работната температура до 500 градуса –600 градуса. Електролизерите с твърд оксид могат ефективно да използват топлината, налична при тези повишени температури (от различни източници, включително ядрена енергия), за да намалят количеството електрическа енергия, необходимо за производството на водород от вода.

Защо се разглежда този път
Електролизата е водещ път за производство на водород за постигане на целта на Hydrogen Energy Earthshot за намаляване на разходите за чист водород с 80% до $1 за 1 килограм за 1 десетилетие („1 1 1“). Водородът, произведен чрез електролиза, може да доведе до нулеви емисии на парникови газове, в зависимост от източника на използваното електричество. Източникът на необходимата електроенергия - включително цената и ефективността й, както и емисиите, произтичащи от производството на електроенергия - трябва да се вземат предвид при оценката на ползите и икономическата жизнеспособност на производството на водород чрез електролиза. В много региони на страната днешната електрическа мрежа не е идеална за осигуряване на електричеството, необходимо за електролиза, поради отделяните парникови газове и необходимото количество гориво поради ниската ефективност на процеса на производство на електроенергия. Производството на водород чрез електролиза се преследва за варианти за възобновяема (вятърна, слънчева, водна, геотермална) и ядрена енергия. Тези пътища за производство на водород водят до практически нулеви емисии на парникови газове и замърсители; въпреки това, производствените разходи трябва да бъдат значително намалени, за да бъдат конкурентоспособни с по-зрелите въглеродни пътища, като реформинг на природен газ.

Потенциал за синергия с производство на енергия от възобновяеми източници
Производството на водород чрез електролиза може да предложи възможности за синергия с динамично и прекъсващо производство на електроенергия, което е характерно за някои технологии за възобновяема енергия. Например, въпреки че цената на вятърната енергия продължава да намалява, присъщата променливост на вятъра е пречка за ефективното използване на вятърната енергия. Производството на водородно гориво и електрическа енергия може да бъде интегрирано във вятърен парк, което позволява гъвкавост за пренасочване на производството, за да съответства най-добре наличността на ресурси с оперативните нужди на системата и пазарните фактори. Също така, във времена на излишно производство на електроенергия от вятърни паркове, вместо да се ограничава електроенергията, както обикновено се прави, е възможно да се използва тази излишна електроенергия за производство на водород чрез електролиза.

Важно е да се отбележи...
Днешната електрическа мрежа не е идеалният източник на електроенергия за електролиза, тъй като по-голямата част от електроенергията се генерира чрез технологии, които водят до емисии на парникови газове и са енергоемки. Производството на електроенергия с помощта на технологии за възобновяема или ядрена енергия, отделно от мрежата или като нарастваща част от мрежовия микс, е възможна опция за преодоляване на тези ограничения за производството на водород чрез електролиза.

В процеса на електролиза се извършват два различни процеса на йонизация по едно и също време. Водата и електролитът се конкурират в този случай.

Електролитът претърпява същия процес на йонизация като водата. Същото окисление и редукция ще се случи в електролит.
Тъй като анион от електролита се конкурира с хидроксидните йони, за да отдаде електрон, а катионът се конкурира с водородния йон, за да се редуцира чрез приемане на електрона, електролитът трябва да бъде избран внимателно.

Катионът на електролита трябва да има по-нисък електроден потенциал от H+. Винаги помнете при всяка електролиза електродният потенциал на катиона на електролита трябва да бъде по-малък от електродния потенциал на катиона на веществото, което се електролизира, а електродният потенциал на аниона на електролита трябва да бъде по-голям от електродния потенциал на аниона на веществото, което се електролизира.

Производството на зелен водород с помощта на възобновяеми енергийни източници предизвика достатъчно интерес към електролизата на водата за производство на водород. Електролизата на вода с използване на възобновяеми енергийни източници без емисии на CO2 се разглежда като обещаващ метод за увеличаване на скоростта на производство на водород. През 2020 г. приблизително 87 милиона тона водород са произведени в световен мащаб за различни цели, включително рафиниране на нефт, производство на амоняк (NH3) (чрез процеса на Haber) и метанол (CH3OH) (чрез редукция на въглероден окис [CO]), и като транспортно гориво. Търсенето на водород се очаква да достигне 500-680 милиона тона до 2050 г. Пазарът за производство на водород се оценява на $130 милиарда от 2020 до 2021 г. и се очаква да расте с 9,2% годишен темп до 2030 г. Но има една уловка: над 95% от текущото производство на водород се основава на изкопаеми горива, като много малко е „зелено“. Днес производството на водород изразходва 6% от световния природен газ и 2% от световните въглища. Въпреки това, зелените технологии за производство на водород набират популярност.

Електролизата е процес, който използва електричество за разделяне на водата на H2 и O2. Потокът от електрони през проводящ път, като например проводник, е това, което е електричеството. Този път е известен като верига. Електроните се движат поради разликата в електрическия потенциал между анода и катода. Анодът има повече електрони и е по-нестабилен поради струпване на електрони. Електроните искат да се пренаредят, за да премахнат разликата. Електроните се отблъскват един друг и се опитват да се преместят на място с по-малко електрони. Това е катод.
Тъй като чистата вода не провежда електричество, разделянето на водата е бавна редокс реакция.

Химия
В електролизера има един катод и един анод, свързани към източник на енергия. Електроните винаги преминават от анода към катода, независимо какво става. Катодът винаги е там, където се извършва редукция, следователно електроните трябва да са там. Окисляването е загуба на електрони, а редукцията е получаването на електрони.
Накратко, при отрицателно заредения катод протича реакция на редукция, като електрони (e−) от катода се предават на водородни катиони, за да образуват водороден газ
Катод (редукция): 2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
При положително заредения анод протича реакция на окисление, генерираща кислороден газ и подаващ електрони към анода, за да завърши веригата
Анод (окисление): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Комбинацията от тези реакции води до:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 се произвежда на катода, а O2 на анода.
Електролизата на водата изисква минимална потенциална разлика от 1,23 волта, въпреки че при това напрежение се изисква външна топлина от околната среда.

Биполярните клетки за водна електролиза са съставени от много отделни електрохимични клетки в електрически серии. На практика купчините клетки за електролиза на вода, които току-що са били спрени, могат да запазят значителен електрически заряд поради остатъчния водород и кислород, оставащи във всяка клетка. Оставен сам, може да отнеме много часове, докато този остатъчен електрохимичен заряд се разсее. Персоналът по обслужването и поддръжката на системата трябва да бъде изключително внимателен, ако се опитва да обслужи или замени тези купчини клетки скоро след работа. Например, метален инструмент, като гаечен ключ, може по невнимание да преодолява празнина между клемна пластина с положителен ток на купчина клетки и заземена метална носеща рамка, извличайки голям ток или електрическа дъга с повреда и нараняване като нежелан резултат. Персоналът, който не носи подходящо изолиращо защитно оборудване, също е изложен на риск.

Най-добрата практика за персонала по поддръжката и обслужването е да се увери, че в стека от клетки не остава значителен електрически заряд, преди да премахне предпазните устройства и електрическите връзки от стека от клетки. Персоналът се съветва да извърши измерване на напрежението на стека от клетки, за да провери дали стекът от клетки е разреден. В някои случаи обслужващият персонал може също така да приложи подходящо проектиран сервизен инструмент, съставен от резистор за късо свързване на висок ток през пакета от разредени клетки като допълнителна защита.

Продуктите се продават във всички региони на Китай и се изнасят в страни по света. Те са продадени в повече от 20 страни и региони, включително Съединените щати, Германия, Мароко, Кения, Саудитска Арабия, Виетнам, Алжир, Индия, Танзания и Тайван. Успешно предоставени добре известни предприятия като China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group и други добре известни предприятия. Има много станции за хидрогениране на зелен водород и водород като Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming и т.н. осигуряват екологични проекти и проекти за производство на водород.