Vandelektrolyse til brint

Elektrolyse er en lovende mulighed for kulstoffri brintproduktion fra vedvarende og nukleare ressourcer. Elektrolyse er processen med at bruge elektricitet til at spalte vand til brint og ilt. Denne reaktion finder sted i en enhed kaldet en elektrolysator. Elektrolysatorer kan variere i størrelse fra små udstyr i apparatstørrelse, der er velegnet til distribueret brintproduktion i lille skala til storskala, centrale produktionsfaciliteter, der kan knyttes direkte til vedvarende eller andre ikke-drivhusgas-emitterende former for elproduktion.

Hvordan virker det
Som brændselsceller består elektrolysatorer af en anode og en katode adskilt af en elektrolyt. Forskellige elektrolysatorer fungerer på forskellige måder, hovedsagelig på grund af den forskellige type elektrolytmateriale, der er involveret, og de ioniske arter, det leder.

Polymer elektrolytmembran elektrolysatorer
I en polymer elektrolytmembran (PEM) elektrolysator er elektrolytten et solidt specialplastmateriale.

Vand reagerer ved anoden og danner oxygen og positivt ladede brintioner (protoner).
Elektronerne strømmer gennem et eksternt kredsløb, og hydrogenionerne bevæger sig selektivt over PEM'en til katoden.
Ved katoden kombineres brintioner med elektroner fra det eksterne kredsløb for at danne brintgas. Anodereaktion: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- katodereaktion: 4H+ + 4e- → 2H2

Alkaliske elektrolysatorer
Alkaliske elektrolysatorer fungerer via transport af hydroxidioner (OH-) gennem elektrolytten fra katoden til anoden med brint, der genereres på katodesiden. Elektrolysatorer, der anvender en flydende alkalisk opløsning af natrium- eller kaliumhydroxid som elektrolyt, har været kommercielt tilgængelige i mange år. Nyere tilgange ved hjælp af solide alkaliske udvekslingsmembraner (AEM) som elektrolytten viser lovende på laboratorieskalaen.

Solid Oxide Elektrolysatorer
Elektrolysatorer med fast oxid, som bruger et fast keramisk materiale som elektrolyt, der selektivt leder negativt ladede oxygenioner (O2-) ved forhøjede temperaturer, genererer brint på en lidt anden måde.
Damp ved katoden kombineres med elektroner fra det eksterne kredsløb for at danne brintgas og negativt ladede oxygenioner.
Ilt-ionerne passerer gennem den faste keramiske membran og reagerer ved anoden for at danne oxygengas og generere elektroner til det eksterne kredsløb.
Elektrolysatorer med fast oxid skal fungere ved temperaturer, der er høje nok til, at de faste oxidmembraner fungerer korrekt (ca. 700 grader –800 grader sammenlignet med PEM-elektrolysatorer, som fungerer ved 70 grader –90 grader, og kommercielle alkaliske elektrolysatorer, som typisk fungerer ved mindre end 100 grader). Avancerede fastoxidelektrolysatorer i laboratorieskala baseret på protonledende keramiske elektrolytter viser løfte om at sænke driftstemperaturen til 500 grader -600 grader. De faste oxidelektrolysatorer kan effektivt bruge varme, der er tilgængelig ved disse forhøjede temperaturer (fra forskellige kilder, herunder kerneenergi) til at reducere mængden af ​​elektrisk energi, der er nødvendig for at producere brint fra vand.

Hvorfor overvejes denne vej
Elektrolyse er en førende brintproduktionsvej til at nå Hydrogen Energy Earthshot-målet om at reducere omkostningerne ved rent brint med 80 % til $1 pr. 1 kilogram på 1 årti ("1 1 1"). Brint produceret via elektrolyse kan resultere i nul drivhusgasemissioner, afhængigt af kilden til den anvendte elektricitet. Kilden til den nødvendige elektricitet - herunder dens omkostninger og effektivitet, samt emissioner fra elproduktion - skal tages i betragtning, når fordelene og den økonomiske levedygtighed ved brintproduktion via elektrolyse vurderes. I mange regioner af landet er dagens elnet ikke ideelt til at levere den nødvendige elektricitet til elektrolyse på grund af de frigivne drivhusgasser og mængden af ​​brændstof, der kræves på grund af den lave effektivitet af elproduktionsprocessen. Brintproduktion via elektrolyse forfølges for vedvarende energi (vind, sol, vandkraft, geotermisk) og nuklear energi. Disse brintproduktionsveje resulterer i praktisk talt nul drivhusgasser og kriterier for forurenende emissioner; dog skal produktionsomkostningerne reduceres betydeligt for at være konkurrencedygtige med mere modne kulstofbaserede veje såsom naturgasreformering.

Potentiale for synergi med vedvarende energiproduktion
Brintproduktion via elektrolyse kan give muligheder for synergi med dynamisk og intermitterende elproduktion, som er karakteristisk for nogle vedvarende energiteknologier. For eksempel, selvom prisen på vindkraft er fortsat med at falde, er den iboende variabilitet af vinden en hindring for en effektiv udnyttelse af vindkraft. Brintbrændstof og elproduktion kan integreres i en vindmøllepark, hvilket giver fleksibilitet til at flytte produktionen, så den bedst matcher ressourcetilgængeligheden med systemets operationelle behov og markedsfaktorer. Også i tider med overskydende elproduktion fra vindmølleparker, i stedet for at begrænse elektriciteten, som det er almindeligt, er det muligt at bruge denne overskydende elektricitet til at producere brint gennem elektrolyse.

Det er vigtigt at bemærke...
Dagens netelektricitet er ikke den ideelle kilde til elektricitet til elektrolyse, fordi det meste af elektriciteten er produceret ved hjælp af teknologier, der resulterer i drivhusgasemissioner og er energikrævende. Elproduktion ved hjælp af vedvarende eller nuklear energiteknologier, enten adskilt fra nettet eller som en voksende del af netblandingen, er en mulig mulighed for at overvinde disse begrænsninger for brintproduktion via elektrolyse.

I en elektrolyseproces foregår der to forskellige ioniseringsprocesser på samme tid. Både vand og elektrolyt konkurrerer i dette tilfælde.

En elektrolyt gennemgår den samme ioniseringsproces som vand. Den samme oxidation og reduktion ville forekomme i en elektrolyt.
Fordi en anion fra elektrolytten konkurrerer med hydroxidionerne om at afgive en elektron, og en kation konkurrerer med hydrogenionen om at blive reduceret ved at acceptere elektronen, skal en elektrolyt vælges med omhu.

Elektrolyttens kation skal have et lavere elektrodepotentiale end H+. Husk altid ved enhver elektrolyse, at elektrodepotentialet for elektrolyttens kation skal være mindre end elektrodepotentialet for kationen af ​​det stof, der elektrolyseres, og elektrodepotentialet for anionen af ​​elektrolytten skal være større end elektrodepotentialet for anionen af ​​elektrolytten. stoffet, der elektrolyseres.

Produktionen af ​​grøn brint ved hjælp af vedvarende energikilder har vakt tilstrækkelig interesse for elektrolyse af vand til at producere brint. Vandelektrolyse ved hjælp af vedvarende energikilder uden CO2-emissioner betragtes som en lovende metode til at øge hastigheden af ​​brintproduktion. I 2020 blev der produceret cirka 87 millioner tons brint på verdensplan til forskellige formål, herunder olieraffinering, produktion af ammoniak (NH3) (via Haber-processen) og methanol (CH3OH) (via carbonmonoxid [CO]-reduktion), og som et transportbrændstof. Efterspørgslen efter brint forventes at nå op på 500-680 millioner MT i 2050. Brintproduktionsmarkedet blev vurderet til 130 milliarder USD fra 2020 til 2021 og forventes at vokse med 9,2 % årligt frem til 2030. Men der er en fangst: over 95 % af den nuværende brintproduktion er baseret på fossile brændstoffer, hvor meget lidt er "grønt". I dag bruger brintproduktion 6 % af den globale naturgas og 2 % af det globale kul. Ikke desto mindre vinder teknologier til fremstilling af grøn brint popularitet.

Elektrolyse er en proces, der bruger elektricitet til at opdele vand i H2 og O2. Strømmen af ​​elektroner gennem en ledende bane, såsom en ledning, er hvad elektricitet er. Denne vej er kendt som et kredsløb. Elektronerne bevæger sig på grund af den elektriske potentialforskel mellem anoden og katoden. Anoden har flere elektroner og er mere ustabil på grund af elektronophopning. Elektronerne ønsker at omarrangere sig selv for at eliminere forskellen. Elektroner frastøder hinanden og forsøger at flytte til et sted med færre elektroner. Det er en katode.
Fordi rent vand ikke leder elektricitet, er vandspaltning en langsom redoxreaktion.

Kemi
I elektrolysatoren er der en katode og en anode forbundet til en strømkilde. Elektroner strømmer altid fra anode til katode uanset hvad. Katoden er altid der, hvor reduktion sker, derfor skal elektroner være der. Oxidation er tab af elektroner og reduktion er forstærkning af elektroner.
Kort fortalt foregår der ved den negativt ladede katode en reduktionsreaktion, hvor elektroner (e−) fra katoden gives til brintkationer for at danne brintgas
Katode (reduktion):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Ved den positivt ladede anode opstår der en oxidationsreaktion, der genererer oxygengas og giver elektroner til anoden for at fuldende kredsløbet
Anode (oxidation): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2} e−
En kombination af disse reaktioner giver:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 dannes ved katoden og O2 ved anoden.
Elektrolyse af vand kræver en minimum potentialforskel på 1,23 volt, men ved den spænding kræves ekstern varme fra omgivelserne.

Vandelektrolyse bipolære cellestakke er sammensat af mange individuelle elektrokemiske celler i elektriske serier. I praksis kan stakke af vandelektrolyseceller, der netop er blevet stoppet, bevare en betydelig elektrisk ladning på grund af resterende brint og ilt i hver celle. Efterladt alene kan det tage mange timer for denne resterende elektrokemiske ladning at forsvinde. Systemservice- og vedligeholdelsespersonale skal udvise ekstrem forsigtighed, hvis de forsøger at servicere eller udskifte disse cellestable kort efter drift. For eksempel kan et metalværktøj, såsom en skruenøgle, utilsigtet bygge bro mellem en cellestabel positiv strømterminalplade og en jordforbundet metalstøtteramme, der trækker en stor strøm eller en elektrisk lysbue med skader og skader som et uønsket resultat. Personale, der ikke bærer passende isolerende beskyttelsesudstyr, er også i fare.

Bedste praksis for vedligeholdelses- og servicepersonale er at verificere, at der ikke er nogen væsentlig elektrisk ladning tilbage i cellestablen, før sikkerhedsafskærmninger og elektriske forbindelser fjernes fra cellestablen. Personale rådes til at udføre en cellestakspændingsmåling for at verificere, at cellestablen er afladet. I nogle tilfælde kan servicepersonale også anvende et korrekt designet serviceværktøj, der består af en højstrøms kortslutningsmodstand på tværs af den afladede cellestak som en ekstra beskyttelse.

Produkter sælges i alle regioner i Kina og eksporteres til lande rundt om i verden. De er blevet solgt i mere end 20 lande og regioner, herunder USA, Tyskland, Marokko, Kenya, Saudi-Arabien, Vietnam, Algeriet, Indien, Tanzania og Taiwan. Med succes leveret velkendte virksomheder som China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group og andre velkendte virksomheder. Der er mange grønne brinthydrogeneringsstationer, såsom Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, osv. leverer grønne og brintfremstillede projekter.