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.
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:
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.
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.
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:
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.
Управление ядерной энергетики Министерства энергетики США реализует демонстрационные проекты по испытанию трех ядерных установок с высокотемпературным электролизом в Соединенных Штатах: [23]
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]
аустенитных сталей с содержанием хрома не менее 18% могут использоваться при температурах до 870°C, а [специализированные марки] даже выше.