Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема высокотемпературного электролиза.

Высокотемпературный электролиз (также HTE или паровой электролиз ) - это технология получения водорода из воды при высоких температурах. [1]

Эффективность [ править ]

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 2500 ° C в подаче электроэнергии нет необходимости, потому что вода распадается на водород и кислород в результате термолиза . 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 исходит от теплового двигателя , а затем рассмотреть количество тепловой энергии, необходимое для производства одного кг водорода (141,86 мегаджоулей), как в самом процессе HTE, так и также в производстве используемой электроэнергии. При 100 ° C требуется 350 мегаджоулей тепловой энергии (КПД 41%). При 850 ° C требуется 225 мегаджоулей (эффективность 64%).

Материалы [ править ]

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

Экономический потенциал [ править ]

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 пиролизом углеводородов как экономичный источник водорода.

HTE представляет интерес как более эффективный способ производства водорода, который будет использоваться в качестве углеродно-нейтрального топлива и общего хранилища 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, ядерная энергия).

Возможные поставки дешевого высокотемпературного тепла для высокотемпературного тепла не являются химическими, включая ядерные реакторы , концентрирующие солнечные тепловые коллекторы и геотермальные источники. HTE был продемонстрирован в лаборатории при уровне 108 килоджоулей (электричество) на грамм произведенного водорода [6], но не в промышленных масштабах. [7]

Рынок производства водорода [ править ]

При наличии дешевого высокотемпературного источника тепла возможны другие методы производства водорода. В частности, см. Термохимический серо-йодный цикл . Термохимическое производство может достичь более высокой эффективности, чем HTE, поскольку 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 (каждый потребляет около половины всей продукции). Если автомобили, работающие на водороде, получат широкое распространение, их потребление значительно увеличит спрос на водород в водородной экономике.

Электролиз и термодинамика [ править ]

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

В большинстве случаев, например, при электролизе воды при комнатной температуре, подводимое электричество больше, чем изменение энтальпии реакции, поэтому некоторая энергия выделяется в виде отходящего тепла . В случае электролиза пара на водород и кислород при высокой температуре верно обратное. Тепло поглощается из окружающей среды, и теплотворная способность производимого водорода выше, чем потребляемая электрическая энергия. В этом случае можно сказать, что КПД по отношению к подводимой электроэнергии превышает 100%. Максимальная теоретическая эффективность топливного элемента обратна эффективности электролиза при той же температуре. Таким образом, невозможно создать вечный двигатель , объединив два процесса.

Марс ISRU [ править ]

См. Также: Эксперимент Mars Oxygen ISRU и использование ресурсов на месте

Также был предложен высокотемпературный электролиз с использованием твердооксидных электролизеров для производства кислорода на Марсе из атмосферного углекислого газа с использованием устройств для электролиза диоксида циркония. [8] [9]

Ссылки [ править ]

  • Высокотемпературный электролиз Министерства энергетики США

Сноски [ править ]

  1. ^ Hauch, A .; Ebbesen, SD; Дженсен, SH; Могенсен, М. (2008). «Высокоэффективный высокотемпературный электролиз». J. Mater. Chem . 18 : 2331–2340. DOI : 10.1039 / b718822f .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  2. ^ Бадвал, СПС; Гиддей С; Маннингс С. (2012). «Производство водорода твердыми электролитическими способами» . ПРОВОДА Энергия и окружающая среда . 2 (5): 473–487. DOI : 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, Сейджи Фудзивара и Хироюки Ямаути «Высокотемпературный электролиз для производства водорода с использованием ежегодного собрания трубчатых элементов с оксидным электролитом», представленное на AICHE , Сан-Франциско, Калифорния, ноябрь 2006 г. аннотация
  6. ^ «Тепло пара: исследователи готовятся к полномасштабной водородной установке» (пресс-релиз). Science Daily . 19 сентября 2008 г.
  7. ^ "План исследований и разработок ядерного водорода" (PDF) . Министерство энергетики США . Март 2004. Архивировано из оригинального (PDF) 22.06.2013 . Проверено 9 мая 2008 .
  8. Перейти ↑ Wall, Mike (1 августа 2014 г.). «Марсоход, производящий кислород, чтобы приблизить колонизацию» . Space.com . Проверено 5 ноября 2014 .
  9. ^ Эксперимент Mars Oxygen ISRU (MOXIE) PDF. Презентация: Миссия и инструменты МАРС-2020 ». 6 ноября 2014 г.