Высокотемпературный электролиз

Высокотемпературный электролиз (также HTE или паровой электролиз, или HTSE ) — это технология производства водорода из воды при высоких температурах или других продуктов, таких как железо 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 пагубных последствий сжигания ископаемого топлива ^{[ 6 ]} Для человека и окружающей среды HTE стал необходимой альтернативой и эффективным методом, с помощью которого водород можно получать в больших масштабах и использовать в качестве топлива. Видение HTE – движение к декарбонизации ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} во всех секторах экономики. Требования к материалам для этого процесса: источник тепла, электроды, электролит, мембрана электролизера и источник электричества.

Принцип

В этом процессе используется энергия (в виде тепла) 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 изготовления ячеек, становятся проводящими. Таким образом, начинают происходить электрохимические реакции, и клетка начинает функционировать, как только она достигает нужной температуры и подается электричество. ^{[ 9 ]} пока в него подается пар. Пар в конечном итоге разделится на водород (катод) и кислород (анод). ^{[ 10 ]} согласно уравнениям ниже:

{\ce {Overall: 2H2O -> 2H2 + O2}}

{\ce {Cathode: 2H2O ->2H + 2OH^{-}}}

{\ce {Anode: 2OH^{-}-> H2O + (1/2)O2}}

Эффективность

при комнатной температуре Высокотемпературный электролиз более эффективен с экономической точки зрения, чем традиционный электролиз , поскольку часть энергии подается в виде тепла, которое дешевле электричества, а также потому, что реакция электролиза более эффективна при более высоких температурах. Фактически, при температуре 2500 °C электрическое воздействие не требуется, поскольку вода распадается на водород и кислород в результате термолиза . Такие температуры непрактичны; предлагаемые системы HTE работают при температуре от 100 °C до 850 °C. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}

Если предположить, что используемая электроэнергия поступает от теплового двигателя , то для производства одного кг водорода потребуется 141,86 мегаджоулей (МДж) тепловой энергии. ^{[ нужны разъяснения ]}, для самого процесса HTE и для необходимой электроэнергии. При 100 °C требуется 350 МДж тепловой энергии (КПД 41%). При 850 °C требуется 225 МДж (эффективность 64%). При температуре выше 850 °C начинает превышаться способность стандартных хромистых сталей противостоять коррозии. ^{[ 16 ]} И уже непросто спроектировать и реализовать химический процесс промышленного масштаба, работающий при такой высокой температуре.

Материалы

Твердооксидные электролизеры (ТОЕЭ) — это электрохимические устройства, работающие при высоких температурах и используемые для высокотемпературного электролиза. Ингредиенты этих ячеек гарантируют, что устройство будет хорошо функционировать как физически, так и электрохимически при высоких температурах. ^{[ 9 ]} Поэтому выбор материалов электродов и электролита в ячейке твердооксидного электролизера имеет важное значение. Один из вариантов рассматриваемого процесса ^{[ 17 ]} использовали электролиты из оксида циркония, стабилизированного иттрием (YSZ), никелевые (Ni) -керметные паровые/водородные электроды и кислородные электроды на основе оксида лантана (La ₂ O ₃ ), стронция и кобальта .

Экономический потенциал

Даже при использовании HTE электролиз является довольно неэффективным способом хранения энергии. Значительные потери на преобразование энергии происходят как в процессе электролиза, так и при преобразовании образующегося водорода обратно в энергию.

При нынешних ценах на углеводороды HTE не может конкурировать с пиролизом углеводородов как экономичным источником водорода, при котором в качестве побочного продукта образуется углекислый газ.

HTE представляет интерес как более эффективный способ производства «зеленого» водорода , который будет использоваться в качестве углеродно-нейтрального топлива и общего хранилища энергии. Это может стать экономичным, если дешевые источники тепла из неископаемого топлива (концентрирующие солнечное, ядерное, геотермальное, отходящее тепло) могут использоваться в сочетании с источниками электроэнергии из неископаемого топлива (такими как солнечная энергия, ветер, океан, ядерная энергия).

Все возможные источники дешевого высокотемпературного тепла для HTE являются нехимическими, включая ядерные реакторы , концентрирующие солнечные тепловые коллекторы и геотермальные источники. HTE был продемонстрирован в лаборатории при 108 килоджоулях (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 он имеет потенциал нулевых выбросов. ^{[ 8 ]} Этот процесс обеспечивает улучшенную кинетику реакции расщепления молекулы воды. ^{[ 20 ]} Часть потребности в электроэнергии заменяется теплом, что делает его немного дешевле, поскольку электричество дороже, чем тепло.

Однако технология HTE имела ограничения из-за:

При температуре выше 100 °C электролиз жидкой воды требует создания давления и поэтому ограничивается разумно достижимым рабочим давлением. ^{[ 21 ]}
создание материалов, химически и физически устойчивых в условиях интенсивного окисления и восстановления, а также высоких рабочих температур. ^{[ 22 ]}
химическая и физическая стабильность при низкой электропроводности, высоких рабочих температурах и/или концентрациях ионов. ^{[ 22 ]}

Альтернативы

Известны сотни термохимических циклов, в которых используется тепло для извлечения водорода из воды. Например, термохимический цикл сера-йод . Поскольку этап производства электроэнергии имеет довольно низкий КПД и исключается, термохимическое производство может достичь более высокой эффективности, чем HTE. Однако крупномасштабное термохимическое производство потребует значительных успехов в разработке материалов, способных выдерживать высокие температуры, высокие давления и высокоагрессивные среды.

Министерство энергетики США

У Министерства энергетики Управления ядерной энергии есть демонстрационные проекты по испытанию трех ядерных установок с высокотемпературным электролизом в США по адресу: ^{[ 23 ]}

Марс ИСРУ

Высокотемпературный электролиз с твердооксидными электролизерами использовался для производства 5,37 граммов кислорода в час на Марсе из атмосферного углекислого газа для эксперимента ISRU Mars Oxygen ISRU на марсоходе NASA Mars 2020 Perseverance с использованием устройств для электролиза диоксида циркония. ^{[ 24 ]}^{[ 25 ]}^{[ 26 ]}

См. также

Ссылки

Высокотемпературный электролиз Министерства энергетики США

Сноски

^ Хаух, А.; Эббесен, SD; Дженсен, Ш.; Могенсен, М. (2008). «Высокоэффективный высокотемпературный электролиз». Дж. Матер. Хим . 18 (20): 2331–2340. дои : 10.1039/b718822f .
^ Лихт, Стюарт; У, Хунцзюнь (22 декабря 2011 г.). «STEP Iron, химия образования железа без выбросов CO 2 : растворимость расплавленного карбоната и электрохимия примесей железной руды» . Журнал физической химии C. 115 (50): 25138–25147. дои : 10.1021/jp2078715 . ISSN 1932-7447 .
^ Лихт, Стюарт; Цуй, Баочэнь; Ван, Баохуэй (1 сентября 2013 г.). «Улавливание углерода STEP – преимущество бария» . Журнал использования CO2 . 2 : 58–63. Бибкод : 2013JCOU....2...58L . дои : 10.1016/j.jcou.2013.03.006 . ISSN 2212-9820 .
^ Рен, Цзявэнь; Ю, Ао; Пэн, Пин; Лефлер, Мэтью; Ли, Фанг-Фанг; Лихт, Стюарт (19 ноября 2019 г.). «Последние достижения в области солнечной термоэлектрохимической обработки (STEP) для получения углеродно-нейтральных продуктов и ценных наноуглеродов» . Отчеты о химических исследованиях . 52 (11): 3177–3187. дои : 10.1021/acs.accounts.9b00405 . ISSN 0001-4842 . ПМИД 31697061 .
^ 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 14 апреля 2024 г.
^ «Информационный бюллетень | Воздействие ископаемого топлива на климат, окружающую среду и здоровье (2021 г.) | Официальные документы» . www.eesi.org . Проверено 14 апреля 2024 г.
^ Шива Кумар, С.; Лим, Ханквон (ноябрь 2022 г.). «Обзор технологий электролиза воды для производства зеленого водорода» . Энергетические отчеты . 8 : 13793–13813. Бибкод : 2022EnRep...813793S . дои : 10.1016/j.egyr.2022.10.127 . ISSN 2352-4847 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Зайнал, Бидаттул Сырат; Кер, Пин Джерн; Мохамед, Хасан; Онг, Хвай Чюань; Фаттах, ИМР; Рахман, С.М. Ашрафур; Нгием, Лонг Д.; Махлия, ТМ Индра (январь 2024 г.). «Последние достижения и оценка технологий производства зеленого водорода» . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 189 : 113941. doi : 10.1016/j.rser.2023.113941 . ISSN 1364-0321 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Крема, Луиджи; Тести, Маттео; Трини, Мартина (07.09.2021), 5. Высокотемпературный электролиз: эффективное и универсальное решение для множества применений , Де Грюйтер, стр. 219–268, doi : 10.1515/9783110596274-013 , ISBN 978-3-11-059627-4 , получено 14 апреля 2024 г.
^ Мужен, Дж. (2015), «Производство водорода высокотемпературным паровым электролизом» , Справочник по водородной энергетике , Elsevier, стр. 225–253, doi : 10.1016/b978-1-78242-361-4.00008-x , ISBN 978-1-78242-361-4 , получено 14 апреля 2024 г.
^ https://inldigitallibrary.inl.gov/sites/sti/sti/4480292.pdf . ^{[ только URL-адрес PDF ]}
^ Каламарас, Христос М.; Эфстатиу, Ангелос М. (2013). «Технологии производства водорода: современное состояние и перспективы развития» . Материалы конференции по энергетике . 2013 : 1–9. дои : 10.1155/2013/690627 .
^ Бадвал, СПС; Гидди С; Маннингс С. (2012). «Производство водорода твердоэлектролитическими путями» . ПРОВОДА Энергетика и окружающая среда . 2 (5): 473–487. дои : 10.1002/wene.50 . S2CID 135539661 .
^ Hi2h2 - Высокотемпературный электролиз с использованием SOEC.
^ Резюме итогового отчета - WELTEMP (Электролиз воды при повышенных температурах)
^ «Нержавеющая сталь – устойчивость к высоким температурам» . azom.com . АЗО Материалы. 8 января 2002 года . Проверено 6 августа 2021 г. Большинство аустенитных сталей с содержанием хрома не менее 18% можно использовать при температурах до 870°С и [специальных марок] даже выше.
^ Казуя Ямада, Шиничи Макино, Киёси Оно, Кентаро Мацунага, Масато Ёсино, Такаши Огава, Сигео Касаи, Сейджи Фудзивара и Хироюки Ямаути «Высокотемпературный электролиз для производства водорода с использованием узла сборки трубчатых ячеек с твердооксидным электролитом», представленный на ежегодном собрании AICHE , Сан-Франциско, Калифорния, ноябрь 2006 г. абстрактный
^ «Паровое тепло: исследователи готовятся к созданию полномасштабной водородной установки» (пресс-релиз). Наука Дейли . 19 сентября 2008 г.
^ «План исследований и разработок в области ядерного водорода» (PDF) . Министерство энергетики США . Март 2004 г. Архивировано из оригинала (PDF) 24 сентября 2013 г. Проверено 9 мая 2008 г.
^ 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 14 апреля 2024 г.
^ Ломанн-Рихтерс, ФП; Ренц, С.; Ленерт, В.; Мюллер, М.; Кармо, М. (01 ноября 2021 г.). «Обзор — проблемы и возможности увеличения плотности тока при щелочном электролизе за счет повышения рабочей температуры» . Журнал Электрохимического общества . 168 (11): 114501. Бибкод : 2021JElS..168k4501L . дои : 10.1149/1945-7111/ac34cc . ISSN 0013-4651 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Акар, Канан; Динсер, Ибрагим (01 января 2018 г.), Динсер, Ибрагим (редактор), «3.1 Производство водорода» , Комплексные энергетические системы , Оксфорд: Elsevier, стр. 1–40, doi : 10.1016/b978-0-12-809597 -3.00304-7 , ISBN 978-0-12-814925-6 , получено 14 апреля 2024 г.
^ «Три атомные электростанции готовятся к производству чистого водорода» .
^ Уолл, Майк (1 августа 2014 г.). «Марсоход, генерирующий кислород, приблизит колонизацию» . Space.com . Проверено 5 ноября 2014 г.
^ Марсианский кислородный эксперимент ISRU (MOXIE) PDF. Презентация: Миссия и инструменты «МАРС 2020». 6 ноября 2014 г.
^ Поттер, Шон (21 апреля 2021 г.). «Марсоход НАСА Perseverance извлек первый кислород с Красной планеты» . НАСА . Проверено 22 апреля 2021 г.

[1] Хаух, А.; Эббесен, SD; Дженсен, Ш.; Могенсен, М. (2008). «Высокоэффективный высокотемпературный электролиз». Дж. Матер. Хим . 18 (20): 2331–2340. дои : 10.1039/b718822f .

[2] Лихт, Стюарт; У, Хунцзюнь (22 декабря 2011 г.). «STEP Iron, химия образования железа без выбросов CO 2 : растворимость расплавленного карбоната и электрохимия примесей железной руды» . Журнал физической химии C. 115 (50): 25138–25147. дои : 10.1021/jp2078715 . ISSN 1932-7447 .

[3] Лихт, Стюарт; Цуй, Баочэнь; Ван, Баохуэй (1 сентября 2013 г.). «Улавливание углерода STEP – преимущество бария» . Журнал использования CO2 . 2 : 58–63. Бибкод : 2013JCOU....2...58L . дои : 10.1016/j.jcou.2013.03.006 . ISSN 2212-9820 .

[4] Рен, Цзявэнь; Ю, Ао; Пэн, Пин; Лефлер, Мэтью; Ли, Фанг-Фанг; Лихт, Стюарт (19 ноября 2019 г.). «Последние достижения в области солнечной термоэлектрохимической обработки (STEP) для получения углеродно-нейтральных продуктов и ценных наноуглеродов» . Отчеты о химических исследованиях . 52 (11): 3177–3187. дои : 10.1021/acs.accounts.9b00405 . ISSN 0001-4842 . ПМИД 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 14 апреля 2024 г.

[6] «Информационный бюллетень | Воздействие ископаемого топлива на климат, окружающую среду и здоровье (2021 г.) | Официальные документы» . www.eesi.org . Проверено 14 апреля 2024 г.

[7] Шива Кумар, С.; Лим, Ханквон (ноябрь 2022 г.). «Обзор технологий электролиза воды для производства зеленого водорода» . Энергетические отчеты . 8 : 13793–13813. Бибкод : 2022EnRep...813793S . дои : 10.1016/j.egyr.2022.10.127 . ISSN 2352-4847 .

[:0-8] Перейти обратно: ^а ^б Зайнал, Бидаттул Сырат; Кер, Пин Джерн; Мохамед, Хасан; Онг, Хвай Чюань; Фаттах, ИМР; Рахман, С.М. Ашрафур; Нгием, Лонг Д.; Махлия, ТМ Индра (январь 2024 г.). «Последние достижения и оценка технологий производства зеленого водорода» . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 189 : 113941. doi : 10.1016/j.rser.2023.113941 . ISSN 1364-0321 .

[:2-9] Перейти обратно: ^а ^б Крема, Луиджи; Тести, Маттео; Трини, Мартина (07.09.2021), 5. Высокотемпературный электролиз: эффективное и универсальное решение для множества применений , Де Грюйтер, стр. 219–268, doi : 10.1515/9783110596274-013 , ISBN 978-3-11-059627-4 , получено 14 апреля 2024 г.

[10] Мужен, Дж. (2015), «Производство водорода высокотемпературным паровым электролизом» , Справочник по водородной энергетике , Elsevier, стр. 225–253, doi : 10.1016/b978-1-78242-361-4.00008-x , ISBN 978-1-78242-361-4 , получено 14 апреля 2024 г.

[11] ttps://inldigitallibrary.inl.gov/sites/sti/sti/4480292.pdf . ^{[ только URL-адрес PDF ]}

[12] Каламарас, Христос М.; Эфстатиу, Ангелос М. (2013). «Технологии производства водорода: современное состояние и перспективы развития» . Материалы конференции по энергетике . 2013 : 1–9. дои : 10.1155/2013/690627 .

[Badwal_2012-13] Бадвал, СПС; Гидди С; Маннингс С. (2012). «Производство водорода твердоэлектролитическими путями» . ПРОВОДА Энергетика и окружающая среда . 2 (5): 473–487. дои : 10.1002/wene.50 . S2CID 135539661 .

[14] Hi2h2 - Высокотемпературный электролиз с использованием SOEC.

[15] Резюме итогового отчета - WELTEMP (Электролиз воды при повышенных температурах)

[16] «Нержавеющая сталь – устойчивость к высоким температурам» . azom.com . АЗО Материалы. 8 января 2002 года . Проверено 6 августа 2021 г. Большинство аустенитных сталей с содержанием хрома не менее 18% можно использовать при температурах до 870°С и [специальных марок] даже выше.

[17] Казуя Ямада, Шиничи Макино, Киёси Оно, Кентаро Мацунага, Масато Ёсино, Такаши Огава, Сигео Касаи, Сейджи Фудзивара и Хироюки Ямаути «Высокотемпературный электролиз для производства водорода с использованием узла сборки трубчатых ячеек с твердооксидным электролитом», представленный на ежегодном собрании AICHE , Сан-Франциско, Калифорния, ноябрь 2006 г. абстрактный

[INL-18] «Паровое тепло: исследователи готовятся к созданию полномасштабной водородной установки» (пресс-релиз). Наука Дейли . 19 сентября 2008 г.

[19] «План исследований и разработок в области ядерного водорода» (PDF) . Министерство энергетики США . Март 2004 г. Архивировано из оригинала (PDF) 24 сентября 2013 г. Проверено 9 мая 2008 г.

[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 14 апреля 2024 г.

[21] Ломанн-Рихтерс, ФП; Ренц, С.; Ленерт, В.; Мюллер, М.; Кармо, М. (01 ноября 2021 г.). «Обзор — проблемы и возможности увеличения плотности тока при щелочном электролизе за счет повышения рабочей температуры» . Журнал Электрохимического общества . 168 (11): 114501. Бибкод : 2021JElS..168k4501L . дои : 10.1149/1945-7111/ac34cc . ISSN 0013-4651 .

[:1-22] Перейти обратно: ^а ^б Акар, Канан; Динсер, Ибрагим (01 января 2018 г.), Динсер, Ибрагим (редактор), «3.1 Производство водорода» , Комплексные энергетические системы , Оксфорд: Elsevier, стр. 1–40, doi : 10.1016/b978-0-12-809597 -3.00304-7 , ISBN 978-0-12-814925-6 , получено 14 апреля 2024 г.

[23] «Три атомные электростанции готовятся к производству чистого водорода» .

[Wall_2014-24] Уолл, Майк (1 августа 2014 г.). «Марсоход, генерирующий кислород, приблизит колонизацию» . Space.com . Проверено 5 ноября 2014 г.

[GFSC-25] Марсианский кислородный эксперимент ISRU (MOXIE) PDF. Презентация: Миссия и инструменты «МАРС 2020». 6 ноября 2014 г.

[26] Поттер, Шон (21 апреля 2021 г.). «Марсоход НАСА Perseverance извлек первый кислород с Красной планеты» . НАСА . Проверено 22 апреля 2021 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]

v т и Статьи по электролизу / Стандартный электродный потенциал
Электролитические процессы	Электролитический процесс Беттса Процесс Кастнера Процесс Кастнера – Келлнера Хлорщелочной процесс Камера Даунса Электролиз углекислого газа Электролиз воды Электродобыча Процесс Холла – Эру Вольтаметр Гофмана электролиз Кольбе Обручи процесс Процесс Доу Бром Магний Электрохимическое фторирование Благотворительный процесс
Материалы, полученные электролизом	Алюминий (добыча) Кальций металлический хлор Медь Электролизованная вода Фтор Реакция выделения водорода Литий-металлический Металлический магний Калий металлический Металлический натрий Гидроксид натрия Цинк
См. также	Электрохимия Газовый крекер Стандартный электродный потенциал (страница данных) Электрология