Ηλεκτρολύτης Νερού για Υδρογόνο

Η ηλεκτρόλυση είναι μια πολλά υποσχόμενη επιλογή για παραγωγή υδρογόνου χωρίς άνθρακα από ανανεώσιμες και πυρηνικές πηγές. Η ηλεκτρόλυση είναι η διαδικασία χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας για τη διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο. Αυτή η αντίδραση λαμβάνει χώρα σε μια μονάδα που ονομάζεται ηλεκτρολύτης. Οι ηλεκτρολύτες μπορεί να ποικίλουν σε μέγεθος από εξοπλισμό μικρού μεγέθους συσκευής που είναι κατάλληλος για μικρής κλίμακας κατανεμημένη παραγωγή υδρογόνου έως μεγάλης κλίμακας, κεντρικές εγκαταστάσεις παραγωγής που θα μπορούσαν να συνδεθούν απευθείας με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ή άλλες μορφές που δεν εκπέμπουν αέρια του θερμοκηπίου. παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Πώς λειτουργεί
Όπως οι κυψέλες καυσίμου, οι ηλεκτρολύτες αποτελούνται από μια άνοδο και μια κάθοδο που χωρίζονται από έναν ηλεκτρολύτη. Διαφορετικοί ηλεκτρολύτες λειτουργούν με διαφορετικούς τρόπους, κυρίως λόγω του διαφορετικού τύπου ηλεκτρολυτικού υλικού που εμπλέκεται και των ιοντικών ειδών που μεταφέρει.

Ηλεκτρολυτές μεμβράνης πολυμερών ηλεκτρολυτών
Σε έναν ηλεκτρολύτη με μεμβράνη πολυμερούς ηλεκτρολύτη (PEM), ο ηλεκτρολύτης είναι ένα στερεό ειδικό πλαστικό υλικό.

Το νερό αντιδρά στην άνοδο για να σχηματίσει οξυγόνο και θετικά φορτισμένα ιόντα υδρογόνου (πρωτόνια).
Τα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος και τα ιόντα υδρογόνου κινούνται επιλεκτικά κατά μήκος του PEM προς την κάθοδο.
Στην κάθοδο, ιόντα υδρογόνου ενώνονται με ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα για να σχηματίσουν αέριο υδρογόνο. Αντίδραση ανόδου: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Αντίδραση καθόδου: 4H+ + 4e- → 2H2

Αλκαλικοί Ηλεκτρολυτές
Οι αλκαλικοί ηλεκτρολύτες λειτουργούν μέσω της μεταφοράς ιόντων υδροξειδίου (OH-) μέσω του ηλεκτρολύτη από την κάθοδο στην άνοδο με το υδρογόνο να παράγεται στην πλευρά της καθόδου. Ηλεκτρολυτές που χρησιμοποιούν υγρό αλκαλικό διάλυμα υδροξειδίου του νατρίου ή του καλίου ως ηλεκτρολύτη είναι εμπορικά διαθέσιμοι εδώ και πολλά χρόνια. Οι νεότερες προσεγγίσεις που χρησιμοποιούν στερεές μεμβράνες αλκαλικής ανταλλαγής (AEM) ως ηλεκτρολύτη δείχνουν πολλά υποσχόμενες στην εργαστηριακή κλίμακα.

Ηλεκτρολύτες Στερεού Οξειδίου
Οι ηλεκτρολύτες στερεού οξειδίου, οι οποίοι χρησιμοποιούν ένα στερεό κεραμικό υλικό ως ηλεκτρολύτη που μεταφέρει επιλεκτικά αρνητικά φορτισμένα ιόντα οξυγόνου (O2-) σε υψηλές θερμοκρασίες, παράγουν υδρογόνο με ελαφρώς διαφορετικό τρόπο.
Ο ατμός στην κάθοδο συνδυάζεται με ηλεκτρόνια από το εξωτερικό κύκλωμα για να σχηματίσει αέριο υδρογόνο και αρνητικά φορτισμένα ιόντα οξυγόνου.
Τα ιόντα οξυγόνου περνούν από τη στερεά κεραμική μεμβράνη και αντιδρούν στην άνοδο για να σχηματίσουν αέριο οξυγόνο και να δημιουργήσουν ηλεκτρόνια για το εξωτερικό κύκλωμα.
Οι ηλεκτρολύτες στερεού οξειδίου πρέπει να λειτουργούν σε θερμοκρασίες αρκετά υψηλές ώστε οι μεμβράνες στερεού οξειδίου να λειτουργούν σωστά (περίπου 700 μοίρες -800 μοίρες, σε σύγκριση με τους ηλεκτρολύτες PEM, που λειτουργούν στους 70 βαθμούς -90 μοίρες και τους εμπορικούς αλκαλικούς ηλεκτρολύτες, οι οποίοι συνήθως λειτουργούν σε λιγότερο από 100 μοίρες). Οι προηγμένοι ηλεκτρολύτες στερεών οξειδίων σε εργαστηριακή κλίμακα που βασίζονται σε κεραμικούς ηλεκτρολύτες αγώγιμου πρωτονίου δείχνουν πολλά υποσχόμενα για μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας στους 500 βαθμούς –600 βαθμούς. Οι ηλεκτρολύτες στερεού οξειδίου μπορούν να χρησιμοποιήσουν αποτελεσματικά τη διαθέσιμη θερμότητα σε αυτές τις υψηλές θερμοκρασίες (από διάφορες πηγές, συμπεριλαμβανομένης της πυρηνικής ενέργειας) για να μειώσουν την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται για την παραγωγή υδρογόνου από το νερό.

Γιατί εξετάζεται αυτό το μονοπάτι
Η ηλεκτρόλυση είναι μια κορυφαία οδός παραγωγής υδρογόνου για την επίτευξη του στόχου Hydrogen Energy Earthshot για μείωση του κόστους καθαρού υδρογόνου κατά 80% σε $1 ανά 1 κιλό σε 1 δεκαετία ("1 1 1"). Το υδρογόνο που παράγεται μέσω ηλεκτρόλυσης μπορεί να οδηγήσει σε μηδενικές εκπομπές αερίων θερμοκηπίου, ανάλογα με την πηγή της ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιείται. Η πηγή της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας - συμπεριλαμβανομένου του κόστους και της απόδοσής της, καθώς και των εκπομπών που προκύπτουν από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας - πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την αξιολόγηση των οφελών και της οικονομικής βιωσιμότητας της παραγωγής υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης. Σε πολλές περιοχές της χώρας, το σημερινό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας δεν είναι ιδανικό για την παροχή της ηλεκτρικής ενέργειας που απαιτείται για την ηλεκτρόλυση λόγω των αερίων του θερμοκηπίου που απελευθερώνονται και της ποσότητας καυσίμου που απαιτείται λόγω της χαμηλής απόδοσης της διαδικασίας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η παραγωγή υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης επιδιώκεται για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (αιολική, ηλιακή, υδροηλεκτρική, γεωθερμική) και πυρηνική ενέργεια. Αυτές οι οδοί παραγωγής υδρογόνου έχουν ως αποτέλεσμα ουσιαστικά μηδενικές εκπομπές αερίων θερμοκηπίου και κριτηρίων ρύπων. Ωστόσο, το κόστος παραγωγής πρέπει να μειωθεί σημαντικά για να είναι ανταγωνιστικό με πιο ώριμες οδούς που βασίζονται στον άνθρακα, όπως η αναμόρφωση του φυσικού αερίου.

Δυνατότητα συνέργειας με την παραγωγή ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές
Η παραγωγή υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης μπορεί να προσφέρει ευκαιρίες για συνέργεια με τη δυναμική και διακοπτόμενη παραγωγή ενέργειας, η οποία είναι χαρακτηριστικό ορισμένων τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Για παράδειγμα, αν και το κόστος της αιολικής ενέργειας συνέχισε να μειώνεται, η εγγενής μεταβλητότητα του ανέμου αποτελεί εμπόδιο στην αποτελεσματική χρήση της αιολικής ενέργειας. Η παραγωγή καυσίμου υδρογόνου και ηλεκτρικής ενέργειας θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε ένα αιολικό πάρκο, επιτρέποντας την ευελιξία να μετατοπιστεί η παραγωγή ώστε να ταιριάζει καλύτερα η διαθεσιμότητα των πόρων με τις λειτουργικές ανάγκες του συστήματος και τους παράγοντες της αγοράς. Επίσης, σε περιόδους πλεονάζουσας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από αιολικά πάρκα, αντί να περιορίζεται η ηλεκτρική ενέργεια όπως συνήθως γίνεται, είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί αυτή η περίσσεια ηλεκτρικής ενέργειας για την παραγωγή υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης.

Είναι σημαντικό να σημειωθεί...
Η σημερινή ηλεκτρική ενέργεια του δικτύου δεν είναι η ιδανική πηγή ηλεκτρικής ενέργειας για ηλεκτρόλυση, επειδή το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας παράγεται με τη χρήση τεχνολογιών που έχουν ως αποτέλεσμα εκπομπές αερίων θερμοκηπίου και είναι ενεργοβόρα. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγών ή πυρηνικής ενέργειας, είτε χωριστά από το δίκτυο, είτε ως αυξανόμενο τμήμα του μείγματος του δικτύου, είναι μια πιθανή επιλογή για να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί για την παραγωγή υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης.

Σε μια διαδικασία ηλεκτρόλυσης, δύο διαφορετικές διεργασίες ιονισμού λαμβάνουν χώρα ταυτόχρονα. Τόσο το νερό όσο και ο ηλεκτρολύτης ανταγωνίζονται σε αυτή την περίπτωση.

Ένας ηλεκτρολύτης υφίσταται την ίδια διαδικασία ιονισμού με το νερό. Η ίδια οξείδωση και αναγωγή θα συμβεί σε έναν ηλεκτρολύτη.
Επειδή ένα ανιόν από τον ηλεκτρολύτη ανταγωνίζεται τα ιόντα υδροξειδίου για να δώσει ένα ηλεκτρόνιο, και ένα κατιόν ανταγωνίζεται το ιόν υδρογόνου για να ανάγεται με την αποδοχή του ηλεκτρονίου, ένας ηλεκτρολύτης πρέπει να επιλεγεί με προσοχή.

Το κατιόν του ηλεκτρολύτη πρέπει να έχει μικρότερο δυναμικό ηλεκτροδίου από το Η+. Να θυμάστε πάντα σε κάθε ηλεκτρόλυση το δυναμικό ηλεκτροδίου του κατιόντος του ηλεκτρολύτη πρέπει να είναι μικρότερο από το δυναμικό ηλεκτροδίου του κατιόντος της ουσίας που ηλεκτρολύεται και το δυναμικό ηλεκτροδίου του ανιόντος του ηλεκτρολύτη πρέπει να είναι μεγαλύτερο από το δυναμικό ηλεκτροδίου του ανιόντος του ηλεκτρολύτη η ουσία που ηλεκτρολύεται.

Η παραγωγή πράσινου υδρογόνου με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας έχει προκαλέσει αρκετό ενδιαφέρον για την ηλεκτρόλυση του νερού για την παραγωγή υδρογόνου. Η ηλεκτρόλυση νερού με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας χωρίς εκπομπές CO2 θεωρείται μια πολλά υποσχόμενη μέθοδος αύξησης του ρυθμού παραγωγής υδρογόνου. Το 2020, περίπου 87 εκατομμύρια τόνοι υδρογόνου παρήχθησαν παγκοσμίως για διάφορες χρήσεις, συμπεριλαμβανομένης της διύλισης πετρελαίου, της παραγωγής αμμωνίας (NH3) (μέσω της διαδικασίας Haber) και μεθανόλης (CH3OH) (μέσω μείωσης μονοξειδίου του άνθρακα [CO]) και ως καύσιμο μεταφοράς. Η ζήτηση για υδρογόνο αναμένεται να φθάσει τα 500-680 εκατομμύρια τόνους έως το 2050. Η αγορά παραγωγής υδρογόνου αποτιμήθηκε σε 130 δισεκατομμύρια δολάρια από το 2020 έως το 2021 και αναμένεται να αυξηθεί με ετήσιο ρυθμό 9,2% έως το 2030. Αλλά υπάρχει ένα αλίευμα: πάνω από το 95% της τρέχουσας παραγωγής υδρογόνου βασίζεται σε ορυκτά καύσιμα, με πολύ λίγα να είναι «πράσινα». Σήμερα, η παραγωγή υδρογόνου καταναλώνει το 6% του παγκόσμιου φυσικού αερίου και το 2% του παγκόσμιου άνθρακα. Ωστόσο, οι τεχνολογίες παραγωγής πράσινων υδρογόνου κερδίζουν δημοτικότητα.

Η ηλεκτρόλυση είναι μια διαδικασία που χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό για να χωρίσει το νερό σε Η2 και Ο2. Η ροή των ηλεκτρονίων μέσω μιας αγώγιμης διαδρομής, όπως ένα σύρμα, είναι αυτό που είναι ηλεκτρισμός. Αυτή η διαδρομή είναι γνωστή ως κύκλωμα. Τα ηλεκτρόνια κινούνται λόγω της διαφοράς ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ της ανόδου και της καθόδου. Η άνοδος έχει περισσότερα ηλεκτρόνια και είναι πιο ασταθής λόγω του συνωστισμού ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια θέλουν να αναδιατάξουν τον εαυτό τους για να εξαλείψουν τη διαφορά. Τα ηλεκτρόνια απωθούν το ένα το άλλο και προσπαθούν να μετακινηθούν σε μια τοποθεσία με λιγότερα ηλεκτρόνια. Αυτό είναι μια κάθοδος.
Επειδή το καθαρό νερό δεν μεταφέρει ηλεκτρισμό, η διάσπαση του νερού είναι μια αργή αντίδραση οξειδοαναγωγής.

Χημεία
Στον ηλεκτρολύτη, υπάρχει μία κάθοδος και μία άνοδος συνδεδεμένες σε μια πηγή ισχύος. Τα ηλεκτρόνια ρέουν πάντα από την άνοδο στην κάθοδο ανεξάρτητα από το τι. Η κάθοδος είναι πάντα εκεί όπου συμβαίνει αναγωγή, επομένως τα ηλεκτρόνια πρέπει να υπάρχουν. Η οξείδωση είναι η απώλεια ηλεκτρονίων και η αναγωγή είναι το κέρδος ηλεκτρονίων.
Εν συντομία, στην αρνητικά φορτισμένη κάθοδο, λαμβάνει χώρα μια αντίδραση αναγωγής, με τα ηλεκτρόνια (e−) από την κάθοδο να δίνονται σε κατιόντα υδρογόνου για να σχηματίσουν αέριο υδρογόνο
Κάθοδος (αναγωγή):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Στη θετικά φορτισμένη άνοδο, συμβαίνει μια αντίδραση οξείδωσης, που δημιουργεί αέριο οξυγόνο και δίνει ηλεκτρόνια στην άνοδο για να ολοκληρώσει το κύκλωμα
Άνοδος (οξείδωση): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Ένας συνδυασμός αυτών των αντιδράσεων παράγει:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
Το Η2 παράγεται στην κάθοδο και το Ο2 στην άνοδο.
Η ηλεκτρόλυση του νερού απαιτεί ελάχιστη διαφορά δυναμικού 1,23 βολτ, αν και σε αυτή την τάση απαιτείται εξωτερική θερμότητα από το περιβάλλον.

Οι στοίβες διπολικών κυψελών ηλεκτρόλυσης νερού αποτελούνται από πολλά μεμονωμένα ηλεκτροχημικά στοιχεία σε ηλεκτρικές σειρές. Στην πράξη, οι στοίβες κυψελών ηλεκτρόλυσης νερού που μόλις σταμάτησαν μπορούν να διατηρήσουν ένα σημαντικό ηλεκτρικό φορτίο λόγω του υπολειπόμενου υδρογόνου και οξυγόνου που παραμένουν σε κάθε στοιχείο. Αφήνοντας μόνο του, μπορεί να χρειαστούν πολλές ώρες για να διαλυθεί αυτό το υπολειπόμενο ηλεκτροχημικό φορτίο. Το προσωπικό σέρβις και συντήρησης συστήματος πρέπει να είναι ιδιαίτερα προσεκτικό εάν επιχειρήσει να επισκευάσει ή να αντικαταστήσει αυτές τις στοίβες κυψελών αμέσως μετά τη λειτουργία. Για παράδειγμα, ένα μεταλλικό εργαλείο, όπως ένα κλειδί, θα μπορούσε κατά λάθος να γεφυρώσει ένα κενό μεταξύ μιας πλάκας ακροδεκτών θετικού ρεύματος στοίβας κυψελών και ενός γειωμένου μεταλλικού πλαισίου στήριξης, αντλώντας ένα μεγάλο ρεύμα ή ένα ηλεκτρικό τόξο με βλάβη και τραυματισμό ως ανεπιθύμητο αποτέλεσμα. Το προσωπικό που δεν φορά κατάλληλο μονωτικό προστατευτικό εξοπλισμό κινδυνεύει επίσης.

Η βέλτιστη πρακτική για το προσωπικό συντήρησης και σέρβις είναι να επαληθεύει ότι δεν παραμένει σημαντικό ηλεκτρικό φορτίο στη στοίβα κυψελών πριν αφαιρέσετε τα προστατευτικά ασφαλείας και τις ηλεκτρικές συνδέσεις από τη στοίβα κυψελών. Συνιστάται στο προσωπικό να πραγματοποιήσει μια μέτρηση τάσης στοίβας κυψελών για να επαληθεύσει ότι η στοίβα κυψελών έχει αποφορτιστεί. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το προσωπικό σέρβις μπορεί επίσης να εφαρμόσει ένα σωστά σχεδιασμένο εργαλείο σέρβις που αποτελείται από μια αντίσταση βραχυκυκλώματος υψηλού ρεύματος κατά μήκος της αποφορτισμένης στοίβας κυψελών ως πρόσθετη προστασία.

Τα προϊόντα πωλούνται σε όλες τις περιοχές της Κίνας και εξάγονται σε χώρες σε όλο τον κόσμο. Έχουν πουληθεί σε περισσότερες από 20 χώρες και περιοχές, συμπεριλαμβανομένων των Ηνωμένων Πολιτειών, της Γερμανίας, του Μαρόκου, της Κένυας, της Σαουδικής Αραβίας, του Βιετνάμ, της Αλγερίας, της Ινδίας, της Τανζανίας και της Ταϊβάν. Παρέχονται με επιτυχία γνωστές επιχειρήσεις όπως η China Aerospace, η PetroChina, η China Nuclear Group, η BYD, η Jiuli Specialty, η Tony Electronics, η Zheng Energy Group και άλλες γνωστές επιχειρήσεις. Υπάρχουν πολλοί σταθμοί υδρογόνωσης πράσινου υδρογόνου όπως οι Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming κ.λπ. παρέχουν έργα πρασίνου και παραγωγής υδρογόνου.