Высокотемпературный электролиз

Технология получения водорода из воды
Схема высокотемпературного электролиза.
Декарбонизация экономики за счет водорода, полученного из HTE

Высокотемпературный электролиз (также HTE или паровой электролиз, или HTSE ) — это технология получения водорода из воды при высоких температурах или других продуктов, таких как железные или углеродные наноматериалы , поскольку более высокая энергия снижает необходимое электричество для расщепления молекул и открывает новые, потенциально лучшие электролиты, такие как расплавленные соли или гидроксиды. [1] [2] [3] [4] В отличие от электролиза при комнатной температуре, HTE работает в повышенных температурных диапазонах в зависимости от теплоемкости материала. [5] Из-за пагубного воздействия сжигания ископаемого топлива [6] на людей и окружающую среду, HTE стал необходимым альтернативным и эффективным методом, с помощью которого водород может быть получен в больших масштабах и использован в качестве топлива. Видение HTE заключается в движении к декарбонизации [7] [8] во всех секторах экономики. Требования к материалам для этого процесса: источник тепла, электроды, электролит, мембрана электролизера и источник электроэнергии.


Принцип

Процесс использует энергию (в форме тепла) из источников для преобразования воды в пар, который затем передается в электролитическую систему (состоящую из двух электродов, подключенных к источнику тока, электролита и мембраны). При высоких температурах (более 650 °C в большинстве топологий) материалы, используемые для создания ячеек, становятся проводящими. Поэтому начинают происходить электрохимические реакции, и ячейка начинает функционировать, как только она достигает нужной температуры и подается электричество [9] во время подачи в нее пара. В конечном итоге пар разделится на водород (катод) и кислород (анод) [10] в соответствии с уравнениями ниже:

Общий : 2 ЧАС 2 О 2 ЧАС 2 + О 2 {\displaystyle {\ce {В целом: 2H2O -> 2H2 + O2}}}
Катод : 2 ЧАС 2 О 2 ЧАС + 2 ОЙ {\displaystyle {\ce {Катод: 2H2O ->2H + 2OH^{-}}}}
Анод : 2 ОЙ ЧАС 2 О + ( 1 2 ) О 2 {\displaystyle {\ce {Анод: 2OH^{-}-> H2O + (1/2)O2}}}

Эффективность

Теоретическая эффективность термического расщепления воды. [11]
Эффективность 60% при 1000° C. Эффективность
паровой конверсии углеводородов в водород составляет 70-85% [12].

Высокотемпературный электролиз более эффективен экономически, чем традиционный электролиз при комнатной температуре , поскольку часть энергии поставляется в виде тепла, что дешевле электричества, а также потому, что реакция электролиза более эффективна при более высоких температурах. Фактически, при 2500 °C электрический ввод не нужен, поскольку вода распадается на водород и кислород посредством термолиза . Такие температуры непрактичны; предлагаемые системы HTE работают в диапазоне от 100 °C до 850 °C. [13] [14] [15]

Если предположить, что используемое электричество поступает от теплового двигателя , то для производства одного кг водорода [ требуется разъяснение ] требуется 141,86 мегаджоулей (МДж) тепловой энергии для самого процесса HTE и для необходимого электричества. При 100 °C требуется 350 МДж тепловой энергии (эффективность 41%). При 850 °C требуется 225 МДж (эффективность 64%). Выше 850 °C начинает превышаться способность стандартных хромистых сталей противостоять коррозии [16] , и уже нелегко спроектировать и реализовать химический процесс промышленного масштаба для работы при такой высокой температуре.

Материалы

Твердооксидные электролизные ячейки (SOEC) представляют собой электрохимические устройства, которые работают при высоких температурах и используются для высокотемпературного электролиза. Компоненты этих ячеек гарантируют, что устройство будет хорошо работать как физически, так и электрохимически при высоких температурах. [9] Поэтому выбор материалов для электродов и электролита в твердооксидной электролитической ячейке имеет важное значение. Один из вариантов, исследуемых для процесса [17], использовал электролиты из стабилизированного иттрием циркония (YSZ), никель (Ni) -керметные паровые/водородные электроды и d-оксид оксида лантана (La 2 O 3 ), стронциевые и кобальтовые кислородные электроды.

Экономический потенциал

Даже с HTE электролиз является довольно неэффективным способом хранения энергии. Значительные потери преобразования энергии происходят как в процессе электролиза, так и при преобразовании полученного водорода обратно в электроэнергию.

При текущих ценах на углеводороды ВТЭ не может конкурировать с пиролизом углеводородов в качестве экономичного источника водорода, побочным продуктом которого является углекислый газ.

HTE представляет интерес как более эффективный путь к производству «зеленого» водорода , который будет использоваться в качестве углеродно-нейтрального топлива и общего хранилища энергии. Он может стать экономичным, если дешевые неископаемые топливные источники тепла (концентрация солнечного, ядерного, геотермального, отходящего тепла) могут использоваться в сочетании с неископаемыми топливными источниками электроэнергии (такими как солнце, ветер, океан, ядерное).

Возможные поставки дешевого высокотемпературного тепла для HTE являются нехимическими, включая ядерные реакторы , концентрирующие солнечные тепловые коллекторы и геотермальные источники. HTE была продемонстрирована в лаборатории при 108 килоджоулей (электрических) на грамм произведенного водорода, [18] но не в коммерческих масштабах. [19]

Преимущества и проблемы

Очевидно, что наиболее заметным преимуществом HTE является то, что он дает возможность получать зеленый водород в больших масштабах, поскольку имеет потенциал нулевых выбросов. [8] Процесс обеспечивает улучшенную кинетику реакции для расщепления молекулы воды. [20] Часть потребности в электричестве заменяется теплом, что делает его немного дешевле, поскольку электричество дороже тепла.

Однако технология HTE имела ограничения по следующим причинам:

  1. При температуре выше 100 °C электролиз жидкой воды требует создания давления и поэтому ограничен рабочим давлением, которое может быть разумно достигнуто. [21]
  2. создание материалов, которые химически и физически стабильны в условиях интенсивного окисления и восстановления, а также высоких рабочих температур. [22]
  3. химическая и физическая стабильность при низкой электропроводности, высоких рабочих температурах и/или ионных концентрациях. [22]

Альтернативы

Известны сотни термохимических циклов , использующих тепло для извлечения водорода из воды. Например, термохимический цикл серы-йода . Поскольку этап генерации электроэнергии имеет довольно низкую эффективность и исключается, термохимическое производство может достичь более высокой эффективности, чем HTE. Однако крупномасштабное термохимическое производство потребует значительных достижений в области материалов, которые могут выдерживать высокие температуры, высокое давление и высококоррозионные среды.

Министерство энергетики США

Управление ядерной энергетики Министерства энергетики США реализует демонстрационные проекты по испытанию трех ядерных установок с высокотемпературным электролизом в Соединенных Штатах: [23]

Марс ИСРУ

Высокотемпературный электролиз с использованием твердооксидных электролитических ячеек использовался для производства 5,37 грамма кислорода в час на Марсе из атмосферного углекислого газа для эксперимента Mars Oxygen ISRU на марсоходе NASA Mars 2020 Perseverance с использованием циркониевых электролизных устройств. [24] [25] [26]

Смотрите также

Ссылки

  • Высокотемпературный электролиз Министерства энергетики США

Сноски

  1. ^ Хаух, А.; Эббесен, С.Д.; Йенсен, С.Х.; Могенсен, М. (2008). «Высокоэффективный высокотемпературный электролиз». J. Mater. Chem . 18 (20): 2331–2340. doi :10.1039/b718822f.
  2. ^ Лихт, Стюарт; Ву, Хонгджун (2011-12-22). «STEP Iron, химия образования железа без выделения CO2: растворимость расплавленного карбоната и электрохимия примесей железной руды». Журнал физической химии C. 115 ( 50): 25138–25147. doi :10.1021/jp2078715. ISSN  1932-7447.
  3. ^ Licht, Stuart; Cui, Baochen; Wang, Baohui (2013-09-01). "STEP carbon capture – The barium advantage". Journal of CO2 Utilization . 2 : 58–63. Bibcode :2013JCOU....2...58L. doi :10.1016/j.jcou.2013.03.006. ISSN  2212-9820.
  4. ^ Ren, Jiawen; Yu, Ao; Peng, Ping; Lefler, Matthew; Li, Fang-Fang; Licht, Stuart (2019-11-19). «Последние достижения в области солнечного термического электрохимического процесса (STEP) для получения углеродно-нейтральных продуктов и высокоценных наноуглеродов». Accounts of Chemical Research . 52 (11): 3177–3187. doi :10.1021/acs.accounts.9b00405. ISSN  0001-4842. PMID  31697061.
  5. ^ Вальдеррама, Сезар (2016), «Высокотемпературный электролиз», в Дриоли, Энрико; Джорно, Лидиетта (ред.), Энциклопедия мембран , Берлин, Гейдельберг: Springer, стр. 937–939, doi :10.1007/978-3-662-44324-8_2122, ISBN 978-3-662-44324-8, получено 2024-04-14
  6. ^ "Информационный бюллетень | Влияние ископаемого топлива на климат, окружающую среду и здоровье (2021) | Белые книги". www.eesi.org . Получено 14.04.2024 .
  7. ^ Шива Кумар, С.; Лим, Ханквон (ноябрь 2022 г.). «Обзор технологий электролиза воды для производства зеленого водорода». Energy Reports . 8 : 13793–13813. Bibcode : 2022EnRep...813793S. doi : 10.1016/j.egyr.2022.10.127. ISSN  2352-4847.
  8. ^ ab Zainal, Bidattul Syirat; Ker, Pin Jern; Mohamed, Hassan; Ong, Hwai Chyuan; Fattah, IMR; Rahman, SM Ashrafur; Nghiem, Long D.; Mahlia, TM Indra (январь 2024 г.). "Последние достижения и оценка технологий производства зеленого водорода". Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 189 : 113941. Bibcode : 2024RSERv.18913941Z. doi : 10.1016/j.rser.2023.113941. ISSN  1364-0321.
  9. ^ ab Crema, Luigi; Testi, Matteo; Trini, Martina (2021-09-07), 5 Высокотемпературный электролиз: эффективное и универсальное решение для множества применений, De Gruyter, стр. 219–268, doi :10.1515/9783110596274-013, ISBN 978-3-11-059627-4, получено 2024-04-14
  10. ^ Mougin, J. (2015), «Производство водорода методом высокотемпературного электролиза пара», Compendium of Hydrogen Energy , Elsevier, стр. 225–253, doi :10.1016/b978-1-78242-361-4.00008-x, ISBN 978-1-78242-361-4, получено 2024-04-14
  11. ^ https://inldigitallibrary.inl.gov/sites/sti/sti/4480292.pdf [ пустой URL-адрес PDF ]
  12. ^ Каламарас, Христос М.; Эфстатиу, Ангелос М. (2013). «Технологии производства водорода: текущее состояние и будущее развитие». Материалы конференции по энергетике . 2013 : 1–9. doi : 10.1155/2013/690627 .
  13. ^ Badwal, SPS; Giddey S; Munnings C (2012). «Производство водорода с помощью твердотельных электролитических маршрутов». WIREs Energy and Environment . 2 (5): 473–487. doi :10.1002/wene.50. S2CID  135539661.
  14. ^ Hi2h2 - Высокотемпературный электролиз с использованием SOEC
  15. ^ Итоговый отчет – WELTEMP (Электролиз воды при повышенных температурах)
  16. ^ "Нержавеющая сталь - высокая термостойкость". azom.com . AZO Materials. 8 января 2002 г. . Получено 6 августа 2021 г. Большинство аустенитных сталей с содержанием хрома не менее 18% могут использоваться при температурах до 870°C, а [специализированные марки] даже выше.
  17. ^ Казуя Ямада, Шиничи Макино, Киёси Оно, Кентаро Мацунага, Масато Ёсино, Такаши Огава, Шигео Касаи, Сейджи Фудзивара и Хироюки Ямаути «Высокотемпературный электролиз для производства водорода с использованием твердооксидного электролита трубчатых ячеек», представленный на ежегодном собрании AICHE, Сан-Франциско, Калифорния, ноябрь 2006 г. аннотация
  18. ^ "Паровое тепло: исследователи готовятся к полномасштабной водородной установке" (пресс-релиз). Science Daily . 2008-09-19.
  19. ^ "План НИОКР по ядерному водороду" (PDF) . Министерство энергетики США . Март 2004 г. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-09-24 . Получено 2008-05-09 .
  20. ^ Старейшина, Рэйчел; Камминг, Денис; Могенсен, Могенс Бьерг (2015), «Высокотемпературный электролиз», Утилизация углекислого газа , Elsevier, стр. 183–209, doi : 10.1016/b978-0-444-62746-9.00011-6, ISBN 978-0-444-62746-9, получено 2024-04-14
  21. ^ Ломанн-Рихтерс, Ф. П.; Ренц, С.; Ленерт, В.; Мюллер, М.; Кармо, М. (2021-11-01). «Обзор — Проблемы и возможности увеличения плотности тока при щелочном электролизе путем повышения рабочей температуры». Журнал электрохимического общества . 168 (11): 114501. Bibcode : 2021JElS..168k4501L. doi : 10.1149/1945-7111/ac34cc . ISSN  0013-4651.
  22. ^ ab Acar, Canan; Dincer, Ibrahim (2018-01-01), Dincer, Ibrahim (ред.), "3.1 Производство водорода", Comprehensive Energy Systems , Oxford: Elsevier, стр. 1–40, doi :10.1016/b978-0-12-809597-3.00304-7, ISBN 978-0-12-814925-6, получено 2024-04-14
  23. ^ «Три атомные электростанции готовятся к производству чистого водорода».
  24. ^ Уолл, Майк (1 августа 2014 г.). «Кислородный марсоход приблизит колонизацию». Space.com . Получено 05.11.2014 .
  25. ^ Эксперимент ISRU по исследованию кислорода на Марсе (MOXIE) PDF. Презентация: Миссия и инструменты MARS 2020". 6 ноября 2014 г.
  26. ^ Поттер, Шон (21.04.2021). «Марсоход NASA Perseverance Mars Rover извлек первый кислород с Красной планеты». NASA . Получено 22.04.2021 .
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Высокотемпературный_электролиз&oldid=1244108000"