Electrolitzador d'aigua per a hidrogen

L'electròlisi és una opció prometedora per a la producció d'hidrogen sense carboni a partir de recursos renovables i nuclears. L'electròlisi és el procés d'utilitzar l'electricitat per dividir l'aigua en hidrogen i oxigen. Aquesta reacció té lloc en una unitat anomenada electrolitzador. Els electròlitzadors poden variar en grandària des d'equips de la mida d'un aparell petit que siguin adequats per a la producció d'hidrogen distribuït a petita escala fins a instal·lacions centrals de producció a gran escala que es podrien vincular directament a formes renovables o altres que no emeten gasos d'efecte hivernacle. producció d'electricitat.

Com funciona
Igual que les piles de combustible, els electròlitzadors consisteixen en un ànode i un càtode separats per un electròlit. Els diferents electròlitzadors funcionen de diferents maneres, principalment a causa del diferent tipus de material electròlit implicat i de les espècies iòniques que condueix.

Electrolitzadors de membrana d'electròlits de polímer
En un electrolitzador de membrana d'electròlit de polímer (PEM), l'electròlit és un material plàstic especial sòlid.

L'aigua reacciona a l'ànode per formar oxigen i ions d'hidrogen carregats positivament (protons).
Els electrons flueixen a través d'un circuit extern i els ions d'hidrogen es mouen selectivament a través del PEM fins al càtode.
Al càtode, els ions d'hidrogen es combinen amb els electrons del circuit extern per formar gas hidrogen. Reacció de l'ànode: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Reacció del càtode: 4H+ + 4e- → 2H2

Electrolitzadors alcalins
Els electrolitzadors alcalins operen mitjançant el transport d'ions hidròxid (OH-) a través de l'electròlit des del càtode fins a l'ànode i es genera hidrogen al costat del càtode. Els electrolitzadors que utilitzen una solució alcalina líquida d'hidròxid de sodi o potassi com a electròlit estan disponibles comercialment durant molts anys. Els enfocaments més nous que utilitzen membranes d'intercanvi alcalí sòlid (AEM) com a electròlit són prometedors a escala de laboratori.

Electrolitzadors d'òxid sòlid
Els electrolitzadors d'òxid sòlid, que utilitzen un material ceràmic sòlid com a electròlit que condueix selectivament ions d'oxigen carregats negativament (O2-) a temperatures elevades, generen hidrogen d'una manera lleugerament diferent.
El vapor del càtode es combina amb els electrons del circuit extern per formar gas hidrogen i ions d'oxigen carregats negativament.
Els ions d'oxigen travessen la membrana ceràmica sòlida i reaccionen a l'ànode per formar gas d'oxigen i generar electrons per al circuit extern.
Els electrolitzadors d'òxid sòlid han de funcionar a temperatures prou elevades perquè les membranes d'òxid sòlid funcionin correctament (al voltant de 700 graus -800 graus, en comparació amb els electròlitzadors PEM, que funcionen a 70 graus -90 graus, i els electrolitzadors alcalins comercials, que normalment funcionen a menys de 100 graus). Els electrolitzadors d'òxid sòlid a escala de laboratori avançats basats en electròlits ceràmics conductors de protons mostren una promesa per reduir la temperatura de funcionament a 500 graus -600 graus. Els electrolitzadors d'òxid sòlid poden utilitzar eficaçment la calor disponible a aquestes temperatures elevades (de diverses fonts, inclosa l'energia nuclear) per disminuir la quantitat d'energia elèctrica necessària per produir hidrogen a partir de l'aigua.

Per què es considera aquesta via
L'electròlisi és una via de producció d'hidrogen líder per assolir l'objectiu d'Hydrogen Energy Earthshot de reduir el cost de l'hidrogen net en un 80% a 1 $ per cada quilogram en 1 dècada ("1 1 1"). L'hidrogen produït mitjançant electròlisi pot provocar zero emissions de gasos d'efecte hivernacle, depenent de la font d'electricitat utilitzada. La font de l'electricitat requerida -incloent el seu cost i eficiència, així com les emissions derivades de la generació d'electricitat- s'ha de tenir en compte a l'hora d'avaluar els beneficis i la viabilitat econòmica de la producció d'hidrogen mitjançant electròlisi. En moltes regions del país, la xarxa elèctrica actual no és ideal per proporcionar l'electricitat necessària per a l'electròlisi a causa dels gasos d'efecte hivernacle alliberats i la quantitat de combustible requerida a causa de la baixa eficiència del procés de generació d'electricitat. Es persegueix la producció d'hidrogen mitjançant electròlisi per a opcions d'energia renovable (eòlica, solar, hidràulica, geotèrmica) i nuclear. Aquestes vies de producció d'hidrogen donen lloc a pràcticament zero emissions de gasos d'efecte hivernacle i criteris contaminants; no obstant això, el cost de producció s'ha de reduir significativament per ser competitiu amb vies més madures basades en carboni, com ara la reforma del gas natural.

Potencial de sinergia amb la generació d'energia renovable
La producció d'hidrogen mitjançant electròlisi pot oferir oportunitats de sinergia amb la generació d'energia dinàmica i intermitent, que és característica d'algunes tecnologies d'energies renovables. Per exemple, tot i que el cost de l'energia eòlica ha continuat baixant, la variabilitat inherent del vent és un impediment per a l'ús efectiu de l'energia eòlica. El combustible d'hidrogen i la generació d'energia elèctrica es podrien integrar en un parc eòlic, permetent flexibilitat per canviar la producció per adaptar millor la disponibilitat de recursos amb les necessitats operatives del sistema i els factors del mercat. Així mateix, en temps d'excés de producció d'electricitat dels parcs eòlics, en comptes de reduir l'electricitat com es fa habitualment, és possible utilitzar aquest excés d'electricitat per produir hidrogen mitjançant electròlisi.

És important tenir en compte...
L'electricitat de la xarxa actual no és la font ideal d'electricitat per a l'electròlisi perquè la major part de l'electricitat es genera mitjançant tecnologies que generen emissions de gasos d'efecte hivernacle i consumeixen energia. La generació d'electricitat mitjançant tecnologies d'energia renovable o nuclear, ja sigui separada de la xarxa, o com una part creixent de la combinació de la xarxa, és una possible opció per superar aquestes limitacions per a la producció d'hidrogen mitjançant electròlisi.

En un procés d'electròlisi, es produeixen dos processos d'ionització diferents al mateix temps. Tant l'aigua com l'electròlit competeixen en aquest cas.

Un electròlit experimenta el mateix procés d'ionització que l'aigua. La mateixa oxidació i reducció es produiria en un electròlit.
Com que un anió de l'electròlit competeix amb els ions hidròxid per cedir un electró, i un catió competeix amb l'ió hidrogen per reduir-se acceptant l'electró, s'ha de triar un electròlit amb cura.

El catió de l'electròlit ha de tenir un potencial d'elèctrode més baix que H+. Recordeu sempre que en qualsevol electròlisi el potencial de l'elèctrode del catió de l'electròlit ha de ser inferior al potencial de l'elèctrode del catió de la substància que s'electròliza i el potencial de l'elèctrode de l'anió de l'electròlit ha de ser superior al potencial de l'elèctrode de l'anió de la substància que s'electrolitza.

La producció d'hidrogen verd amb fonts d'energia renovables ha despertat prou interès en l'electròlisi de l'aigua per produir hidrogen. L'electròlisi de l'aigua utilitzant fonts d'energia renovables sense emissions de CO2 es considera un mètode prometedor per augmentar la taxa de producció d'hidrogen. El 2020, es van produir aproximadament 87 milions de tones d'hidrogen a tot el món per a diversos usos, inclòs el refinament del petroli, la producció d'amoníac (NH3) (mitjançant el procés Haber) i metanol (CH3OH) (mitjançant la reducció de monòxid de carboni [CO]), i com a un combustible de transport. S'espera que la demanda d'hidrogen assoleixi els 500-680 milions de TM el 2050. El mercat de producció d'hidrogen es va valorar en 130.000 milions de dòlars entre el 2020 i el 2021 i s'espera que creixi a una taxa anual del 9,2% fins al 2030. Però hi ha un problema: més del 95% de la producció actual d'hidrogen es basa en combustibles fòssils, i molt poc és "verd". Actualment, la producció d'hidrogen consumeix el 6% del gas natural mundial i el 2% del carbó mundial. No obstant això, les tecnologies de producció d'hidrogen verd estan guanyant popularitat.

L'electròlisi és un procés que utilitza electricitat per dividir l'aigua en H2 i O2. El flux d'electrons a través d'un camí conductor, com un cable, és el que és l'electricitat. Aquest camí es coneix com a circuit. Els electrons es mouen a causa de la diferència de potencial elèctric entre l'ànode i el càtode. L'ànode té més electrons i és més inestable a causa de l'amuntegament d'electrons. Els electrons volen reordenar-se per eliminar la diferència. Els electrons es repelen i intenten moure's a un lloc amb menys electrons. Això és un càtode.
Com que l'aigua pura no condueix l'electricitat, la divisió de l'aigua és una reacció redox lenta.

Química
A l'electrolitzador, hi ha un càtode i un ànode connectats a una font d'alimentació. Els electrons sempre flueixen d'ànode a càtode, sigui el que passi. El càtode és sempre on es produeix la reducció, per tant els electrons han d'estar allà. L'oxidació és la pèrdua d'electrons i la reducció és el guany d'electrons.
Breument, al càtode carregat negativament, té lloc una reacció de reducció, amb electrons (e−) del càtode que es donen als cations d'hidrogen per formar hidrogen gasós.
Càtode (reducció): 2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
A l'ànode carregat positivament, es produeix una reacció d'oxidació, generant gas oxigen i donant electrons a l'ànode per completar el circuit.
Ànode (oxidació): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Una combinació d'aquestes reaccions produeix:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
L'H2 es produeix al càtode i l'O2 a l'ànode.
L'electròlisi de l'aigua requereix una diferència de potencial mínima d'1,23 volts, encara que a aquesta tensió es requereix calor externa de l'ambient.

Les piles de cèl·lules bipolars d'electròlisi d'aigua estan compostes per moltes cèl·lules electroquímiques individuals en sèries elèctriques. A la pràctica, les piles de cel·les d'electròlisi d'aigua que s'acaben d'aturar poden retenir una càrrega elèctrica important a causa de l'hidrogen i l'oxigen residuals que queden dins de cada cel·la. Si es deixa sol, aquesta càrrega electroquímica residual pot trigar moltes hores a dissipar-se. El personal de servei i manteniment del sistema ha de ser extremadament prudent si intenta reparar o substituir aquestes piles de cel·les poc després de l'operació. Per exemple, una eina metàl·lica com una clau anglesa podria salvar inadvertidament un buit entre una placa terminal de corrent positiu de la pila de cel·les i un marc de suport metàl·lic posat a terra, provocant un gran corrent o un arc elèctric amb danys i lesions com a resultat no desitjat. El personal que no porti l'equip de protecció aïllant adequat també corre risc.

La millor pràctica per al personal de manteniment i servei és verificar que no quedi cap càrrega elèctrica significativa a la pila de cel·les abans de treure els protectors de seguretat i les connexions elèctriques de la pila de cel·les. Es recomana al personal que realitzi una mesura de la tensió de la pila de cel·les per verificar que la pila de cel·les estigui descarregada. En alguns casos, el personal de servei també pot aplicar una eina de servei dissenyada adequadament composta per una resistència de curtcircuit d'alta corrent a través de la pila de cel·les descarregada com a salvaguarda addicional.

Els productes es venen a totes les regions de la Xina i s'exporten a països de tot el món. S'han venut a més de 20 països i regions, inclosos els Estats Units, Alemanya, el Marroc, Kenya, l'Aràbia Saudita, Vietnam, Algèria, l'Índia, Tanzània i Taiwan. Va proporcionar amb èxit empreses conegudes com China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group i altres empreses conegudes. Hi ha moltes estacions d'hidrogenació d'hidrogen verd com Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc. ofereixen projectes verds i de fabricació d'hidrogen.