Vodní elektrolyzér pro vodík

Elektrolýza je slibnou možností pro bezuhlíkovou výrobu vodíku z obnovitelných a jaderných zdrojů. Elektrolýza je proces využití elektřiny k rozdělení vody na vodík a kyslík. Tato reakce probíhá v jednotce zvané elektrolyzér. Elektrolyzéry mohou mít různé velikosti od malých zařízení velikosti zařízení, která se dobře hodí pro distribuovanou výrobu vodíku v malém měřítku, až po velká, centrální výrobní zařízení, která by mohla být navázána přímo na obnovitelné zdroje nebo jiné formy nevypouštějící skleníkové plyny. výroba elektřiny.

Jak to funguje
Elektrolyzéry se stejně jako palivové články skládají z anody a katody oddělené elektrolytem. Různé elektrolyzéry fungují různými způsoby, zejména kvůli různému typu elektrolytového materiálu a iontovým látkám, které vede.

Polymerní elektrolytové membránové elektrolyzéry
V elektrolyzéru s polymerní elektrolytovou membránou (PEM) je elektrolytem pevný speciální plastový materiál.

Voda reaguje na anodě za vzniku kyslíku a kladně nabitých vodíkových iontů (protonů).
Elektrony proudí vnějším obvodem a vodíkové ionty se selektivně pohybují přes PEM ke katodě.
Na katodě se vodíkové ionty spojují s elektrony z vnějšího okruhu za vzniku plynného vodíku. Anodová reakce: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Katodová reakce: 4H+ + 4e- → 2H2

Alkalické elektrolyzéry
Alkalické elektrolyzéry fungují prostřednictvím transportu hydroxidových iontů (OH-) elektrolytem od katody k anodě, přičemž na straně katody vzniká vodík. Elektrolyzéry používající jako elektrolyt kapalný alkalický roztok hydroxidu sodného nebo draselného jsou komerčně dostupné po mnoho let. Novější přístupy využívající pevné alkalické výměnné membrány (AEM) jako elektrolyt jsou slibné v laboratorním měřítku.

Elektrolyzéry pevných oxidů
Elektrolyzéry s pevným oxidem, které používají pevný keramický materiál jako elektrolyt, který selektivně vede záporně nabité ionty kyslíku (O2-) při zvýšených teplotách, generují vodík trochu jiným způsobem.
Pára na katodě se spojuje s elektrony z vnějšího okruhu za vzniku plynného vodíku a záporně nabitých iontů kyslíku.
Ionty kyslíku procházejí pevnou keramickou membránou a reagují na anodě za vzniku plynného kyslíku a generování elektronů pro vnější obvod.
Elektrolyzéry pevných oxidů musí pracovat při teplotách dostatečně vysokých, aby membrány s pevnými oxidy správně fungovaly (asi 700 stupňů – 800 stupňů ve srovnání s elektrolyzéry PEM, které pracují při 70 stupních – 90 stupních, a komerčními alkalickými elektrolyzéry, které obvykle pracují při méně než 100 stupňů). Pokročilé elektrolyzéry pevných oxidů v laboratorním měřítku založené na protonově vodivých keramických elektrolytech jsou slibné pro snížení provozní teploty na 500 až 600 stupňů. Elektrolyzéry pevných oxidů mohou efektivně využívat teplo dostupné při těchto zvýšených teplotách (z různých zdrojů, včetně jaderné energie) ke snížení množství elektrické energie potřebné k výrobě vodíku z vody.

Proč je tato cesta zvažována
Elektrolýza je přední cestou výroby vodíku k dosažení cíle Hydrogen Energy Earthshot snížit náklady na čistý vodík o 80 % na 1 USD za 1 kilogram za 1 desetiletí („1 1 1“). Vodík vyrobený elektrolýzou může vést k nulovým emisím skleníkových plynů v závislosti na zdroji použité elektřiny. Při hodnocení přínosů a ekonomické životaschopnosti výroby vodíku elektrolýzou je třeba vzít v úvahu zdroj požadované elektřiny, včetně jejích nákladů a účinnosti, jakož i emise vznikající při výrobě elektřiny. V mnoha regionech země není dnešní elektrická síť ideální pro poskytování elektřiny potřebné pro elektrolýzu kvůli uvolněným skleníkovým plynům a množství paliva potřebného kvůli nízké účinnosti procesu výroby elektřiny. Výroba vodíku prostřednictvím elektrolýzy je sledována pro možnosti obnovitelné energie (větrná, solární, vodní, geotermální) a jaderné energie. Tyto cesty výroby vodíku vedou k prakticky nulovým emisím skleníkových plynů a emisí znečišťujících látek; je však třeba výrazně snížit výrobní náklady, aby byly konkurenceschopné s vyspělejšími cestami založenými na uhlíku, jako je reformování zemního plynu.

Potenciál pro synergii s výrobou energie z obnovitelných zdrojů
Výroba vodíku prostřednictvím elektrolýzy může nabídnout příležitosti pro synergii s dynamickou a přerušovanou výrobou energie, která je charakteristická pro některé technologie obnovitelné energie. Třebaže náklady na větrnou energii nadále klesají, vlastní proměnlivost větru je překážkou efektivního využívání větrné energie. Výroba vodíkového paliva a elektrické energie by mohla být integrována ve větrné farmě, což umožňuje flexibilitu přesunu výroby tak, aby co nejlépe odpovídala dostupnosti zdrojů provozním potřebám systému a tržním faktorům. Také v dobách nadměrné výroby elektřiny z větrných elektráren je možné místo omezování elektřiny, jak se to běžně dělá, tuto přebytečnou elektřinu využít k výrobě vodíku elektrolýzou.

Je důležité poznamenat...
Dnešní síťová elektřina není ideálním zdrojem elektřiny pro elektrolýzu, protože většina elektřiny se vyrábí pomocí technologií, které vedou k emisím skleníkových plynů a jsou energeticky náročné. Výroba elektřiny pomocí technologií obnovitelné nebo jaderné energie, buď odděleně od sítě, nebo jako rostoucí část mixu sítí, je možnou možností, jak překonat tato omezení výroby vodíku elektrolýzou.

V procesu elektrolýzy probíhají současně dva různé ionizační procesy. V tomto případě soutěží voda i elektrolyt.

Elektrolyt prochází stejným ionizačním procesem jako voda. Ke stejné oxidaci a redukci by došlo v elektrolytu.
Protože anion z elektrolytu soutěží s hydroxidovými ionty, aby se vzdal elektronu, a kation soutěží s vodíkovým iontem, aby se redukoval přijetím elektronu, musí být elektrolyt vybrán opatrně.

Kationt elektrolytu musí mít nižší elektrodový potenciál než H+. Vždy mějte na paměti, že při jakékoli elektrolýze by měl být elektrodový potenciál kationtu elektrolytu menší než elektrodový potenciál kationtu elektrolyzované látky a elektrodový potenciál aniontu elektrolytu by měl být větší než elektrodový potenciál aniontu elektrolytu. látka, která je elektrolyzována.

Výroba zeleného vodíku pomocí obnovitelných zdrojů energie vyvolala dostatečný zájem o elektrolýzu vody pro výrobu vodíku. Elektrolýza vody využívající obnovitelné zdroje energie bez emisí CO2 je považována za slibnou metodu zvýšení rychlosti produkce vodíku. V roce 2020 bylo celosvětově vyrobeno přibližně 87 milionů tun vodíku pro různé účely, včetně rafinace ropy, výroby čpavku (NH3) (Haberovým procesem) a metanolu (CH3OH) (redukcí oxidu uhelnatého [CO]) a jako dopravní palivo. Očekává se, že poptávka po vodíku do roku 2050 dosáhne 500-680 milionů MT. Trh s výrobou vodíku byl v letech 2020 až 2021 oceněn na 130 miliard USD a očekává se, že do roku 2030 poroste o 9,2 % ročně. Má to však háček: více než 95 % současné produkce vodíku je založeno na fosilních palivech, přičemž jen velmi málo je „zelených“. Výroba vodíku dnes spotřebuje 6 % celosvětového zemního plynu a 2 % celosvětového uhlí. Nicméně technologie výroby zeleného vodíku získávají na popularitě.

Elektrolýza je proces, který využívá elektřinu k rozdělení vody na H2 a O2. Tok elektronů vodivou cestou, jako je drát, je to, co je elektřina. Tato cesta je známá jako okruh. Elektrony se pohybují v důsledku rozdílu elektrického potenciálu mezi anodou a katodou. Anoda má více elektronů a je nestabilnější kvůli shlukování elektronů. Elektrony se chtějí přeskupit, aby odstranily rozdíl. Elektrony se navzájem odpuzují a snaží se přesunout na místo s méně elektrony. To je katoda.
Protože čistá voda nevede elektrický proud, štěpení vody je pomalá redoxní reakce.

Chemie
V elektrolyzéru je jedna katoda a jedna anoda připojená ke zdroji energie. Elektrony vždy proudí z anody na katodu bez ohledu na to, co se děje. Katoda je vždy tam, kde dochází k redukci, proto tam musí být elektrony. Oxidace je ztráta elektronů a redukce je zisk elektronů.
Stručně řečeno, na záporně nabité katodě probíhá redukční reakce, přičemž elektrony (e−) z katody jsou převedeny na vodíkové kationty za vzniku plynného vodíku.
Katoda (redukce):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Na kladně nabité anodě dochází k oxidační reakci, při které se generuje plynný kyslík a elektrony dodávají anodě k dokončení obvodu.
Anoda (oxidace): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Kombinací těchto reakcí vzniká:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 vzniká na katodě a O2 na anodě.
Elektrolýza vody vyžaduje minimální rozdíl potenciálů 1,23 voltů, i když při tomto napětí je vyžadováno vnější teplo z prostředí.

Stohy bipolárních článků elektrolýzy vody se skládají z mnoha jednotlivých elektrochemických článků v elektrických sériích. V praxi mohou stohy článků elektrolýzy vody, které byly právě zastaveny, uchovat významný elektrický náboj v důsledku zbytkového vodíku a kyslíku zbývajícího v každém článku. Ponechaný sám, může trvat mnoho hodin, než se tento zbytkový elektrochemický náboj rozptýlí. Personál servisu a údržby systému musí dbát mimořádné opatrnosti, pokud se pokouší opravit nebo vyměnit tyto sady článků brzy po provozu. Například kovový nástroj, jako je klíč, by mohl neúmyslně přemostit mezeru mezi kladnou proudovou svorkovnicí svazku článků a uzemněným kovovým podpěrným rámem, přičemž by mohl vést k velkému proudu nebo elektrickému oblouku s poškozením a zraněním jako nechtěným výsledkem. Ohroženi jsou i pracovníci, kteří nepoužívají vhodné izolační ochranné prostředky.

Nejlepší praxí pro personál údržby a servisu je ověřit, že v bloku článků nezůstal žádný významný elektrický náboj, než z něj odstraníte bezpečnostní kryty a elektrické spoje. Pracovníkům se doporučuje, aby provedli měření napětí sady článků, aby ověřili, že je sada článků vybitá. V některých případech může servisní personál také použít správně navržený servisní nástroj složený z vysokoproudého zkratovacího rezistoru přes vybitou sadu článků jako další ochranu.

Produkty se prodávají ve všech regionech Číny a vyvážejí se do zemí po celém světě. Byly prodávány ve více než 20 zemích a regionech včetně Spojených států, Německa, Maroka, Keni, Saúdské Arábie, Vietnamu, Alžírska, Indie, Tanzanie a Tchaj-wanu. Úspěšně poskytly známé podniky, jako jsou China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group a další známé podniky. Existuje mnoho stanic na hydrogenaci zeleného vodíku, jako jsou Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming atd., které poskytují zelené projekty a projekty na výrobu vodíku.