Water-elektrolyseapparaat voor waterstof

Elektrolyse is een veelbelovende optie voor koolstofvrije waterstofproductie uit hernieuwbare en nucleaire bronnen. Elektrolyse is het proces waarbij elektriciteit wordt gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Deze reactie vindt plaats in een eenheid die een elektrolyseur wordt genoemd. Elektrolyzers kunnen in grootte variëren van kleine apparatuur ter grootte van een apparaat die zeer geschikt is voor kleinschalige gedistribueerde waterstofproductie tot grootschalige, centrale productiefaciliteiten die rechtstreeks kunnen worden gekoppeld aan hernieuwbare of andere niet-broeikasgas-uitstotende vormen van waterstof. elektriciteit productie.

Hoe werkt het
Net als brandstofcellen bestaan ​​elektrolyseapparaten uit een anode en een kathode, gescheiden door een elektrolyt. Verschillende elektrolyseapparaten werken op verschillende manieren, voornamelijk vanwege het verschillende type elektrolytmateriaal dat erbij betrokken is en de ionische soorten die het geleidt.

Polymeer-elektrolyt-membraan-elektrolyseapparaten
In een polymeerelektrolytmembraan (PEM)-elektrolysator is de elektrolyt een vast speciaal kunststofmateriaal.

Water reageert aan de anode en vormt zuurstof en positief geladen waterstofionen (protonen).
De elektronen stromen door een extern circuit en de waterstofionen bewegen selectief over de PEM naar de kathode.
Bij de kathode combineren waterstofionen met elektronen uit het externe circuit om waterstofgas te vormen. Anodereactie: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-kathodereactie: 4H+ + 4e- → 2H2

Alkalische elektrolyzers
Alkalische elektrolyseapparaten werken via transport van hydroxide-ionen (OH-) door de elektrolyt van de kathode naar de anode, waarbij waterstof wordt gegenereerd aan de kathodezijde. Elektrolyzers die een vloeibare alkalische oplossing van natrium- of kaliumhydroxide als elektrolyt gebruiken, zijn al vele jaren in de handel verkrijgbaar. Nieuwere benaderingen waarbij gebruik wordt gemaakt van vaste alkalische uitwisselingsmembranen (AEM), omdat de elektrolyt veelbelovend is op laboratoriumschaal.

Vaste-oxide-elektrolysatoren
Vaste-oxide-elektrolyseapparaten, die een vast keramisch materiaal gebruiken als elektrolyt dat selectief negatief geladen zuurstofionen (O2-) geleidt bij verhoogde temperaturen, genereren waterstof op een iets andere manier.
Stoom aan de kathode combineert met elektronen uit het externe circuit om waterstofgas en negatief geladen zuurstofionen te vormen.
De zuurstofionen passeren het vaste keramische membraan en reageren bij de anode om zuurstofgas te vormen en elektronen te genereren voor het externe circuit.
Vaste-oxide-elektrolysatoren moeten werken bij temperaturen die hoog genoeg zijn om de vaste-oxidemembranen goed te laten functioneren (ongeveer 700 graden –800 graden, vergeleken met PEM-elektrolysatoren, die werken bij 70 graden –90 graden), en commerciële alkalische elektrolysatoren, die doorgaans werken bij minder dan 100 graden). Geavanceerde vaste-oxide-elektrolyseapparaten op laboratoriumschaal op basis van protongeleidende keramische elektrolyten zijn veelbelovend voor het verlagen van de bedrijfstemperatuur tot 500 graden –600 graden. De vaste-oxide-elektrolysatoren kunnen de warmte die beschikbaar is bij deze verhoogde temperaturen (uit verschillende bronnen, waaronder kernenergie) effectief gebruiken om de hoeveelheid elektrische energie te verminderen die nodig is om waterstof uit water te produceren.

Waarom wordt dit traject overwogen
Elektrolyse is een toonaangevend waterstofproductietraject om het Hydrogen Energy Earthshot-doel te bereiken: de kosten van schone waterstof met 80% verlagen tot $ 1 per kilogram in tien jaar ("1 1 1"). Waterstof geproduceerd via elektrolyse kan resulteren in een nuluitstoot van broeikasgassen, afhankelijk van de bron van de gebruikte elektriciteit. Bij de beoordeling van de voordelen en economische levensvatbaarheid van waterstofproductie via elektrolyse moet rekening worden gehouden met de bron van de benodigde elektriciteit, inclusief de kosten en efficiëntie ervan, evenals met de emissies als gevolg van de elektriciteitsopwekking. In veel regio's van het land is het huidige elektriciteitsnet niet ideaal om de elektriciteit te leveren die nodig is voor elektrolyse vanwege de vrijkomende broeikasgassen en de hoeveelheid brandstof die nodig is vanwege de lage efficiëntie van het elektriciteitsopwekkingsproces. Waterstofproductie via elektrolyse wordt nagestreefd voor hernieuwbare energie (wind, zon, waterkracht, geothermie) en kernenergie. Deze waterstofproductietrajecten resulteren in een vrijwel nuluitstoot van broeikasgassen en verontreinigende stoffen; de productiekosten moeten echter aanzienlijk worden verlaagd om concurrerend te zijn met meer volwassen, op koolstof gebaseerde routes, zoals de hervorming van aardgas.

Potentieel voor synergie met de opwekking van hernieuwbare energie
Waterstofproductie via elektrolyse kan kansen bieden voor synergie met dynamische en intermitterende energieopwekking, wat kenmerkend is voor sommige hernieuwbare energietechnologieën. Hoewel de kosten van windenergie bijvoorbeeld zijn blijven dalen, vormt de inherente variabiliteit van windenergie een belemmering voor het effectieve gebruik van windenergie. De opwekking van waterstofbrandstof en elektriciteit zou in een windpark kunnen worden geïntegreerd, waardoor de flexibiliteit ontstaat om de productie te verschuiven om de beschikbaarheid van hulpbronnen zo goed mogelijk af te stemmen op de operationele behoeften van het systeem en marktfactoren. Ook is het in tijden van overmatige elektriciteitsproductie uit windparken mogelijk om, in plaats van de elektriciteit in te perken zoals vaak wordt gedaan, deze overtollige elektriciteit te gebruiken om via elektrolyse waterstof te produceren.

Het is belangrijk op te merken...
Het huidige elektriciteitsnet is niet de ideale elektriciteitsbron voor elektrolyse, omdat de meeste elektriciteit wordt opgewekt met behulp van technologieën die broeikasgasemissies tot gevolg hebben en energie-intensief zijn. Elektriciteitsopwekking met behulp van technologieën voor hernieuwbare energie of kernenergie, hetzij los van het elektriciteitsnet, hetzij als een groeiend deel van de netwerkmix, is een mogelijke optie om deze beperkingen voor de productie van waterstof via elektrolyse te overwinnen.

Bij een elektrolyseproces vinden tegelijkertijd twee verschillende ionisatieprocessen plaats. Zowel water als elektrolyt concurreren in dit geval.

Een elektrolyt ondergaat hetzelfde ionisatieproces als water. Dezelfde oxidatie en reductie zou optreden in een elektrolyt.
Omdat een anion uit de elektrolyt concurreert met de hydroxide-ionen om een ​​elektron op te geven, en een kation concurreert met het waterstofion om gereduceerd te worden door het elektron te accepteren, moet een elektrolyt met zorg worden gekozen.

Het kation van de elektrolyt moet een lagere elektrodepotentiaal hebben dan H+. Onthoud altijd dat bij elke elektrolyse de elektrodepotentiaal van het kation van de elektrolyt kleiner moet zijn dan de elektrodepotentiaal van het kation van de stof die wordt geëlektrolyseerd en dat de elektrodepotentiaal van het anion van de elektrolyt hoger moet zijn dan de elektrodepotentiaal van het anion van de elektrolyt. de stof die wordt geëlektrolyseerd.

De productie van groene waterstof met behulp van hernieuwbare energiebronnen heeft voldoende belangstelling gewekt voor de elektrolyse van water om waterstof te produceren. Waterelektrolyse met behulp van hernieuwbare energiebronnen zonder CO2-uitstoot wordt gezien als een veelbelovende methode om de snelheid van de waterstofproductie te verhogen. In 2020 werd wereldwijd ongeveer 87 miljoen ton waterstof geproduceerd voor verschillende toepassingen, waaronder olieraffinage, de productie van ammoniak (NH3) (via het Haber-proces) en methanol (CH3OH) (via reductie van koolmonoxide [CO]), en als een transportbrandstof. De vraag naar waterstof zal naar verwachting tegen 2050 500-680 miljoen ton bereiken. De waterstofproductiemarkt werd tussen 2020 en 2021 geschat op 130 miljard dollar en zal naar verwachting tot 2030 jaarlijks met 9,2% groeien. Maar er zit een addertje onder het gras: ruim 95% van de huidige waterstofproductie is gebaseerd op fossiele brandstoffen, en er is maar heel weinig ‘groen’. Tegenwoordig verbruikt de waterstofproductie 6% van het mondiale aardgas en 2% van de mondiale steenkool. Niettemin winnen groene waterstofproductietechnologieën aan populariteit.

Elektrolyse is een proces waarbij elektriciteit wordt gebruikt om water te splitsen in H2 en O2. De stroom van elektronen door een geleidend pad, zoals een draad, is wat elektriciteit is. Dit pad staat bekend als een circuit. De elektronen bewegen vanwege het elektrische potentiaalverschil tussen de anode en de kathode. De anode heeft meer elektronen en is onstabieler vanwege elektronenverdringing. De elektronen willen zichzelf herschikken om het verschil te elimineren. Elektronen stoten elkaar af en proberen naar een locatie met minder elektronen te bewegen. Dat is een kathode.
Omdat zuiver water geen elektriciteit geleidt, is de splitsing van water een langzame redoxreactie.

Scheikunde
In de elektrolyseur zijn één kathode en één anode aangesloten op een stroombron. Elektronen stromen altijd van anode naar kathode, wat er ook gebeurt. De kathode is altijd waar reductie plaatsvindt, daarom moeten er elektronen aanwezig zijn. Oxidatie is het verlies van elektronen en reductie is de winst van elektronen.
In het kort vindt er bij de negatief geladen kathode een reductiereactie plaats, waarbij elektronen (e−) van de kathode aan waterstofkationen worden gegeven om waterstofgas te vormen.
Kathode (reductie):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Bij de positief geladen anode vindt een oxidatiereactie plaats, waarbij zuurstofgas wordt gegenereerd en elektronen aan de anode worden gegeven om het circuit te voltooien
Anode (oxidatie): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Een combinatie van deze reacties produceert:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 wordt geproduceerd aan de kathode en O2 aan de anode.
Voor de elektrolyse van water is een minimaal potentiaalverschil van 1,23 volt nodig, maar bij die spanning is externe warmte uit de omgeving nodig.

Bipolaire celstapels voor waterelektrolyse zijn samengesteld uit vele individuele elektrochemische cellen in elektrische series. In de praktijk kunnen waterelektrolysecelstapels die zojuist zijn gestopt een aanzienlijke elektrische lading behouden als gevolg van de resterende waterstof en zuurstof die in elke cel achterblijft. Als het alleen wordt gelaten, kan het vele uren duren voordat deze resterende elektrochemische lading is verdwenen. Service- en onderhoudspersoneel van het systeem moet uiterste voorzichtigheid betrachten als ze deze celstapels kort na gebruik proberen te repareren of vervangen. Een metalen gereedschap, zoals een moersleutel, kan bijvoorbeeld onbedoeld een opening overbruggen tussen een positieve stroomaansluitplaat van een celstapel en een geaard metalen steunframe, waardoor een grote stroom of een elektrische boog ontstaat met schade en letsel als ongewenst resultaat. Ook personeel dat geen geschikte isolerende beschermingsmiddelen draagt, loopt gevaar.

De beste praktijk voor onderhouds- en servicepersoneel is om te verifiëren dat er geen significante elektrische lading in de celstapel achterblijft voordat de veiligheidsvoorzieningen en elektrische verbindingen van de celstapel worden verwijderd. Het personeel wordt geadviseerd een spanningsmeting van de celstapel uit te voeren om te verifiëren dat de celstapel ontladen is. In sommige gevallen kan servicepersoneel als extra beveiliging ook een goed ontworpen servicetool gebruiken, bestaande uit een kortsluitweerstand met hoge stroomsterkte over de ontladen celstapel.

Producten worden verkocht in alle regio's van China en geëxporteerd naar landen over de hele wereld. Ze zijn verkocht in meer dan 20 landen en regio's, waaronder de Verenigde Staten, Duitsland, Marokko, Kenia, Saoedi-Arabië, Vietnam, Algerije, India, Tanzania en Taiwan. Met succes bekende ondernemingen geleverd zoals China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group en andere bekende ondernemingen. Er zijn veel groene waterstofhydrogeneringsstations zoals Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, enz. die groene en waterstofproductieprojecten bieden.