Высокотемпературный электролиз

Высокотемпературный электролиз (также ВТЭ, паровой электролиз, High-temperature electrolysis, HTE) — технология получения водорода из воды при высоких температурах[1].

Схема высокотемпературного электролиза

Эффективность

Высокотемпературный электролиз экономически более эффективен, чем традиционный электролиз при комнатной температуре, 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 температуре 2500 °C электрический ввод не требуется, потому что вода распадается на водород и кислород в результате термолиза. Однако такие температуры непрактичны; предлагаемые системы ВТЭ работают при температурах от 100 до 850 °C[2][3][4].

Эффективность высокотемпературного электролиза лучше всего оценить, если предположить, что используемое электричество поступает от теплового двигателя, а затем рассмотреть количество тепловой энергии, необходимое для производства 1 кг водорода (141,86 МДж) в сравнении с энергией, используемой в процессе. При 100 °C, требуется 350 МДж тепловой энергии (КПД 41%), при 850 °C — 225 МДж (КПД 64%).

Материалы

Очень важен выбор материалов для электродов и электролита в ячейке твердооксидного электролизера. В одном из исследуемых вариантов процесса[5] использовались электролиты из оксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия, никель-керметные паровые/водородные электроды и электроды из смешанного оксида лантана, стронция и кобальта и кислорода.

Экономический потенциал

Даже при использовании ВТЭ 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 ВТЭ не может конкурировать в качестве источника водорода с пиролизом углеводородов.

ВТЭ представляет интерес как углеродно-нейтральный способ получение топлива и хранения 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 ВТЭ являются нехимическими, включая ядерные реакторы, концентрирующие солнечные тепловые коллекторы и геотермальные источники. ВТЭ был продемонстрирован в лаборатории на 108 КДж (электрических) на грамм произведенного водорода, но не в промышленных масштабах. [6]

Рынок производства водорода

При наличии дешевого высокотемпературного источника тепла возможны другие методы производства водорода. В частности, термохимический серно-йодный цикл. Термохимическое производство может достичь более высокой эффективности, чем ВТЭ, 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 млн т в год в 2004 году, стоимость около $ 135 млрд в год) и растет примерно на 10% в год (см. «водородная экономика»). Этот рынок удовлетворяется путем пиролиза углеводородов для производства водорода, что приводит к выбросам CO2. Двумя основными потребителями являются нефтеперерабатывающие заводы и заводы по производству удобрений (каждый потребляет около половины всей продукции). Если автомобили, работающие на водороде, получат широкое распространение, их потребление значительно увеличит спрос на водород.

Марс ISRU

Высокотемпературный электролиз с твердооксидными электролизерными ячейками был использован для производства 5,37 грамма кислорода в час на Марсе из атмосферного углекислого газа для эксперимента Mars Oxygen ISRU в марсоходе NASA Mars 2020 Perseverance с использованием в устройстве для электролиза диоксида циркония[7][8][9].

Рекомендации

Примечания
  1. Hauch, A.; Ebbesen, S. D.; Jensen, S. H.; Mogensen, M. (2008). “Highly Efficient high temperature electrolysis”. J. Mater. Chem. 18: 2331—2340. DOI:10.1039/b718822f.
  2. Badwal, SPS (2012). “Hydrogen production via solid electrolytic routes”. WIREs Energy and Environment. 2 (5): 473—487. DOI:10.1002/wene.50.
  3. Hi2h2 - High temperature electrolysis using SOEC
  4. WELTEMP-Water electrolysis at elevated temperatures (недоступная ссылка). Дата обращения: 10 июня 2021. Архивировано 3 марта 2016 года.
  5. Kazuya Yamada, Shinichi Makino, Kiyoshi Ono, Kentaro Matsunaga, Masato Yoshino, Takashi Ogawa, Shigeo Kasai, Seiji Fujiwara, and Hiroyuki Yamauchi "High Temperature Electrolysis for Hydrogen Production Using Solid Oxide Electrolyte Tubular Cells Assembly Unit", presented at AICHE Annual Meeting, San Francisco, California, November 2006. abstract
  6. Nuclear hydrogen R&D plan (PDF) (недоступная ссылка). U.S. Dept. of Energy (March 2004). Дата обращения: 9 мая 2008. Архивировано 22 июня 2013 года.
  7. Wall. Oxygen-Generating Mars Rover to Bring Colonization Closer, Space.com (August 1, 2014). Дата обращения 5 ноября 2014.
  8. The Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) Архивная копия от 6 ноября 2014 на Wayback Machine PDF. Presentation: MARS 2020 Mission and Instruments". November 6, 2014.
  9. Potter. NASA’s Perseverance Mars Rover Extracts First Oxygen from Red Planet. NASA (21 апреля 2021). Дата обращения: 22 апреля 2021.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.