Vannelektrolyser for hydrogen

Elektrolyse er et lovende alternativ for karbonfri hydrogenproduksjon fra fornybare og kjernefysiske ressurser. Elektrolyse er prosessen med å bruke elektrisitet til å splitte vann til hydrogen og oksygen. Denne reaksjonen finner sted i en enhet som kalles en elektrolysator. Elektrolysatorer kan variere i størrelse fra lite utstyr i apparatstørrelse som er godt egnet for distribuert hydrogenproduksjon i liten skala til storskala, sentrale produksjonsanlegg som kan knyttes direkte til fornybare eller andre ikke-klimagassutslippende former for elektrisitetsproduksjon.

Hvordan virker det
Som brenselceller består elektrolysatorer av en anode og en katode atskilt av en elektrolytt. Ulike elektrolysatorer fungerer på forskjellige måter, hovedsakelig på grunn av den forskjellige typen elektrolyttmateriale som er involvert og de ioniske artene den leder.

Polymerelektrolyttmembranelektrolysatorer
I en polymerelektrolyttmembran (PEM) elektrolysator er elektrolytten et solid spesialplastmateriale.

Vann reagerer ved anoden og danner oksygen og positivt ladede hydrogenioner (protoner).
Elektronene strømmer gjennom en ekstern krets og hydrogenionene beveger seg selektivt over PEM til katoden.
Ved katoden kombineres hydrogenioner med elektroner fra den eksterne kretsen for å danne hydrogengass. Anodereaksjon: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- katodereaksjon: 4H+ + 4e- → 2H2

Alkaliske elektrolysatorer
Alkaliske elektrolysatorer opererer via transport av hydroksydioner (OH-) gjennom elektrolytten fra katoden til anoden med hydrogen som genereres på katodesiden. Elektrolysatorer som bruker en flytende alkalisk løsning av natrium- eller kaliumhydroksid som elektrolytt har vært kommersielt tilgjengelig i mange år. Nyere tilnærminger som bruker solide alkaliske utvekslingsmembraner (AEM) som elektrolytten viser lovende på laboratorieskalaen.

Solid oxide elektrolysatorer
Fastoksidelektrolysatorer, som bruker et solid keramisk materiale som elektrolytten som selektivt leder negativt ladede oksygenioner (O2-) ved forhøyede temperaturer, genererer hydrogen på en litt annen måte.
Damp ved katoden kombineres med elektroner fra den eksterne kretsen for å danne hydrogengass og negativt ladede oksygenioner.
Oksygenionene passerer gjennom den faste keramiske membranen og reagerer ved anoden for å danne oksygengass og generere elektroner for den eksterne kretsen.
Elektrolysatorer for fast oksid må fungere ved temperaturer som er høye nok til at de faste oksidmembranene skal fungere ordentlig (omtrent 700 grader –800 grader sammenlignet med PEM-elektrolysatorer, som opererer ved 70 grader –90 grader, og kommersielle alkaliske elektrolysatorer, som vanligvis fungerer ved mindre enn 100 grader). Avanserte fastoksidelektrolysatorer i laboratorieskala basert på protonledende keramiske elektrolytter viser løfte om å senke driftstemperaturen til 500 grader –600 grader. De faste oksidelektrolysatorene kan effektivt bruke varme tilgjengelig ved disse høye temperaturene (fra forskjellige kilder, inkludert kjernekraft) for å redusere mengden elektrisk energi som trengs for å produsere hydrogen fra vann.

Hvorfor vurderes denne veien
Elektrolyse er en ledende hydrogenproduksjonsvei for å oppnå Hydrogen Energy Earthshot-målet om å redusere kostnadene for rent hydrogen med 80 % til $1 per 1 kilogram på 1 tiår ("1 1 1"). Hydrogen produsert via elektrolyse kan gi null klimagassutslipp, avhengig av kilden til elektrisiteten som brukes. Kilden til den nødvendige elektrisiteten – inkludert kostnadene og effektiviteten, samt utslippene fra elektrisitetsproduksjonen – må vurderes når man vurderer fordelene og den økonomiske levedyktigheten ved hydrogenproduksjon via elektrolyse. I mange regioner av landet er ikke dagens strømnett ideelt for å gi elektrisiteten som kreves for elektrolyse på grunn av drivhusgassene som slippes ut og mengden drivstoff som kreves på grunn av den lave effektiviteten til elektrisitetsproduksjonsprosessen. Hydrogenproduksjon via elektrolyse forfølges for fornybare (vind, sol, vann, geotermisk) og kjernekraft. Disse hydrogenproduksjonsveiene resulterer i praktisk talt null klimagasser og kriterier for forurensende utslipp; imidlertid må produksjonskostnadene reduseres betydelig for å være konkurransedyktige med mer modne karbonbaserte veier som naturgassreformering.

Potensial for synergi med kraftproduksjon for fornybar energi
Hydrogenproduksjon via elektrolyse kan gi muligheter for synergi med dynamisk og intermitterende kraftproduksjon, som er karakteristisk for enkelte fornybare energiteknologier. For eksempel, selv om kostnadene for vindkraft har fortsatt å synke, er den iboende variasjonen til vind et hinder for effektiv bruk av vindkraft. Hydrogenbrensel og elektrisk kraftproduksjon kan integreres i en vindpark, noe som gir fleksibilitet til å skifte produksjon slik at ressurstilgjengeligheten best samsvarer med systemets operasjonelle behov og markedsfaktorer. Dessuten, i tider med overflødig elektrisitetsproduksjon fra vindparker, i stedet for å begrense elektrisiteten slik man vanligvis gjør, er det mulig å bruke denne overskuddsstrømmen til å produsere hydrogen gjennom elektrolyse.

Det er viktig å merke seg...
Dagens nettelektrisitet er ikke den ideelle kilden til elektrisitet for elektrolyse fordi det meste av elektrisiteten genereres ved hjelp av teknologier som resulterer i klimagassutslipp og er energikrevende. Elektrisitetsproduksjon ved bruk av fornybar eller kjernefysisk energiteknologi, enten atskilt fra nettet, eller som en voksende del av nettblandingen, er et mulig alternativ for å overvinne disse begrensningene for hydrogenproduksjon via elektrolyse.

I en elektrolyseprosess foregår det to forskjellige ioniseringsprosesser samtidig. Både vann og elektrolytt konkurrerer i denne saken.

En elektrolytt gjennomgår samme ioniseringsprosess som vann. Den samme oksidasjonen og reduksjonen vil skje i en elektrolytt.
Fordi et anion fra elektrolytten konkurrerer med hydroksydionene om å gi fra seg et elektron, og et kation konkurrerer med hydrogenionet om å bli redusert ved å akseptere elektronet, må en elektrolytt velges med omhu.

Elektrolyttens kation må ha et lavere elektrodepotensial enn H+. Husk alltid ved enhver elektrolyse at elektrodepotensialet til kationen til elektrolytten skal være mindre enn elektrodepotensialet til kationen til stoffet som elektrolyseres, og elektrodepotensialet til anionen til elektrolytten bør være mer enn elektrodepotensialet til anionen til stoffet som elektrolyseres.

Produksjon av grønt hydrogen ved bruk av fornybare energikilder har vekket nok interesse for elektrolyse av vann for å produsere hydrogen. Vannelektrolyse ved bruk av fornybare energikilder uten CO2-utslipp blir sett på som en lovende metode for å øke hastigheten på hydrogenproduksjonen. I 2020 ble det produsert omtrent 87 millioner tonn hydrogen på verdensbasis for ulike bruksområder, inkludert oljeraffinering, produksjon av ammoniakk (NH3) (via Haber-prosessen) og metanol (CH3OH) (via reduksjon av karbonmonoksid [CO]), og som et transportdrivstoff. Etterspørselen etter hydrogen forventes å nå 500-680 millioner MT innen 2050. Hydrogenproduksjonsmarkedet ble verdsatt til 130 milliarder dollar fra 2020 til 2021 og forventes å vokse med 9,2 % årlig rate gjennom 2030. Men det er en hake: over 95 % av dagens hydrogenproduksjon er basert på fossilt brensel, og svært lite er «grønt». I dag bruker hydrogenproduksjon 6 % av global naturgass og 2 % av globalt kull. Ikke desto mindre blir teknologier for grønn hydrogenproduksjon stadig mer populær.

Elektrolyse er en prosess som bruker elektrisitet til å dele vann i H2 og O2. Strømmen av elektroner gjennom en ledende bane, for eksempel en ledning, er hva elektrisitet er. Denne banen er kjent som en krets. Elektronene beveger seg på grunn av den elektriske potensialforskjellen mellom anoden og katoden. Anoden har flere elektroner og er mer ustabil på grunn av elektrontrengning. Elektronene ønsker å omorganisere seg for å eliminere forskjellen. Elektroner frastøter hverandre og prøver å flytte til et sted med færre elektroner. Det er en katode.
Fordi rent vann ikke leder elektrisitet, er vannsplitting en langsom redoksreaksjon.

Kjemi
I elektrolysatoren er det en katode og en anode koblet til en strømkilde. Elektroner strømmer alltid fra anode til katode uansett. Katoden er alltid der reduksjonen skjer, derfor må elektroner være der. Oksidasjon er tap av elektroner og reduksjon er gevinsten av elektroner.
Kort fortalt, ved den negativt ladede katoden, finner en reduksjonsreaksjon sted, hvor elektroner (e−) fra katoden blir gitt til hydrogenkationer for å danne hydrogengass
Katode (reduksjon):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Ved den positivt ladede anoden oppstår en oksidasjonsreaksjon som genererer oksygengass og gir elektroner til anoden for å fullføre kretsen
Anode (oksidasjon): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
En kombinasjon av disse reaksjonene gir:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 produseres ved katoden og O2 ved anoden.
Elektrolyse av vann krever en minimumspotensialforskjell på 1,23 volt, men ved den spenningen kreves ekstern varme fra omgivelsene.

Vannelektrolyse bipolare cellestabler er sammensatt av mange individuelle elektrokjemiske celler i elektrisk serie. I praksis kan vannelektrolysecellestabler som nettopp har blitt stoppet beholde en betydelig elektrisk ladning på grunn av gjenværende hydrogen og oksygen i hver celle. Forlatt alene kan det ta mange timer før denne gjenværende elektrokjemiske ladningen forsvinner. Systemservice- og vedlikeholdspersonell må utvise ekstrem forsiktighet hvis de forsøker å utføre service eller bytte ut disse cellestablene like etter drift. For eksempel kan et metallverktøy som en skiftenøkkel utilsiktet bygge bro mellom en cellestabel positiv strømterminalplate og en jordet metallstøtteramme, trekke en stor strøm eller en elektrisk lysbue med skade og skade som et uønsket resultat. Personell som ikke bruker egnet isolerende verneutstyr er også i faresonen.

Beste praksis for vedlikeholds- og servicepersonell er å verifisere at ingen betydelig elektrisk ladning er igjen i cellestabelen før du fjerner sikkerhetsvern og elektriske koblinger fra cellestabelen. Personalet anbefales å utføre en spenningsmåling av cellestabelen for å bekrefte at cellestabelen er utladet. I noen tilfeller kan servicepersonell også bruke et riktig utformet serviceverktøy som består av en høystrøms kortslutningsmotstand over den utladede cellestabelen som en ekstra beskyttelse.

Produktene selges i alle regioner i Kina og eksporteres til land rundt om i verden. De har blitt solgt i mer enn 20 land og regioner, inkludert USA, Tyskland, Marokko, Kenya, Saudi-Arabia, Vietnam, Algerie, India, Tanzania og Taiwan. Vellykket levert velkjente virksomheter som China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group og andre kjente virksomheter. Det er mange grønne hydrogenhydrogeneringsstasjoner som Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc. gir grønne og hydrogenproduserende prosjekter.