Высокотемпературный электролиз - High-temperature electrolysis

Схема высокотемпературного электролиза.

Высокотемпературный электролиз (также HTE или же паровой электролиз) - технология производства водород из воды при высоких температурах.[1]

Эффективность

Электролиз при высокой температуре экономически более эффективен, чем традиционный электролиз при комнатной температуре. электролиз потому что часть энергии поставляется в виде тепла, что дешевле, чем электричество, а также потому, что реакция электролиза более эффективна при более высоких температурах. Фактически, при 2500 ° C в подаче электроэнергии нет необходимости, потому что вода распадается на водород и кислород через термолиз. Такие температуры непрактичны; предлагаемые системы HTE работают при температуре от 100 ° C до 850 ° C.[2][3][4]

Повышение эффективности высокотемпературного электролиза лучше всего оценивается, если предположить, что используемое электричество поступает от Тепловой двигатель, а затем с учетом количества тепловой энергии, необходимой для производства одного кг водорода (141,86 мегаджоулей), как в самом процессе HTE, так и в производстве используемой электроэнергии. При 100 ° C требуется 350 мегаджоулей тепловой энергии (эффективность 41%). При температуре 850 ° C требуется 225 мегаджоулей (эффективность 64%).

Материалы

Выбор материалов электродов и электролита в ячейка твердооксидного электролизера необходимо. Один из вариантов исследуется для процесса[5] использовал оксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия (YSZ) электролиты никель-металлокерамика паровые / водородные электроды и кислородные электроды из смеси оксидов лантана, стронция и кобальта.

Экономический потенциал

Даже при использовании HTE электролиз - довольно неэффективный способ хранения энергии. Значительные потери энергии при преобразовании происходят как в процессе электролиза, так и при преобразовании образующегося водорода обратно в энергию.

При нынешних ценах на углеводороды HTE не может конкурировать с пиролиз углеводородов как экономичный источник водорода.

HTE представляет интерес как более эффективный способ производства водорода, который будет использоваться в качестве углеродно-нейтральный хранение топлива и энергии. Это может стать экономически выгодным, если дешевые источники тепла неископаемого топлива (концентрирующие солнечную, ядерную, геотермальную) можно будет использовать вместе с источниками электричества неископаемого топлива (такими как солнечная энергия, ветер, океан, атомная энергия).

Все возможные поставки дешевого высокотемпературного тепла для HTE нехимические, в том числе ядерные реакторы, концентрирующие солнечные тепловые коллекторы, и геотермальный источники. HTE был продемонстрирован в лаборатории при уровне 108 килоджоулей (электричество) на грамм произведенного водорода,[6] но не в коммерческих масштабах.[7]

Рынок производства водорода

При наличии дешевого высокотемпературного источника тепла возможны другие методы производства водорода. В частности, см. Термохимический серно-йодный цикл. Термохимическое производство может достичь более высокой эффективности, чем HTE, потому что не требуется тепловая машина. Однако крупномасштабное термохимическое производство потребует значительного прогресса в материалах, которые могут выдерживать высокие температуры, высокое давление и сильно коррозионные среды.

Рынок водорода велик (50 миллионов метрических тонн в год в 2004 году, стоимость около 135 миллиардов долларов в год) и растет примерно на 10% в год (см. водородная экономика ). Этот рынок удовлетворяется пиролизом углеводородов для производства водорода, что приводит к выбросам CO2. Двумя основными потребителями являются нефтеперерабатывающие заводы и заводы по производству удобрений (на каждый из них приходится около половины всей продукции). Если автомобили, работающие на водороде, получат широкое распространение, их потребление значительно повысит спрос на водород в водородной экономике.

Электролиз и термодинамика

Во время электролиза количество электроэнергии, которое необходимо добавить, равно изменению Свободная энергия Гиббса реакции плюс потери в системе. Потери могут (теоретически) быть сколь угодно близкими к нулю, поэтому максимум термодинамический КПД любого электрохимического процесса составляет 100%. На практике эффективность определяется как достигнутая электрическая работа, разделенная на изменение свободной энергии Гиббса реакции.

В большинстве случаев, например, при электролизе воды при комнатной температуре, ввод электричества больше, чем изменение энтальпии реакции, поэтому некоторая энергия выделяется в виде отходящее тепло. В случае электролиза пар на водород и кислород при высокой температуре, наоборот. Тепло поглощается из окружающей среды, и теплотворная способность производимого водорода выше, чем потребляемая электрическая мощность. В этом случае можно сказать, что КПД по отношению к подводимой электроэнергии превышает 100%. Максимальный теоретический КПД топливная ячейка является обратной величиной электролиза при той же температуре. Таким образом, невозможно создать вечное движение машина, объединив два процесса.

Марс ISRU

Смотрите также: Эксперимент Mars Oxygen ISRU и использование ресурсов на месте

Электролиз при высоких температурах с ячейки с твердооксидным электролизером также было предложено производить кислород на Марс из атмосферного углекислого газа с помощью устройств для электролиза диоксида циркония.[8][9]

Рекомендации

Сноски

  1. ^ Hauch, A .; Ebbesen, S.D .; Jensen, S.H .; Могенсен, М. (2008). «Высокоэффективный высокотемпературный электролиз». J. Mater. Chem. 18: 2331–2340. Дои:10.1039 / b718822f.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  2. ^ Бадвал, СПС; Гиддей С; Маннингс С. (2012). «Производство водорода по твердым электролитическим путям». ПРОВОДА Энергия и окружающая среда. 2 (5): 473–487. Дои:10.1002 / wene.50.
  3. ^ Hi2h2 - высокотемпературный электролиз с использованием SOEC
  4. ^ WELTEMP-Электролиз воды при повышенных температурах
  5. ^ Кадзуя Ямада, Шиничи Макино, Киёси Оно, Кентаро Мацунага, Масато Йошино, Такаши Огава, Шигео Касаи, Сэйдзи Фудзивара и Хироюки Ямаути «Высокотемпературный электролиз для производства водорода с использованием установки для сборки трубчатых элементов с твердым оксидным электролитом», представленная на ежегодной встрече AICHE Сан-Франциско, Калифорния, ноябрь 2006 г. Абстрактные
  6. ^ «Тепло пара: исследователи готовятся к созданию полномасштабной водородной установки» (Пресс-релиз). Science Daily. 2008-09-19.
  7. ^ «План исследований и разработок в области атомного водорода» (PDF). Департамент энергетики США. Март 2004 г. Архивировано с оригинал (PDF) на 2013-06-22. Получено 2008-05-09.
  8. ^ Уолл, Майк (1 августа 2014 г.). «Марсоход, производящий кислород, чтобы приблизить колонизацию». Space.com. Получено 2014-11-05.
  9. ^ Эксперимент Mars Oxygen ISRU (MOXIE) PDF. Презентация: Миссия и инструменты МАРС-2020 ». 6 ноября 2014 г.