Vesielektrolysaattori vedylle

Elektrolyysi on lupaava vaihtoehto hiilettömään vedyn tuotantoon uusiutuvista ja ydinvoimavaroista. Elektrolyysi on prosessi, jossa käytetään sähköä veden jakamiseen vedyksi ja hapeksi. Tämä reaktio tapahtuu yksikössä, jota kutsutaan elektrolysaattoriksi. Elektrolysaattorit voivat olla kooltaan pieniä pienistä laitekokoisista laitteista, jotka soveltuvat hyvin pienimuotoiseen hajautettuun vedyn tuotantoon, suuriin, keskitettyihin tuotantolaitoksiin, jotka voidaan liittää suoraan uusiutuviin tai muihin kasvihuonekaasuja ei-päästöihin. sähkön tuotanto.

Kuinka se toimii
Polttokennojen tavoin elektrolysaattorit koostuvat anodista ja katodista, jotka on erotettu elektrolyytillä. Eri elektrolysaattorit toimivat eri tavoin, pääasiassa erityyppisten elektrolyyttimateriaalien ja sen johtamien ionien vuoksi.

Polymeerielektrolyyttikalvoelektrolysaattorit
Polymeerielektrolyyttikalvon (PEM) elektrolysaattorissa elektrolyytti on kiinteää erikoismuovimateriaalia.

Vesi reagoi anodilla muodostaen happea ja positiivisesti varautuneita vetyioneja (protoneja).
Elektronit virtaavat ulkoisen piirin läpi ja vetyionit liikkuvat selektiivisesti PEM:n poikki katodille.
Katodilla vetyionit yhdistyvät ulkoisen piirin elektronien kanssa muodostaen vetykaasua. Anodireaktio: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Katodireaktio: 4H+ + 4e- → 2H2

Alkaliset elektrolysaattorit
Alkaliset elektrolysaattorit toimivat siirtämällä hydroksidi-ioneja (OH-) elektrolyytin läpi katodista anodille, jolloin katodipuolella syntyy vetyä. Elektrolysaattoreita, joissa käytetään nestemäistä alkalista natrium- tai kaliumhydroksidiliuosta elektrolyyttinä, on ollut kaupallisesti saatavilla useiden vuosien ajan. Uudemmat lähestymistavat, joissa käytetään kiinteitä alkalinvaihtokalvoja (AEM) elektrolyyttinä, ovat lupaavia laboratoriomittakaavassa.

Kiinteäoksidielektrolysaattorit
Kiinteäoksidielektrolysaattorit, joissa käytetään kiinteää keraamista materiaalia elektrolyyttinä, joka johtaa selektiivisesti negatiivisesti varautuneita happiioneja (O2-) korotetuissa lämpötiloissa, tuottavat vetyä hieman eri tavalla.
Katodilla oleva höyry yhdistyy ulkoisen piirin elektronien kanssa muodostaen vetykaasua ja negatiivisesti varautuneita happi-ioneja.
Happi-ionit kulkevat kiinteän keraamisen kalvon läpi ja reagoivat anodilla muodostaen happikaasua ja tuottaen elektroneja ulkoista piiriä varten.
Kiinteäoksidielektrolysaattorien on toimittava riittävän korkeissa lämpötiloissa, jotta kiinteäoksidikalvot toimisivat kunnolla (noin 700–800 astetta verrattuna PEM-elektrolysaattoreihin, jotka toimivat 70–90 asteessa, ja kaupallisiin emäksisiin elektrolysaattoreihin, jotka tyypillisesti toimivat alle 100 astetta). Kehittyneet laboratoriomittakaavaiset kiinteäoksidielektrolysaattorit, jotka perustuvat protoneja johtaviin keraamisiin elektrolyytteihin, ovat lupaavia alentaa käyttölämpötilaa 500-600 asteeseen. Kiinteäoksidielektrolysaattorit voivat käyttää tehokkaasti lämpöä, joka on saatavilla näissä korkeissa lämpötiloissa (eri lähteistä, mukaan lukien ydinenergia) vähentääkseen vedyn tuottamiseen tarvittavan sähköenergian määrää.

Miksi tätä polkua harkitaan
Elektrolyysi on johtava vedyn tuotantoreitti Hydrogen Energy Earthshot -tavoitteen saavuttamiseksi alentaa puhtaan vedyn kustannuksia 80 % 1 dollariin kilolta 1 vuosikymmenessä ("1 1 1"). Elektrolyysillä tuotettu vety voi aiheuttaa nolla kasvihuonekaasupäästöjä käytetyn sähkön lähteestä riippuen. Elektrolyysin avulla tapahtuvan vedyn tuotannon hyötyjä ja taloudellista kannattavuutta arvioitaessa on otettava huomioon tarvittavan sähkön lähde, mukaan lukien sen hinta ja hyötysuhde sekä sähköntuotannosta aiheutuvat päästöt. Monilla maan alueilla nykyinen sähköverkko ei ole ihanteellinen elektrolyysissä tarvittavan sähkön tuottamiseen vapautuvien kasvihuonekaasujen ja tarvittavan polttoainemäärän vuoksi sähköntuotantoprosessin alhaisen hyötysuhteen vuoksi. Vedyn tuotantoa elektrolyysillä jatketaan uusiutuvien (tuuli-, aurinko-, vesi-, geoterminen) ja ydinenergiavaihtoehtojen osalta. Nämä vedyn tuotantoreitit johtavat käytännössä nollaan kasvihuonekaasupäästöihin ja kriteerien saastepäästöihin; Tuotantokustannuksia on kuitenkin alennettava merkittävästi, jotta ne olisivat kilpailukykyisiä kypsempien hiilipohjaisten reittien, kuten maakaasun reformoinnin, kanssa.

Mahdollisuus synergiaan uusiutuvan energian sähköntuotannon kanssa
Vedyn tuotanto elektrolyysillä voi tarjota mahdollisuuksia synergiaan dynaamisen ja ajoittaisen sähköntuotannon kanssa, mikä on ominaista joillekin uusiutuvan energian tekniikoille. Esimerkiksi vaikka tuulivoiman hinta on edelleen laskenut, tuulen luontainen vaihtelevuus on este tuulivoiman tehokkaalle käytölle. Vetypolttoaineen ja sähkön tuotanto voitaisiin integroida tuulipuistoon, mikä mahdollistaa joustavuuden siirtää tuotantoa niin, että resurssien saatavuus parhaiten vastaa järjestelmän toimintatarpeita ja markkinatekijöitä. Myös tuulivoimaloiden liiallisen sähköntuotannon aikoina sen sijaan, että sähköä rajoitettaisiin, kuten yleensä tehdään, on mahdollista käyttää tätä ylimääräistä sähköä tuottamaan vetyä elektrolyysin avulla.

On tärkeää huomata...
Nykypäivän verkkosähkö ei ole ihanteellinen sähkönlähde elektrolyysille, koska suurin osa sähköstä tuotetaan kasvihuonekaasupäästöihin johtavalla ja energiaintensiivisellä tekniikalla. Sähköntuotanto, jossa käytetään uusiutuvaa tai ydinenergiateknologiaa joko erillään verkosta tai kasvavana osana verkkoja, on mahdollinen vaihtoehto näiden rajoitusten voittamiseksi vedyn tuotannossa elektrolyysin avulla.

Elektrolyysiprosessissa tapahtuu kaksi erilaista ionisaatioprosessia samanaikaisesti. Sekä vesi että elektrolyytti kilpailevat tässä tapauksessa.

Elektrolyytti käy läpi saman ionisaatioprosessin kuin vesi. Sama hapettuminen ja pelkistyminen tapahtuisi elektrolyytissä.
Koska elektrolyytin anioni kilpailee hydroksidi-ionien kanssa luovuttaakseen elektronin ja kationi kilpailee vetyionin kanssa pelkistymisestä vastaanottamalla elektronin, elektrolyytti on valittava huolellisesti.

Elektrolyytin kationilla tulee olla pienempi elektrodipotentiaali kuin H+. Muista aina kaikissa elektrolyysissä elektrolyytin kationin elektrodipotentiaalin tulee olla pienempi kuin elektrolysoitavan aineen kationin elektrodipotentiaalin ja elektrolyytin anionin elektrodipotentiaalin tulee olla suurempi kuin anionin elektrodipotentiaalin. elektrolysoitua ainetta.

Vihreän vedyn tuotanto uusiutuvilla energialähteillä on herättänyt riittävästi kiinnostusta veden elektrolyysiin vedyn tuottamiseksi. Veden elektrolyysi uusiutuvilla energialähteillä ilman CO2-päästöjä nähdään lupaavana menetelmänä lisätä vedyn tuotantoa. Vuonna 2020 maailmanlaajuisesti tuotettiin noin 87 miljoonaa tonnia vetyä erilaisiin käyttötarkoituksiin, mukaan lukien öljynjalostus, ammoniakin (NH3) (Haber-prosessin kautta) ja metanolin (CH3OH) tuotanto (hiilimonoksidin [CO] pelkistys) ja mm. kuljetuspolttoainetta. Vedyn kysynnän odotetaan nousevan 500-680 miljoonaan tonniin vuoteen 2050 mennessä. Vedyn tuotantomarkkinoiden arvoksi arvioitiin 130 miljardia dollaria vuosina 2020–2021, ja niiden odotetaan kasvavan 9,2 prosentin vuosivauhtia vuoteen 2030 mennessä. yli 95 % nykyisestä vedyn tuotannosta perustuu fossiilisiin polttoaineisiin, ja hyvin vähän on "vihreää". Nykyään vedyn tuotanto kuluttaa 6 prosenttia maailman maakaasusta ja 2 prosenttia maailman kivihiilestä. Siitä huolimatta vihreät vedyn tuotantotekniikat ovat saamassa suosiota.

Elektrolyysi on prosessi, joka käyttää sähköä veden jakamiseen H2:ksi ja O2:ksi. Sähköä on elektronien virtaus johtavan reitin, kuten langan, läpi. Tämä polku tunnetaan piirinä. Elektronit liikkuvat anodin ja katodin välisen sähköpotentiaalieron vuoksi. Anodissa on enemmän elektroneja ja se on epävakaampi elektronien ahtautumisesta johtuen. Elektronit haluavat järjestellä itsensä uudelleen eliminoidakseen eron. Elektronit hylkivät toisiaan ja yrittävät siirtyä paikkaan, jossa on vähemmän elektroneja. Se on katodi.
Koska puhdas vesi ei johda sähköä, veden halkeaminen on hidas redox-reaktio.

Kemia
Elektrolysaattorissa on yksi katodi ja yksi anodi kytkettynä virtalähteeseen. Elektronit virtaavat aina anodilta katodille riippumatta siitä, mitä. Katodi on aina siellä, missä pelkistys tapahtuu, joten elektronien on oltava siellä. Hapetus on elektronien häviämistä ja pelkistyminen elektronien lisääntymistä.
Lyhyesti sanottuna negatiivisesti varautuneella katodilla tapahtuu pelkistysreaktio, jolloin katodista tulevat elektronit (e−) siirretään vetykationeille vetykaasun muodostamiseksi.
Katodi (pelkistys):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Positiivisesti varautuneessa anodissa tapahtuu hapetusreaktio, joka kehittää happikaasua ja antaa elektroneja anodille piirin täydentämiseksi
Anodi (hapetus): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Näiden reaktioiden yhdistelmä tuottaa:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
Katodilla syntyy H2:ta ja anodilla O2:ta.
Veden elektrolyysi vaatii vähintään 1,23 voltin potentiaalieron, vaikka sillä jännitteellä tarvitaan ulkoista lämpöä ympäristöstä.

Vesielektrolyysin kaksinapaiset kennopinot koostuvat monista yksittäisistä sähkökemiallisista kennoista sähkösarjoissa. Käytännössä vesielektrolyysikennopinot, jotka on juuri pysäytetty, voivat säilyttää merkittävän sähkövarauksen, koska jokaiseen kennoon jää jäännösvetyä ja happea. Yksin jätettynä voi kestää useita tunteja ennen kuin tämä sähkökemiallinen jäännösvaraus häviää. Järjestelmän huolto- ja huoltohenkilöstön on oltava erittäin varovainen yrittäessään huoltaa tai vaihtaa näitä kennopinoja pian käytön jälkeen. Esimerkiksi metallityökalu, kuten jakoavain, voi vahingossa muodostaa sillan kennopinon positiivisen virran liitinlevyn ja maadoitetun metallisen tukikehyksen välisen raon ja vetää suuren virran tai sähkökaaren, jonka seurauksena on vaurioita ja loukkaantumisia. Myös henkilöstö, joka ei käytä asianmukaisia ​​eristäviä suojavarusteita, on vaarassa.

Huolto- ja huoltohenkilöstön paras käytäntö on varmistaa, että kennopinossa ei ole merkittävää sähkövarausta, ennen kuin poistat turvasuojukset ja sähköliitännät kennopinosta. Henkilöstöä kehotetaan suorittamaan kennopinon jännitteen mittaus varmistaakseen, että kennopino on purkautunut. Joissakin tapauksissa huoltohenkilöstö voi myös käyttää oikein suunniteltua huoltotyökalua, joka koostuu suurvirran oikosulkuvastuksesta purkautuvan kennopinon poikki ylimääräisenä suojana.

Tuotteita myydään kaikilla Kiinan alueilla ja viedään maihin ympäri maailmaa. Niitä on myyty yli 20 maassa ja alueella, mukaan lukien Yhdysvallat, Saksa, Marokko, Kenia, Saudi-Arabia, Vietnam, Algeria, Intia, Tansania ja Taiwan. Onnistuneesti toimitettuja tunnettuja yrityksiä, kuten China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group ja muut tunnetut yritykset. On olemassa monia vihreitä vetyvetyhydrausasemia, kuten Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming jne. tarjoavat vihreitä ja vetyä tuottavia projekteja.