Проблема зеленого водорода, о которой никто не говорит

Гигаватт за гигаваттом зеленой водородной мощности планируется построить в Европе, Азии и Австралии. По мнению сторонников этой технологии, зеленый водород — тот, который вырабатывается электролизом на солнечных батареях, ветре и других возобновляемых источниках энергии, — является лучшим способом обезуглероживания тяжелых загрязнителей окружающей среды. Сейчас много говорят о снижении стоимости солнечной и ветровой энергии и о том, как они очень скоро сделают зеленый водород жизнеспособным. Кажется, никто не хочет говорить о воде. Электролиз — это процесс расщепления воды на составляющие элементы — водород и кислород — с помощью электрического тока. Этот процесс осуществляется в установке, называемой электролизером. Когда сторонники водорода говорят о блестящем будущем технологии, они сосредотачиваются на затратах, связанных с электричеством, необходимым для электролиза. Но для электролиза, кроме электричества, нужна вода.

Тонны воды — буквально.

Для производства одной тонны водорода путем электролиза требуется в среднем девять тонн воды. Но чтобы получить эти девять тонн воды, недостаточно просто перенаправить течение ближайшей реки. Вода, которую электролизер расщепляет на составные элементы, требует очистки.

В свою очередь, процесс очистки воды довольно расточителен. Системам очистки воды обычно требуется около двух тонн загрязненной воды для производства одной тонны очищенной воды. Другими словами, на одну тонну водорода на самом деле нужно не девять, а 18 тонн воды. С учетом потерь соотношение приближается к 20 тоннам воды на 1 тонну водорода.

Говоря об очистке воды, химики-органики объясняют, что самый простой способ сделать это — дистиллировать. Этот метод дешев, потому что для него требуется только электричество, но он не быстрый. Что касается стоимости электроэнергии, то для дистилляции литра воды требуется 2,58 мегаджоулей энергии, что в среднем составляет 0,717 кВтч.

На первый взгляд это не так уж и много, но давайте посмотрим, как все выглядит в большем масштабе. Германия — страна с самыми амбициозными планами в отношении зеленого водорода. Стоимость электроэнергии для небытовых потребителей в Германии в прошлом году составляла в среднем 0,19 доллара (0,16 евро) за кВтч. Таким образом, при уровне потребления энергии 0,717 кВтч перегонка литра воды будет стоить 0,14 доллара (0,1147 евро). За тонну воды это будет 135,14 доллара (114,72 евро).

Однако для производства одной тонны водорода для электролиза требуется 18 тонн воды, не считая потерь во время процесса. Это означает, что стоимость очистки воды для производства тонны водорода составит 2432 доллара (2065 евро). Это основано на предположении, что вода будет очищаться самым дешевым из доступных методов. Существуют и другие, гораздо более быстрые, но более дорогие методы с использованием ионообменных смол или молекулярного сита. Другие альтернативы дистилляции, по мнению химиков, на данном этапе ненадежны.

Таким образом, обеспечение правильного типа воды для гидролиза стоит денег, и хотя 2400 долларов за тонну водорода могут показаться не такими уж большими, стоимость очистки воды — не единственные связанные с водой расходы в технологии, которая направлена ​​на получение водорода из возобновляемых источников. Вода, подаваемая в электролизер, не только чистая, но и транспортируется к нему.

Транспортировка тонны за тонной воды к месту установки электролизера означает большие затраты на логистику. Чтобы их сократить, имеет смысл выбрать место, где много воды, например, у реки или моря, или, в качестве альтернативы, рядом с водоочистными сооружениями. Это ограничивает выбор мест, подходящих для крупных электролизеров. Но поскольку электролизер, чтобы быть экологически чистым, должен получать энергию от возобновляемых источников энергии, он также должен располагаться поблизости от солнечной или ветряной электростанции. Их, как мы знаем, невозможно построить где-либо; солнечные фермы наиболее рентабельны в местах с большим количеством солнечного света, а ветряные электростанции лучше всего работают в местах с сильным ветром.

Излишне говорить, что эти места, как правило, не расположены близко к водным путям, за исключением морского ветра, который кажется идеальным для производства зеленого водорода. К сожалению, морской ветер также является наиболее затратной формой из трех возобновляемых источников — солнечной энергии, берегового ветра и морского ветра — обычно упоминаемых в контексте производства зеленого водорода. По данным Rystad Energy, капитальные затраты на оффшорную ферму в два раза выше, чем у ее наземного аналога, и в четыре раза выше, чем затраты на сопоставимую солнечную установку.

Не все затраты, связанные с производством водорода из возобновляемых источников энергии, являются затратами на эти возобновляемые источники энергии. Вода — это товар, в котором нуждается этот процесс, и немного странно, что никто, кажется, не хочет обсуждать стоимость воды.

Возможно, стоимость водоснабжения, хранения и очистки незначительна по сравнению с другими затратами, которые необходимо решить в первую очередь. Тем не менее, это фактические затраты, которые следует добавить к общей сумме при оценке того, насколько далеко продвинулась технология производства водорода из возобновляемой электроэнергии и насколько она стала жизнеспособной.

На данный момент эксперты, похоже, единодушны в том, что это нежизнеспособно — не без значительной государственной поддержки.

электролизёр — это… Что такое электролизёр?

электролизёр — электролизёр …   Русское словесное ударение

электролизёр — электролизёр, а …   Русский орфографический словарь

электролизёр — электролизёр …   Словарь употребления буквы Ё

электролизёр — электролизёр, электролизёры, электролизёра, электролизёров, электролизёру, электролизёрам, электролизёр, электролизёры, электролизёром, электролизёрами, электролизёре, электролизёрах (Источник: «Полная акцентуированная парадигма по А. А.… …   Формы слов

ЭЛЕКТРОЛИЗ — совокупность электрохим. процессов, проходящих на электродах, погружённых в электролит, при прохождении по нему электрич. тока. В результате этих процессов в ва, входящие в состав электролита, выделяются в свободном виде. Проводимость… …   Физическая энциклопедия

ЭЛЕКТРОЛИЗ — (греч.) Разложение химических соединений посредством электрического (гальванического) тока на их составные части. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. ЭЛЕКТРОЛИЗ греч. Разложение химических соединений на …   Словарь иностранных слов русского языка

электролиз — а, м. électrolyse f., > нем. Elektrolyse. Разложение веществ при помощи электрического тока на составные элементы (напр. воды на кислород и водород). Павленков 1911. Химический процесс разложения вещества на составные части при прохождении… …   Исторический словарь галлицизмов русского языка

ЭЛЕКТРОЛИЗ — ЭЛЕКТРОЛИЗ, ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ, происходящая при прохождении постоянного тока через ЭЛЕКТРОЛИТ. Процесс заключается в перемещении положительных ионов к отрицательному ЭЛЕКТРОДУ (КАТОДУ) и отрицательных ионов к положительному электроду (АНОДУ).… …   Научно-технический энциклопедический словарь

электролиз — Ток, проходя по жидким проводникам, разлагает их на составные части. Поэтому жидкие проводники называются проводниками второго рода или электролитами в отличие от металлических проводников, которые называются проводниками. Разложение электролитов …   Справочник технического переводчика

ЭЛЕКТРОЛИЗ — ЭЛЕКТРОЛИЗ, процессы электрохимического окисления восстановления, происходящие на погруженных в электролит электродах при прохождении электрического тока. Применяется для получения многих веществ (металлов, водорода, хлора и др.), при нанесении… …   Современная энциклопедия

Электролизер — это… Что такое Электролизер?

электролизер — электролизер …   Орфографический словарь-справочник

электролизер — сущ., кол во синонимов: 2 • электролизатор (1) • электролизёр (1) Словарь синонимов ASIS. В.Н. Тришин. 2013 …   Словарь синонимов

Электролизер — сборный аппарат, как правило, фильтр прессного типа, работающий под давлением, состоящий из сжатых между собой концевыми плитами и отделенных изолирующими прокладками биполярных электродов, при прохождении через которые постоянного тока… …   Официальная терминология

электролизер — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN electrolyte pot …   Справочник технического переводчика

Электролизер — сборный аппарат, как правило, фильтр прессного типа, работающий под давлением, состоящий из сжатых между собой концевыми плитами и отделенных изолирующими прокладками биполярных электродов, при прохождении через которые постоянного тока… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

электролизер — elektrolizeris statusas T sritis chemija apibrėžtis Elektrolizės įrenginys. atitikmenys: angl. electrolyser rus. электролизер …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Электролизер — электролизёр м. Аппарат для электролиза, состоящий из наполненного электролитом сосуда и расположенных в нём электродов. Толковый словарь Ефремовой. Т. Ф. Ефремова. 2000 …   Современный толковый словарь русского языка Ефремовой

электролизер с ртутным катодом — ртутный электролизер — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы ртутный электролизер EN mercury cell …   Справочник технического переводчика

электролизер для получения кислорода и водорода — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN oxygen hydrogen celloxyhydrogen cell …   Справочник технического переводчика

печь-электролизер с индукционным обогревом — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN double current furnace …   Справочник технического переводчика

Основные принципы работы и алгоритм управления безмембранных электролизером высокого давления

Solovey, V. V., Zhirov, A. S., & Shevchenko, A. A. (2003). Vliyaniye rezhimnykh faktorov na effektivnost elektrolizera vysokogo davleniya. Sovershenstvovaniye turboustanovok metodami matematicheskogo i fizicheskogo modelirovaniya. Sb. nauch. tr. [Influence of regime factors on the efficiency of a high-pressure electrolyzer. Improvement of turbines using mathematical and physical modeling methods. Collection of scientific works].Kharkov, pp. 250–254. [in Russian].

Solovey, V. V., Shevchenko, A. A., Vorobyeva, I. A., Semikin, V. M., & Koversun, S. A. (2008). Povysheniye effektivnosti protsessa generatsii vodoroda v elektrolizerakh s gazopogloshchayushchim elektrodom [Enhancing the efficiency of the process of generating hydrogen in electrolyzers with a gas-absorbing electrode]. Vestn. Kharkov. nats. avtomob.-dor. un–ta − Bulletin of Kharkov National Automobile and Highway University, no. 43, pp. 69–72. Retrieved from https://cyberleninka.ru/article/n/povyshenie-effektivnosti-protsessa-generatsii-vodoroda-v-elektrolizerah-s-gazopogloschayuschim-elektrodom [in Russian].

Shevchenko, A. A. (1999). Ispolzovaniye ELAELov v avtonomnykh energoustanovkakh, kharakterizuyushchikhsya neravnomernostyu energopostupleniya [The use of ELAELs in autonomous power plants characterized by uneven energy supply]. Aviats.-kosm.tekhnika i tekhnologiya − Aerospace Technic and Technology.Kharkov:KharkivAerospaceUniversity »KhAI», iss. 13, pp. 111–116 [in Russian].

Solovey, V. V., Zipunnikov, N. N., & Shevchenko, A. A. (2015). Issledovaniye effektivnosti elektrodnykh materialov v elektroliznykh sistemakh s razdelnym tsiklom generatsii gazov [Investigation of the effectiveness of electrode materials in electrolysis systems with a separate gas generation cycle]. Problemy Mashinostroyeniya – Journal of Mechanical Engineering, vol. 18, no. 1, pp. 72–76. Retrieved from: http://journals.uran.ua/jme/article/view/46689 [in Russian].

Solovey, V., Kozak, L., Shevchenko, A., Zipunnikov, M., Campbell, R., & Seamon, F. (2017). Hydrogen technology of energy storage making use of wind power potential. Problemy Mashinostroyeniya – Journal of Mechanical Engineering, vol. 20, no. 1, pp. 62–68. Retrieved from: http://journals.uran.ua/jme/article/view/96745.

Vorobyeva, I. A., Shevchenko, A. A., & Zipunnikov, N. N. (2018). Eksergeticheskiy analiz elektrokhimicheskikh sistem generatsii vodoroda vysokogo davleniya [Exergy analysis of electrochemical systems for the generation of high-pressure hydrogen]. Information technologies: Science, Engineering, Technology, Safety and Health: Proceedings of the XXVI International Scientific-Practical Conference, Kharkiv, 16–18 May 2018, part 2, pp. 232 Retrieved from http://www.kpi.kharkov.ua/archive/MicroCAD/2018/S11/microcad18_53.pdf [in Russian].

Vorobyeva, I. A., Shevchenko, A. A., Zipunnikov, N. N., & Kotenko, A. L.(2018). Ispolzovaniye vetroenergeticheskikh kompleksov v infrastrukture vodorodnoy energetiki [The use of wind power complexes in the infrastructure of hydrogen energy]. Information technologies: Science, Engineering, Technology, Safety and Health: Proceedings of the XXVI International Scientific-Practical Conference, Kharkiv, 16–18 May 2018, part 2, pp. 330 Retrieved from http://www.kpi.kharkov.ua/archive/MicroCAD/2018/S11/microcad18_151.pdf [in Russian].

Solovey, V., Zipunnikov, N., Shevchenko, A., Vorobjova, I., & Kotenko, A. (2018). Energy Effective Membrane-less Technology for High Pressure Hydrogen Electro-chemical Generation. French-Ukrainian Journal of Chemistry, vol. 6, no. 1, pp. 151–156 Retrieved from http://www.kyivtoulouse.univ.kiev.ua/journal/index.php/fruajc/article/view/201.

Bukhkalo, S. I., Zipunnikov, M. M., & Kotenko, A. L. (2017). Osoblyvosti protsesiv otrymannia vodniu z vody. [Features of the processes of hydrogen from water]. Information technologies: Science, Engineering, Technology, Safety and Health: Proceedings of the XXV International Scientific-Practical Conference, Kharkiv, 17–19 May 2017, part 3, pp. 28 Retrieved from http://www.kpi.kharkov.ua/archive/MicroCAD/2017/S13/tez_mic_17_III_1_28.pdf [in Ukrainian].

Yakimenko, L. M., Modylevskaya, I. D., & Tkachek, Z. A. (1970). Elektroliz vody [Electrolysis of water].Moscow: Khimiya, 264 p. [in Russian].

Rotinyan, A. L. (Ed.) (1974). Prikladnaya elektrokhimiya: 3-ye izd [Electrolysis of water: 3 edition]. Moscow: Khimiya, 536 p. [in Russian].

Применение электролизеров и электродиализаторов в пищевой промышленности Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 663.11, 663.05, 663.03,663.038

Д. Д. Темершин, С. В. Гаврилов, Ю. Д. Сидоров, А. В. Канарский

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРОВ И ЭЛЕКТРОДИАЛИЗАТОРОВ В ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Ключевые слова: электролиз, электродиализ, конструкции аппаратов.

Рассмотрены конструкции электролизеров и электродиализаторов, применяемых в промышленности.

Keywords: electrolysis, electrodialysis, constructions of apparatus. Constructions of electrolyzers and electrodyalizers which used in industry are considered.

Актуальность

В последнее время электрохимические процессы все чаще занимают важное место в различных отраслях промышленности.

Соответственно, оборудование которое используется для осуществления данных процессов, несмотря на простую конструкцию, имеет различные варианты исполнения и функции. Данное оборудование применяется для добычи цветных металлов (магний, алюминий), получения химических элементов (разложение воды на кислород и водород, получение хлора) очистки сточных вод (обессоливание, обеззараживание, дезинфекция от ионов металлов) обработки различных продуктов (деминерализация молока, посол мяса, электроактивация пищевых жидкостей, извлечение нитратов и нитритов из овощных продуктов, извлечения белка из водорослей, грибов и рыбных отходов) [1,2].

Цель данной статьи — обзор электролизного и электродиализного оборудования. Рассмотрение преимуществ и недостатков, а также областей применения в различных отраслях

промышленности.

Рассмотрим аппарат для обработки жидких продуктов в пищевой отрасли. Данный аппарат используется для улучшения исходных качеств пищевых продуктов, например, молока молочных продуктов, соков, сиропов, жидких яичных продуктов в пищевой промышленности, вин и виноматериалов в винодельческой

промышленности, различных вакцин и других жидкотекучих медикаментов в фармацевтической промышленности [3].

Аппарат состоит из корпуса, состоящего из двух половин, в котором расположены выполненные из токопроводящего материала верхний и нижний электроды. Между этими электродами размещен промежуточный электрод, имеющий сквозное отверстие в центральной его части. Нижний и верхний электроды имеют отверстия для ввода и вывода из камеры обрабатываемого продукта. К промежуточному электроду подключен

высоковольтный вывод генератора импульсов высокого напряжения, а к нижнему и верхнему электродам подключен заземленный вывод генератора. Жидкий продукт через отверстия в нижнем электроде вводится в камеру, потом через отверстие в промежуточном электроде поступает в

пространство между промежуточным и верхним электродами и через отверстия в верхнем электроде выводится из камеры. Одновременно с подачей продукта в камеру от генератора на промежуточный, нижний и верхний электроды поступают импульсы высокого напряжения. Эти импульсы преобразуются в импульсы электрического поля высокой напряженности, которые воздействуют на электрообрабатываемый продукт [3].

Известны также способы обработки жидкости, при которых продукт обрабатывался электромагнитным полем [4] или электрическим [5]. Однако данные способы не показали свою эффективность. Ввиду сложности получения высокой напряженности этих полей в электропроводящей жидкости.

Основная проблема заключается в том, что при увеличении напряженности импульсного электрического поля в устройстве — прототипе происходит появление застойных зон и завихрения обрабатываемого жидкого продукта. В этих зонах происходит слияние и налипание на поверхность электродов и на внутреннюю поверхность корпуса камеры газовых пузырьков, которые образуются за счет растворенных газов в обрабатываемом продукте при его нагреве в процессе электрообработки. Ионизационные процессы в газовых пузырьках, которые появляются под действием электрического поля, способствуют появлению внутри камеры между электродами электрических пробоев, которые приводят к порче обрабатываемого продукта [3].

Для устранения указанной проблемы рекомендуется вводить промежуточный электрод. За счет выполнения внутренней поверхности корпуса камеры таким образом, что обеспечивается соприкосновение электрообрабатываемого продукта не только с частями поверхностей нижнего и верхнего электродов, противостоящими (частями поверхностей) частям поверхности промежуточного электрода, но и с другими частями их поверхностей, а также обтекания обрабатываемым продуктом, после ввода в камеру через отверстие (отверстия) нижнего электрода, частей поверхности нижнего электрода, не противостоящих поверхности промежуточного электрода. Вследствие этого создаются условия, при которых не происходит слияния и налипания газовых пузырьков на

поверхности электродов и на внутреннюю поверхность корпуса камеры, и существенно увеличивается напряженность импульсного электрического поля без возникновения электрических пробоев между электродами [3].

Для более однородного распределения электрического поля в камере количество промежуточных электродов может выражаться любым числом, начиная с единицы. При этом промежуточные электроды будут иметь два варианта исполнения. При использовании трех, пяти или больше промежуточных электродов облегчаются условия работы камеры, улучшается (становится более однородным) распределение поля в ней при действии импульсов напряжения с амплитудами мегавольтного диапазона и формировании в ней поля с напряженностью 10 МВ/м и больше при величинах промежутков между соседними электродами камеры приблизительно (1…2) см. При использовании нескольких промежуточных электродов высоковольтный (потенциальный) вывод может быть подключен к любому из них, но наиболее однородным поле в камере будет, когда вывод будет подключен к среднему промежуточному электроду, между которым и верхним, а также нижним электродом находится одинаковое количество промежуточных электродов на одинаковом расстоянии между соседними электродами [3].

Для обработки молочных продуктов (молоко, творога, сыворотка) применяют электродиализные аппараты.

Такие аппараты включают в себя ванну с катодным и анодным электродами, разделенными мембраной. Ванна изготовлена из металла, заполнена раствором двууглекислого натрия и выполняет функцию катодного электрода. Мембрана выполнена из брезента, имеет цилиндрическую форму и к ней подведен воздуховод для охлаждения молока. В середину пространства, ограниченного мембраной, опущен анодный электрод, выполненный из графита, с мешалкой, установленной с возможностью вращения вокруг него [6].

Графитовые электроды обладают рядом недостатков, главными из которых является их низкие механические свойства, которые обуславливают их разрушение (обычно вследствие образования газа), частицы графита загрязняют продукты и вызывают необходимость проведения дополнительной операции по очистке пищевого продукта. Для устранения этих недостатков в ряде аппаратов вместо графитового электрода используют платиновый электроды. Использование платины в таких аппаратах позволяет исключить наличие частиц графита, но было установлено, что в процессе работы происходило растворение платины под действием электролиза.

При использовании графитовых электродов иногда применяют дополнительные цилиндрические мембраны, которыми оборачивают графитовый электрод в металлической ванне, являющейся одновременно катодным электродом и заполненной

раствором двууглекислого натрия, помещены цилиндрическая мембрана из брезента, заполненная молоком, в которую опущен графитовый электрод, обвернутый тонким слоем брезента, для предотвращения выхода мелких частиц графита в молоко и подсоединений проводом к положительному полюсу электропитающей установки, а к мембране из брезента с молоком подведен воздухопровод — носитель воздуха с пониженной температурой [7].

Для регулирования кислотности молока используют электролизеры другой конструкции состоящей из корпуса, источника тока подведенному к положительному и отрицательному электродам и аэронизатора, выходной патрубок которого введен в корпус со стороны отрицательного электрода, при этом корпус изготовлен из диэлектрика, а электроды расположены на его внешней поверхности. Наличие аэронизатора способствует увеличению

продуктивности работы электролизера и одновременно снижению затрат. Аэроионизатор испускает отрицательные ионы в область корпуса, прилегающую к отрицательному электроду. Ионы водорода, попавшие в эту область, взаимодействуют с отрицательными аэроионами и теряют свой заряд. Образуется атомарный водород, который, соединяясь в молекулу водорода, выделяетая с открытой поверхности, например в молочном танке. Как утверждают авторы, попавшие в молоко отрицательные аэроионы способствуют

подцержанию отрицательного заряда на поверхности белковых частиц и жировых шариков, что препятствует их отстаиванию. Таким образом, качество обработки молока улучшается за счет повышения его устойчивости к стсисанию. Обработанное молоко можно хранить более длительное время в свежем, пригодном к употреблению виде. Обработку можно повторять несколько раз без ухудшения качества молока, так как способ обработки является бесконтактный [8].

Для электрохимической обработки жидкости рекомендуется использовать специальные аппараты, которые содержат корпус с набором установленных друг над другом электродов. Электроды выполнены в форме анодных и катодных дисков с центральными отверстиями. Корпус выполнен в форме усеченного конуса из электропроводного материала. Аноды и катоды выполнены разного диаметра. Катоды имеют по периферии конусные отбортовки, конусность которых равна конусности корпуса. Верхняя поверхность каждого анода выполнена с полупроницаемой диафрагмой из химически инертного материала. Нижняя и боковая поверхность каждого анода покрыта оболочкой с центральным отверстием из электроизолирующего материала. Высота боковой поверхности оболочки равна толщине анода с полупроницаемой диафрагмой. Предполагается, что использование данного аппарата предохраняет молоко от скисания путем понижения кислотности, увеличивая его срок хранения [8].

В аппаратах этого типа корпус выполнен в

форме усеченного конуса из электропроводного материала, аноды и катоды выполнены разного диаметра, катоды имеют на периферии конусные отбортовки, конусность которых равна конусности корпуса, для обеспечения посадки катодов на его внутреннюю поверхность, верхняя поверхность каждого анода выполнена с полупроницаемой диафрагмой из химически инертного материала, а нижняя и боковая поверхности каждого анода покрыты оболочкой с центральным отверстием из электроизолирующего, химически инертного материала, причем высота боковой поверхности оболочки равна толщине анода с полупроницаемой диаграммой; также для достижения указанной цели анодные диски выполнены с поверхностью, образованной вращением выпуклой кривой вокруг оси симметрии, при этом они установлены выпуклой поверхностью к дну корпуса, а полупроницаемая диафрагма повторяет геометрию вогнутой поверхности анода [8].

В химической промышленности для получения кислорода и водорода путем электролиза используют устройства для преобразования тепловой энергии и энергии магнитного поля в химическую и электрическую энергии. Аппарат содержит неподвижную емкость, заполненную водным раствором электролита, каналы подвода раствора электролита в емкость и отвода продуктов электролиза. Внутренняя поверхность емкости выполнена в форме усеченного конуса. Под действием электромагнитных полей, создаваемых электромагнитной катушкой, установленной вокруг емкости, и электромагнитного поля спиральной катушки, установленной под емкостью, обеспечивается вращение электролита, при этом электроды, электромагнитная и спиральная катушки соединены в контур через один и тот же источник электроэнергии [9].

Что касается рассматриваемого устройства, то выход по водороду в предлагаемом устройстве составляет 10-13 кг за 1 час. В процессе разложения воды из водного раствора электролита на водород и кислород для поддержания заданного значения концентрации добавляют воду.

Конструкция заявленного устройства для преобразования энергии очень проста и может быть использована автономно на транспортных средствах с ДВС. Устройство можно изготавливать в условиях как единичного, так и серийного производства с использованием традиционных конструкционных материалов и известных электролитов.

В аппаратах этого типа для преобразования механической энергии в электрическую, а затем в химическую путем разложения воды электролизом раствора электролита и получения при этом водорода и кислорода. Емкость заполнена раствором электролита, в ней электроды включены в электрическую цепь генератора и имеются каналы для подвода начальных и отвода конечных продуктов электролиза [9].

Недостатком этого устройства является то, что емкость с электролитом вращается, что приведет к дополнительным проблемам на движущемся

транспорте. Данное устройство не позволяет совершать нетрадиционные преобразования, то есть одновременно несколько параллельных циклов преобразования энергии, а также КПД устройства будет низким, поскольку компенсация эндотермического эффекта реакции разложения воды производится за счет использования выработанной электроэнергии [9].

Так же известен также способ магнитодинамического автоэлектролиза:

электрохимическую систему, содержащую электроды и электролит, воздействуют внешним магнитным полем, ортогональным контурам электродов. Причем осуществляют вращение источников магнитного поля в плоскостях, параллельных контурам электродов. Однако ему присущи определенные недостатки. Они связаны с необходимостью либо покачивания электролита, либо вращения системы постоянных магнитов, так как данный способ является динамическим. Это ведет к усложнению способа, связанному с использованием двигателей для вращения системы постоянных магнитов или покачивания электролита с использованием специальных насосов для работы в агрессивных средах, а также трудностям надежного крепления массивных постоянных магнитов во вращающейся системе, балансировки такой системы и герметизации токовыводов и напорных трубопроводов при непрерывной езде автомобиля в течении 6-7 часов. В процессе разложения воды из водного раствора электролита на водород и кислород для поддержания заданного значения концентрации добавляет воду [10].

Фирма Siemens Water Technologies в 2010 году представили систему OSECTM — LC. Данная система предназначена для непрерывного производства раствора гипохлорита натрия из пищевой соли и воды непосредственно на месте. Основные характеристики: низкие

эксплуатационные расходы и простота обслуживания, компактные размеры и модульное исполнение, наличие 2 вариантов

производительности, надежная система удаления водорода, проверенная временем конструкция электролизера автоматическая эксплуатация. Данная система имеет очень широкое поле применение: обработка питьевой воды, обработка сточных вод, вода для охлаждения в технологических процессах, пищевая промышленность, химическая

промышленность, плавательные бассейны [11].

Принцип работы: подаваемая вода проходит через умягчитель (обязательный компонент системы при жёсткости воды выше 17 мг/л) для удаления содержащихся в ней кальция, магния, железа и марганца. Насыщенный соляной раствор подаётся перистальтическим насосом в линию разбавления воды. Точная подача соляного раствора, необходимая для поддержания высокой эффективности, обеспечивается при помощи калибровочной трубки. Поток умягченной воды для разбавления подается в электролизёр. Регулятор расхода служит для поддержания фиксированной скорости потока. Вода для разбавления смешивается

с насыщенным соляным раствором до получения 3 % соляного раствора, который затем подаётся в электролизёр. Внутри электролизёра соляной раствор, являющийся хорошим проводником, поддерживает протекание тока, возникающего между положительным и отрицательным электродами. За счет этого происходит электролиз раствора хлорида натрия. В результате у положительного электрода (анода) образуется газообразный хлор (С12), в то время как у отрицательного электрода (катода) образуются гидроксид натрия (ЫаОН) и газообразный водород (Н2). Далее хлор взаимодействует с гидроксидом, образуя гипохлорит натрия (ЫаОС!). При выходе из электролизёра, раствор представляет собой 0,8 % раствор гипохлорита натрия. Высоконадежные сенсоры уровня жидкости следят за условиями внутри электролизёра для обеспечения эффективной эксплуатации системы. Раствор гипохлорита, вместе с побочно полученным в процессе электролиза водородом, поступает в резервуар для хранения готового продукта. Для того, чтобы обеспечить удаление водорода, используется мощная воздуходувка, которая вентилирует резервуар. Поток воздуха перед выбросом регистрируется при помощи сенсорного элемента. Все эти участки подключены к общему управлению системой для обеспечения наличия потока воздуха перед началом процесса электролиза. Раствор гипохлорита далее подается в точку ввода при помощи дозирующего насоса. Высоконадежные датчики для измерения уровня жидкости, расположенные внутри резервуара, запускают и останавливают работу электролизёра для поддержания подачи гипохлорита [11].

В цветной металлургии рекомендуется использовать специальные электролизерные установки. Электролизер для получения магния и хлора включает продольные и торцевые вертикальные стенки, образующие ванну, футерованную огнеупорным материалом и разделенную перегородкой на сборную ячейку и электролитическое отделение. В перегородке выполнен переточный У-образный канал с выступом. В электролитическом отделении размещены чередующиеся между собой аноды и катоды с экраном и со штангами в продольной стенке ванны. Верхняя часть продольной стенки ванны выполнена переменного сечения в виде выступов с увеличением ее ширины сверху вниз в сторону катодных штанг. На верхнем выступе установлено перекрытие с патрубком для отвода газов, а нижний выступ выполнен наклонным. На торце катода сверху со стороны перегородки выполнен срез 2-образной формы, на торце катода снизу — срез с наклоном в сторону электролитического отделения. Выступ У-образного переточного канала перегородки размещен напротив среза 2-образной формы катода [12].

Для повышения эффективности электролиза и снижения энергозатрат при получении магния и хлора рекомендуется использовать электролизеры включающие в себя ванну, футерованную

огнеупорным материалом и разделенную перегородкой с переточным каналом на сборную ячейку и на одно или несколько электролитических отделений, в которых размещены чередующиеся между собой аноды с верхним вводом и катоды с экраном и штангами в боковой стенке ванны, перекрытие с патрубком для отвода хлорсодержащих газов. Ниже входного отверстия переточных каналов перегородки выполнен выступ, обращенный в электролитическое отделение и образующий между катодами и перегородкой зазор 2-образной формы шириной, постоянной по всей высоте. Это позволяет максимально быстро выносить магний в сборную ячейку и повысить выход магния по току [13].

Недостатком данной конструкции электролизера является то, что за счет интенсивной циркуляции расплавленного электролита хлор не успевает отделиться от электролита, и в форме пузырьков выносится в сборную ячейку, где смешивается с воздухом. Полученную смесь выводят через патрубок санитарно-технического отсоса в общий трубопровод. Это приводит к значительным потерям хлора с сантехническими газами и к большим затратам на газоочистку. Кроме того, часть хлора вступает во взаимодействие с магнием с образованием твердых хлористых солей, что приводит к образованию большого количества шлама и шламо — электролитной смеси. Периодичность откачки шламо-электролитной смеси составляет один раз в 7 — 10 суток. Это приводит к высоким трудозатратам на удаление шлама из электролизера, так как это ручной труд, и к загрязнению окружающей среды твердыми отходами [13].

Для снижения трудозатрат и улучшения экологии при этом способе получения магния и хлора рекомендуется данные недостатки устраняются следующим образом: верхнюю часть продольной стенки ванны переменного сечения выполнять в виде выступов с увеличением ее ширины сверху вниз в сторону катодных штанг, при этом на верхнем выступе установлено перекрытие, а нижний выступ выполнен наклонным; на торце катода сверху со стороны перегородки выполнен срез 2-образной формы, а на торце катода снизу -срез с наклоном в сторону электролитического отделения; выступ переточного канала перегородки размещен напротив среза 2-образной формы катода. Кроме того, отношение высоты катода к его ширине равно 1:(1,3 — 1,4) а угол наклона нижнего выступа продольной стенки ванны равен 40 — 50° [13].

В медицине электролизеры используются в интенсивной терапии для экзогенной и эндогенной детоксикации организма, а именно для получения высокочистых растворов гипохлорита натрия. Для этого используется электролизер проточного типа с титановыми электродами промотированными микроколичествами платины с фактором шероховатости не менее 200, с межэлектродным расстоянием 0,2 — 0,8 мм, при скорости протока физиологического раствора 100 — 400 мл/мин и плотности тока 20 — 100 мА/см2 (предпочтительно 10

— 20 мА/см2). Сочетание всех указанных факторов обеспечивает получение высокочистых (в частности, не содержащих вредных примесей хлората натрия), стерильных растворов гипохлорита натрия. Использование таких растворов позволит исключить влияние вредных примесей в гипохлорите натрия на непосредственные и отдаленные результаты лечения различных патологий, связанных с экзогенной и эндогенной интоксикацией [14].

Использование такого способа позволяет получать лекарственный раствор с заранее заданной концентрацией активного действующего начала -гипохлорита натрия в течение короткого времени (14 мин) и с минимальным (на уровне пределов аналитического определения) содержанием хлората натрия и с полным отсутствием других высших кислородных соединений хлора, а также элементного хлора. Такой раствор можно считать идеальным для использования в качестве лекарственного средства. В проточном электролизере, где геометрическая площадь поверхности анодов примерно равна площади поверхности катодов, аноды должны иметь платиновое покрытие с достаточно развитой поверхностью, раствор должен прокачиваться через электролизер со скоростью 100 — 400 мл/мин (или с линейной скоростью 10 — 40 см/мин), межэлектродный зазор должен быть в пределах от 0,2 до 0,8 мм (предпочтительно 0,5 мм), плотность тока (в расчете на геометрическую поверхность анодов) должна составлять 2 — 100 мА/см2 (предпочтительно 10 — 20 мА/см2) [14].

Ряд авторов предлагает другие конструкции электролизеров для получения гипохлорита натрия. Электролизер смонтирован в корпусе, в верхней части которого имеются выходной патрубок, а в нижней входной патрубок. Спиралевидный анод выполнен из титановой проволоки с металлоксидным покрытием, а катод из электропроводящего стержня и расположен коаксиально и равноудалено относительно анода. Рабочая площадь анода в два раза и более превышает рабочую площадь катода. Технический результат заключается в том, чтобы обеспечить непрерывную работу электролизера

с минимальным ремонтно-профилактическим обслуживанием [15].

Вертикальные электролизеры для этих целей представляют собой емкость с входным и выходным патрубками ввода и вывода растворов, расположенными соответственно в нижних и верхних частях емкости, размещенные в емкости по высоте горизонтальные перегородки с отверстиями для протекания раствора, по краям которых закреплены пластинчатые электроды [16].

Недостатком таких электролизеров является то, что они не могут достаточно длительное время работать без ремонтно — профилактического обслуживания. Применение обычной

водопроводной воды и технической поваренной соли при электролизе приведет к достаточно быстрому запиранию электролизера

за счет образующихся плотных катодных

отложений [16].

Решение указанной проблемы достигается тем, что электролизер для получения раствора гипохлорита натрия, включающий корпус, электроды, токоподводы, входной и выходной патрубки, причем в корпусе электролизера располагают электродную ячейку, в которой спиралевидный анод выполнен из титановой проволоки с металлооксидным покрытием, а катод -из электропроводящего стержня, находящегося коаксиально и равноудаленно относительно анода, причем рабочая площадь анода в два раза и более превышает рабочую площадь катода. Выполнение анода в виде титановой проволочной спирали со значительным превышением его рабочей площади относительно катода, позволяет обеспечить высокую катодную плотность тока, в результате чего выделяющийся газообразный водород разрыхляет карбонатные образования, а движение хлоридного раствора снизу вверх позволяет выносить из прикатодной зоны карбонатные образования вместе с раствором гипохлоритом натрия через выходной патрубок, что обеспечивает непрерывную работу электролизера с минимальным обслуживанием [17].

Электролизные и электродиализные установки нашли широкое применение для решения экологических проблем и опреснения воды. Основные недостатки данных аппаратов: сложность конструкции и эксплуатации из-за необходимости подготовки катода в виде спрессованной стружки, использование трехфазного тока (что требует много энергозатрат) и периодическая замена электродов из-за их растворения. Данные недостатки решаются тем, что вместо трехфазного тока можно использовать постоянный ток и присоединения корпуса к заземлению. При использовании постоянного тока не будет происходить растворение пластин, а наличие заземление упрощает конструкцию тем, что не нужно использовать диэлектрических материалов [18].

Выводы

Исходя из этого, можно сделать вывод, что конструктивные особенности каждого вида электролизера и электродиализатора позволяет решать определенные проблемы, связанные с качеством продукта и скоростью приготовления продукта или сырья, энергоемкостью оборудования и т.д. Данные решения можно использовать при конструировании промышленных электролизеров в пищевой промышленности для различных отраслей.

Литература

1. Е.Э. Куприна, А.И. Кириллов Вестник Казан. технол. ун-та, 1, 188-192 (2014).

2. А.В. Канарский, Ю. Д. Сидоров Вестник Казан. технол. ун-та, 9, 165-168 (2012).

3. Патент РФ 2157649. Дата регистрации: 15.04.1999.

4. Патент СССР 595945.Дата регистрации:15.08.1983.

5. Патент США 4838154. Дата регистрации: 13.06.1983.

6. Патент РФ 2204906 Дата регистрации: 04.07.1996.

7. Патент США 1089880 . Дата регистрации 05.06.1966.

8. Патент СССР 747458. Дата регистрации: 15.07.1980.

9. Патент СССР 1009389. Дата регистрации: 16.03.1948.

10. Патент РФ 2043041 Дата регистрации: 15.05.1992.

11. Siemens water technologies, www.industry.siemens.ru.

12. Патент РФ 2015395. Дата регистрации: 23.06.1990.

13. Патент РФ 2513554. Дата регистрации: 13.03.2005.

14. Патент РФ 2094536. Дата регистрации:27.10.1997.

15. Патент РФ 2110999. Дата регистрации: 12.07.1998.

16. Патент РФ2514194. Дата регистрации: 23.05.1993.

17. Патент СССР 733521. Дата регистрации: 13.05.1986.

18. А.Б. Голованчиков, Ю.В. Аристова, Известия ВолГТУ, 5, 91-93 (2012).

© Д. Д. Темершин — магистр кафедры пищевой инженерии малых предприятий КНИТУ, [email protected]; С. В. Гаврилов — аспирант кафедры пищевой инженерии малых предприятий КНИТУ, [email protected]; Ю. Д. Сидоров — ст. преподаватель кафедры пищевой инженерии малых предприятий КНИТУ, [email protected]; А. В. Канарский — д-р техн. наук, проф, кафедры пищевой биотехнологии КНИТУ, [email protected].

© D. D. Temershin — Master of the Department of Food Engineering in small businesses KNRTU, [email protected]; S. V. Gavrilov — graduate student of Food Engineering in small businesses KNRTU, [email protected]; Y. D. Sidorov — Art. Lecturer, Department of Food Engineering KNRTU small businesses, [email protected]; A. V. Canarskiy — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Food Biotechnology KNRTU, [email protected].

Первая российская водородная заправка стала автономной

30.11.2020

В Центре компетенций Национальной технологической инициативы «Новые и мобильные источники энергии» при ИПХФ РАН в подмосковной Черноголовке появилась первая в России автономная водородная заправочная станция, не зависящая от поставок баллонного водорода.

Водородная заправка и электролизер из нее
Снежана Шабанова/Евгений Волков/ЦК НТИ при ИПХФ/Поликом

В Центре компетенций Национальной технологической инициативы «Новые и мобильные источники энергии» при ИПХФ РАН в подмосковной Черноголовке появилась первая в России автономная водородная заправочная станция, не зависящая от поставок баллонного водорода, передает научный редактор Indicator.Ru. Это еще и первый элемент будущей программы «Водородная Россия-2050», предлагаемой для развития водородной энергетики в нашей стране.

Сама заправочная станция была разработана и построена в Германии для ЦК НТИ по российскому техническому заданию весной 2020 года, однако изначально она использовала дорогой баллонный водород. Сейчас к заправке будет подключен электролизный генератор сверхчистого водорода, созданный в результате многолетних исследований партнером ЦК НТИ — компанией «Поликом».

В этом устройстве используется технология бесщелочного электролиза на основе протонообменных мембран (PEM-электролиз, от слов Proton Exchange Membrane). Такой тип электролизеров обладает рядом преимуществ по сравнению с устаревшей щелочной технологией. В частности, отсутствует коррозия узлов системы, водород не имеет примесей щелочи и кислорода, нет необходимости продувки азотом, а обслуживание и ремонт гораздо менее трудоемки. Электролизеры с такой производительностью как в СССР, так и в современной России ранее не производились, это первая установка такого рода. Она позволяет получать гораздо более дешевый водород для заправки с чистотой 99,999%

«Наши сотрудники, большинство из которых в прошлом ученые-электрохимики и мембранщики, обладают многолетним опытом в технологии PEM-электролиза. В ближайшем будущем такие установки станут коммерчески доступны не только для водородных заправок, но и для предприятий, испытывающих необходимость в водороде высокой чистоты», — говорит руководитель компании Евгений Волков.

Беспилотная водородная платформа
Снежана Шабанова/ЦК НТИ при ИПХФ

Водородная инфраструктура, создание которой будет отрабатываться на новой заправочной станции — ключевой элемент предлагаемой программы «Водородная Россия-2050». Она предусматривает перевод коммунального хозяйства и транспорта города Черноголовки на водород, а также создание водородной инфраструктуры вдоль трассы Москва-Казань. Испытания заправки будут проходить в том числе на беспилотной транспортной платформе, водородный топливный элемент для которой тоже создан в Центре компетенций. Именно испытания топливных элементов, которые уже могут использоваться на транспорте — беспилотниках, водородных автобусах, грузовиках и легковых автомобилях и станут пока что главным направлением потребления водорода с заправки.

«Наша работа уже много лет связана с исследованиями в области водородно-воздушных топливных элементов. В настоящий момент мы проводим испытания энергоустановок на основе топливных элементов достаточно высокой мощности, а также ресурсные испытания энергоустановок для робототехники — все это требует огромного количества водорода. Использование водородной заправки в комплексе с электролизным генератором водорода позволяет решить проблемы поставок этого газа. При наши объемах потребления водорода на испытания топливных элементов срок окупаемости электролизного генератора водорода составит порядка 2–3 лет», — замечает ведущий научный сотрудник Центра НТИ Алексей Левченко.

Автор: Алексей Паевский.

Источник: Индикатор

Электролизеры электролизеры — Справочник химика 21

    Электролиз ведут при плотности тока 50—100 А/м . Насыпной анод имеет хорошо развитую поверхность, что позволяет конструировать сравнительно компактные электролизеры. Электролизер на нагрузку 70 кА имеет высоту 6 м и рабочий объем 3,6 м . [c.229]
    В зависимости от электрического соединения электродов в электролизерах электролизеры делят на монополярные и с биполярным соединением электродов. [c.12]

    Особенностью этих электролизеров является их П-образная форма [134, 135]. Такое решение было ранее использовано фирмой ИГ Фарбениндустри , но не получило широкого применения в промышленности [136]. П-образная форма позволяет увеличить уклон катода до 18 мм и уменьшить необходимую загрузку ртути за счет исключения обратного трубопровода от разлагателя к электролизеру. Электролизер снабжен скрубберным разлагателем и ковшовым подъемником ртути (схема устройства приведена на рис. 3-29). Переточный карман для амальгамы также может снабжаться анодами и работать как часть электролизера. [c.181]

    Электролизер. Электролизер — это стеклянный сосуд объемом 1—20 мл конической формы для уменьшения объема раствора). Электролизеры могут быть термостатированы или не термостатированы. Для термостатирования применяют электролизеры с двойной рубашкой, между стенками которой циркулирует вода заданной температуры. Чтобы раствор не контактировал с окружающей средой, целесообразно использовать герметизированные электролизеры. [c.124]

    Проведем анализ простейших типов электролизеров. Электролизер с плоскими электродами Исходные ограничения  [c.85]

    Протекая через разлагатель, амальгама возвращается к исходному (при электролизе) концу электролизера, где, пройдя систему карманов, служащую для отделения ртути пт щелочи, перекачивается по трубе П центробежным насосом Н в электролизер. Электролизер закрывается тяжелой металлической гуммированной крышкой А. Через отверстия в крышке проходят графитовые стержни с подвешенными к ним графитовыми анодными плитами. Анодные плиты с нижней стороны имеют прорези и отверстия, облегчающие отвод хлора. Подвод тока к анодам осуществляется через стержни и гибкие медные шинки. Аноды, по мере изнашивания, автоматически или вручную опускают с таким расчетом, чтобы поддерживать постоянное расстояние между ними и поверхностью ртути. [c.94]

    На рис. 56 показаны некоторые основные типы конструкций крышек электролизеров. Электролизеры с осажденной диафрагмой и нижним подводом тока к анодам все более вытесняют другие типы электролизеров, поэтому крышка, изображенная на рис. 56, г, применяется все шире при уменьшении доли крышек других конструкций. [c.161]

    Постоянный, ток, получаемый от преобразовательных агрегатов, передается по шинам к распределительно.му щиту постоянного тока и далее в зал электролиза. Для этой цели на щите устанавливаются сборные шины постоянного тока, рубильники, максимальные авто-.маты и шунты для измерительных приборов. При больших силах тока (5 000—10000 ампер и выше) все эти аппараты принимают/значительные габариты и требуют много места. Как видно на рис. 168, для щита постоянного тока отведена специальная пристройка. От щита к ваннам постоянный ток отводится или одножильными кабелями или шинами, в зависимости от силы тока и расположения электролизеров. Электролизеры типа Кребса и Сименс-Биллитер имеют шинную подводку. К электролизерам Ворса и Х-2 ток подводится одножильными бронированными кабелями сечения 500 или 625 мм . [c.256]

    Электролиз осуществляют в электролизных ваннах (электролизерах). Электролизер состоит из трех основных частей катодного и анодного устройств и токоподводящей ошиновки (рис. IV. ). Футеровку электролизера выполняют из огнеупорных блоков, которые стойки в условиях агрессивной среды и высокой температуры. Катод собирают из угольных блоков, на которых выделяется расплавленный алюминий. Анод может перемещаться сверху по направлению к катоду при помощи специальных механизмов. Эти механизмы осуществляют непрерывную подачу анода в расплав, поддерживая неизменным расстояние между анодом и катодом. На аноде выделяется кислород, способствующий быстрому обгоранию анода. В процессе электролиза алюминия одновременно участвует ряд последовательно соединенных ванн (серий). Количество ванн в серии [c.73]

    В отдельно стоящем здании (рис. 34) размером в плане 10,5X6 м и высотой 6,5 м размещаются бак-хранилище подземных минерализованных вод 1, насосы 2 для подачи рассола в электролизеры, электролизеры, бак-накопитель 4, насос-дозатор гипохлорита натрия 5 и система вытяжной вентиляции. Кроме того, в здании предусмотрены электрощитовая, где располагается все электрооборудование, и вентиляционная камера. [c.45]

    Отечественной промышленностью химического машиностроения (завод Уралхиммаш) были выпущены четыре типа фильтпрессных биполярных электролизеров электролизер большой производительности ФВ-500 на 500 м /ч водорода [1], электролизеры средней производительности ЭФ-24/12-12 и ЭФ-12/6-12 на 24 и 12 м 1ч водорода соответственно и малый электролизер СЭУ-4М на 2—4 м ч водорода. Электролизер ФВ-500 с эквивалентной силой тока  [c.347]

    В конце электролиза через штуцер 4 выводят пульпу, содержащую крп-сталлы перманганата калия. Электролизные газы отводятся через короба 5, размещенные на торцевых сторонах электролизера. Электролизер работает при токовой нагрузке 6,5—10 кА. Выход по току КМПО4 около 50%, напряжение 4,5—5,0 В. [c.187]

    Описание электролизера. Электролизер состоит из никелевого катода и угольного анода и снабжен механической мешалкой [1]. В качестве электролита используют бро мистый аммоний. (Зхлаждающей смесью служит изобутиловый спирт, в который добавляют твердую углекислоту до достижения необходимой температуры в электролизере. В дальнейшем температуру поддерживают на заданном уровне посредством периодического добавления углекислоты. [c.37]

    Типы электролизеров. Не останавливаясь на старых типах ртутных электролизеров, в настоящее время уже не применяемых в промыщленно-сти, рассмотрим подробнее щироко распространенную конструкцию горизонтального электролизера Э на нагрузку 16—30000а (рис. 49). Корпусом электролизера служит швеллер или двутавровая балка длиной около 7 м. Внутренние поверхности полок швеллера гуммируются, а негуммирован-ная стойка швеллера образует днище электролизера. Электролизер распо- [c.94]

    Крупным шагом в повышении уровня техники хлорного производства была разработка, а затем внедрение в промышленность малоизпашиваю-щихся анодов (МИА) с активным слоем из смеси окислов рутения и титана, наносимых па титановую основу анода. Они получили название ОРТА [16]. Применение ОРТА позволило интенсифицировать процесс электролиза и осуществить дальнейшее увеличение мощности электролизеров. Электролизеры с такими анодами на нагрузку 50 и 100 кА стали использоваться при строительстве всех хлорных производств, работающих по способу электролиза с фильтрующей диафрагмой. Этими электролизерами оборудованы производства хлора на Калушском, Первомайском и других химических заводах. Интенсивно осуществляется также перевод действующих цехов на новые аноды. В конце десятой пятилетки около 35% производимого хлора в нашей стране получали на электролизерах с анодами ОРТА, доля которых в общем производстве хлора поднимется в одиннадцатой пятилетке до 70%. Применение мощных электролизеров с малоизнашивающимися анодами позволило снизить удельные затраты электрической энергии, резко сократить трудовые затраты на обслуживание и ремонт электролизеров и улучшить технико-экономические показатели производства. [c.78]

    Шесть анодных шин расположены в один ряд (в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка), две катодные шины /5размещены в один ряд у торцевых стенок ванны. С помощью конусообразных изоляторов 11 шины уплотнены и изолированы от крышки. В крышке имеется штуцер 15 с предохранительной шайбой 14 на случай аварийного повышения давления в электролизере. Электролизер находился в эксплуатации при анодных плотностях тока 70—130 А/м и температуре электролита 90 — 98 °С. [c.125]

    Эксплуатирующиеся с 1%6 года электролизеры находятся в плохом состоянии из-за высокого износа днищ и разлагателей, а также недостаточного количества капитальных ремонтов. Всего за квартал выполнен капитальный ремонт 2 электролизеров, электролизера прошли текущий ремонт со сменой анодных комплектов. Проводился ремонт другого оборудования и коммуникаций, в частности, трех хлорных компрессоров, двух водородных компрессоров и механического фильтра. [c.43]

    Электролизеры Демаг [102, 137—142]. В электролизере этого типа использованы основные технические решения, характерные для описанных ранее конструкций биполярных фильтр-прессных электролизвров. Газы, вырабатываемые в я чейках электролизера, собираются в наружных газосборных каналах. Последние составлены из отдельных звеньев, соединенных с рамами электролизера. Электролизер работает с В1нешней естественной циркуляцией электролита через теплообменники для регулирования рабочей температуры и через фильтр для постоянной очистки электролита. Постоянство уровня электролита в ячейках и выравнива- [c.118]

---

Введение в электролизеры

Электролизеры используют электричество для разложения воды на водород и кислород. Электролиз воды происходит посредством электрохимической реакции, для которой не требуются внешние компоненты или движущиеся части. Он очень надежен и может производить сверхчистый водород (> 99,999%) без вреда для окружающей среды, если источником электроэнергии является возобновляемая энергия.

Водород, полученный из электролизера, идеально подходит для использования с водородными топливными элементами .Реакции, происходящие в электролизере, очень похожи на реакции в топливных элементах, за исключением того, что реакции, происходящие на аноде и катоде, меняются местами. В топливном элементе газообразный водород потребляется на аноде, а в электролизере газообразный водород образуется на катоде. Недостатком электролизеров является потребность в электроэнергии для завершения реакции. В идеале электрическая энергия, необходимая для реакции электролиза, должна поступать из возобновляемых источников энергии, таких как ветряных , солнечных или гидроэлектрических источников.Электролизеры полезны и идеальны при включении в определенные стационарные, переносные и транспортные системы электропитания. Некоторыми примерами приложений, в которых электролизеры были бы особенно полезны, являются долгосрочное использование в полевых условиях, транспортных средств с топливными элементами и портативная электроника. Достаточное количество водорода может быть произведено до его использования и, следовательно, может быть полезным дополнением к системе, использующей солнечную и ветровую энергию.

Некоторые из преимуществ использования электролизеров:

1. Производимый водород очень чистый.
2. Его можно производить непосредственно на месте и в то время, когда оно будет использоваться, и не обязательно хранить.
3. Это намного более дешевый метод, чем подача газа в баллонах высокого давления.

Во всем мире более чем достаточно солнечных и ветровых природных ресурсов для производства всего водорода, необходимого для стационарных, транспортных и переносных применений. Электролиз может удовлетворить требования к стоимости, установленные правительствами многих стран мира.

Типы конструкций электролизеров

Есть много способов построить и настроить электролизер, и различные электролиты можно использовать так же, как в топливных элементах. Однако одно отличие от топливных элементов состоит в том, что нельзя использовать высокотемпературные системы, потому что вода должна подаваться в виде пара. Электролизеры можно разделить на две основные конструкции: униполярные и биполярные. В униполярной конструкции обычно используется жидкий электролит (щелочные жидкости), а в биполярной конструкции используется твердый полимерный электролит ( протонообменных мембран ).Гидроксид калия был широко используемым электролитом в прошлом, но в последнее время более типичными являются мембраны PEM. Конструкция электролизера очень похожа на аккумулятор или топливный элемент; он состоит из анода, катода и электролита.

Щелочной электролизер

Щелочные электролизеры обычно используют водный раствор гидроксида калия (КОН) в качестве электролита. Другие часто используемые электролиты включают серную кислоту (h3SO4), гидроксид калия (KOH), хлорид натрия (NaCl) и гидроксид натрия (NaOH).Типичная концентрация электролизного раствора составляет 20-30 мас.% Для обеспечения баланса между ионной проводимостью и коррозионной стойкостью.

Щелочные электролизеры хорошо работают при рабочих температурах от 25 до 100 ° C и давлении от 1 до 30 бар соответственно. Промышленные щелочные электролизеры имеют плотность тока в диапазоне 100-400 мА / см ² . Химические реакции для щелочного электролизера:

• Анод: 4H ₂ O + 4e ^— 2H ₂ + 4OH
• Катод: 4OH ^— + O ₂ + 4e ^— + 2 H ₂ O
• В целом: 2 H ₂ O → 2H ₂ + O ₂

Общая конструкция щелочного электролизера проста.Он имеет униполярную конструкцию, состоящую из двух металлических электродов, подвешенных в водном растворе электролита. Когда на электроды подается электричество, на каждом электроде генерируется газообразный водород и кислород. Электролизер должен быть спроектирован таким образом, чтобы каждый газ собирался и удалялся из электролизера эффективно. Инженер должен следить за тем, чтобы газы не смешивались, потому что при наличии искры смесь водорода и кислорода легко воспламеняется.

Электролизер на основе PEM

Электролизеры на основе полимерных электролитных мембран (PEM) очень популярны, и многие современные электролизеры построены с использованием технологии PEM.В электролизере PEM используется тот же тип электролита, что и в топливном элементе PEM . Электролит представляет собой тонкую твердую ионопроводящую мембрану, которая используется вместо водного раствора. Эти электролизеры имеют биполярную конструкцию и могут работать при высоких дифференциальных давлениях на мембране. Реакции следующие:

• Анод: 4H ⁺ + 4e ^— → 2H ₂
• Катод: 2H ₂ O → O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^—
• В целом: 2H ₂ O (л) + 4H ⁺ + 4e ^— → 2H ₂ + O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^—

Электролизеры PEM популярны, потому что многие из типичных проблем топливных элементов PEM не применимы.Воду, подаваемую на катод, также можно легко использовать для охлаждения элемента, а управление водой намного проще, поскольку положительный электрод должен быть залит водой. Водород, получаемый в электролизерах этого типа, имеет высокую чистоту. Единственная проблема — наличие водяного пара в системе. Вода диффундирует через электролит, как в топливных элементах; поэтому разработчики электролитов используют различные методы, чтобы избежать этого. Распространенным методом является использование более толстых электролитов, чем те, которые используются в топливных элементах.

КПД электролизера

На работу электролизеров влияет множество факторов. Некоторые из них включают общую конструкцию, используемые материалы, а также рабочую температуру и давление. Работа при более высоких температурах увеличит эффективность, но также увеличит скорость коррозии материалов электролизера. КПД электролизера рассчитывается так же, как и топливного элемента. Эффективность топливного элемента определяется по формуле:

И обратная этой формуле — КПД электролизера:

Потери в электролизерах такие же, как в топливных элементах, а типичные значения для Vcell и Vel_cell равны 1.6 — 2,0 В в зависимости от плотности тока. Эффективность батареи также должна включать потери мощности из-за электроэнергии, необходимой для насосов, клапанов, датчиков и контроллера, а также количество энергии, вложенной в батарею. Типичный КПД коммерческих электролизеров составляет от 60 до 70 процентов.

Возможности для электролиза

Интеграция электролизеров с системой возобновляемых источников энергии создает уникальные возможности для обеспечения электроэнергией в будущем.Системы возобновляемой энергии могут подключаться к коммунальной сети через силовую электронику. Силовая электроника преобразует переменный ток (AC) из сети в постоянный ток (DC), необходимый для пакета электролизных ячеек. В качестве источника электроэнергии можно использовать как фотоэлектрические, так и ветроэнергетические системы. Во многих ветряных / электролизных системах, используемых сегодня для производства водорода, электролизер напрямую использует переменный ток от ветряной турбины.

Во всем мире проводится множество научно-исследовательских и опытно-конструкторских проектов, в которых анализируется и сравнивается производство водорода солнечной и ветровой энергией и электросетью.В этих исследованиях водород производится путем электролиза, а затем сжимается и хранится для питания двигателя в периоды с более высокими требованиями к энергии. Эти проекты будут исследовать совместное производство электричества и водорода, чтобы решить проблему неустойчивого характера солнечной и ветровой энергии, чтобы производить электричество при высоком спросе на энергию. Эти исследования также включают потенциальное использование водорода в транспортных средствах. В этих исследовательских проектах изучаются технологии нескольких электролизеров; их способность быстро подключаться и отключаться; а также разработка преобразователей переменного тока в постоянный и постоянного тока для использования ветряной турбины от солнечной энергии в электролизере с целью повышения эффективности.

Электролиз может помочь сократить периодическое производство электроэнергии из возобновляемых источников. Водородные системы может производить водород и хранить его для последующего использования, что может повысить коэффициент использования возобновляемых источников энергии. Это поможет сделать возобновляемую энергию постоянной или использоваться в периоды пиковой нагрузки. Допуская совместное производство водорода и электроэнергии, коммунальное предприятие может оптимизировать свою систему производства и хранения. И солнечная, и ветровая системы могут получить выгоду от производства электроэнергии вместе с водородом.Некоторые исследования показали, что системы, оптимизированные для производства водорода и электроэнергии, имеют более низкие цены на водород — даже когда электроэнергия продается по очень низкой цене.

Выводы

Электролиз использует электричество для разложения воды на водород и кислород. Этот процесс может производить сверхчистый водород (> 99,999%) без загрязнения окружающей среды, если источником электроэнергии является возобновляемая энергия. Водород также можно производить непосредственно в любом месте и в то время, когда это необходимо; следовательно, его необязательно хранить.Это идеальный метод производства водорода для водородных топливных элементов. Если эта система спроектирована правильно, она может быть намного дешевле, чем газ, поставляемый в баллонах высокого давления. Электролизеры были бы очень полезны, если бы они были интегрированы в стационарные, переносные или транспортные системы энергоснабжения для производства водорода. Это также было бы полезным дополнением к системе, использующей солнечную и ветровую энергию, потому что водород можно использовать для питания топливных элементов, когда солнечная и ветровая энергия непостоянна.В будущем электролиз можно будет использовать вместе с водородом, который необходим из ветряных и солнечных источников.

Автор: Д-р Коллин Шпигель

Доктор Коллин Шпигель — консультант по математическому моделированию и техническому письму (президент SEMSCIO) и профессор, имеющий докторскую степень. и степень магистра инженерных наук. Она имеет семнадцатилетний опыт работы в инженерии, статистике, науке о данных, исследованиях и написании технических статей для многих компаний в качестве консультанта, сотрудника и независимого владельца бизнеса.Она является автором книг « Designing and Building Fuel Cells » (McGraw-Hill, 2007) и «PEM Fuel Cell Modeling and Simulation using MATLAB» (Elsevier Science, 2008). Ранее она владела Clean Fuel Cell Energy, LLC, организацией по топливным элементам, которая обслуживала ученых, инженеров и профессоров по всему миру.

Электролизеры 101: что это такое, как они работают и где они подходят в зеленой экономике

По мере того как Cummins смотрит в будущее, мы видим сдвиг на рынке энергии.С этим изменением появляются новые возможности и возможности, выходящие за рамки нашего традиционного набора продуктов. Чтобы лучше обслуживать наших клиентов и нашу планету, Cummins внедряет инновации в новые устойчивые формы энергии и привносит широкий спектр новых возможностей в портфель продуктов New Power, обеспечивая способ производства чистого водорода для питания водородных топливных элементов, обеспечения промышленных процессов или производить экологически чистые химические вещества, такие как удобрения, возобновляемый природный газ и метанол.

Cummins предлагает различные водородные технологии, включая системы электролизеров, и недавно объявила о поставке своего 5-мегаваттного электролизера PEM для преобразования излишков гидроэнергии в чистый водород для муниципального коммунального округа округа Дуглас в штате Вашингтон (США).Но что такое электролизер, как он работает и какое место он занимает в нашей «зеленой» экономике?

Что такое электролизер и как он работает?

Электролизер — это система, которая использует электричество для разложения воды на водород и кислород в процессе, называемом электролизом. В результате электролиза в системе электролизера образуется газообразный водород. Оставшийся кислород выбрасывается в атмосферу или может улавливаться или храниться для снабжения других промышленных процессов или в некоторых случаях даже медицинских газов.

Газообразный водород может храниться в сжатом или сжиженном виде, и, поскольку водород является энергоносителем, его можно использовать для питания любых электрических систем на водородных топливных элементах — будь то поезда, автобусы, грузовики или центры обработки данных.

В своей основной форме электролизер содержит катод (отрицательный заряд), анод (положительный заряд) и мембрану. Вся система также включает насосы, вентиляционные отверстия, резервуары для хранения, источник питания, сепаратор и другие компоненты. Электролиз воды — это электрохимическая реакция, протекающая в пакетах ячеек.Электричество подается на анод и катод через протонообменную мембрану (PEM) и заставляет воду (h30) расщепляться на составляющие ее молекулы, водород (h3) и кислород (O2).

Существуют ли электролизеры разных типов?

Да, они различаются по размеру и функциям. Эти электролизеры можно масштабировать для соответствия различным диапазонам ввода и вывода, начиная от небольших промышленных предприятий, установленных в транспортных контейнерах, до крупных централизованных производственных объектов, которые могут доставлять водород на грузовиках или подключаться к трубопроводам.

Существует три основных типа электролизеров: протонообменные мембраны (PEM), щелочные и твердооксидные. Эти разные электролизеры работают по-разному в зависимости от материала электролита. И щелочные электролизеры, и электролизеры на основе ПЭМ могут доставлять водород на месте и по запросу, водород под давлением без компрессора и чистый, сухой и безуглеродный водород чистотой 99,999%.

Разница между тремя основными видами электролизеров включает:

Щелочные электролизеры

• Использует жидкий раствор электролита, такой как гидроксид калия (KOH) или гидроксид натрия (NAOH), и воду.
• Водород производится в «ячейке», состоящей из анода, катода и мембраны. Ячейки обычно собираются последовательно в «стопку ячеек», которая производит больше водорода и кислорода по мере увеличения количества ячеек.
• Когда ток подается на батарею элементов, ионы гидроксида (ОН-) перемещаются через электролит от катода к аноду каждой ячейки, при этом пузырьки газообразного водорода образуются на катодной стороне электролизера, а газообразный кислород — на аноде, как представлено здесь.

Электролизеры с протонообменной мембраной (PEM)

• В электролизерах PEM используется протонообменная мембрана, в которой используется твердый полимерный электролит.
• Когда ток подается на батарею элементов, вода расщепляется на водород и кислород, и протоны водорода проходят через мембрану, образуя газ h3 на катодной стороне.

Электролизеры на твердом оксиде (SOEC)

• В качестве электролита используется твердый керамический материал
• Электроны из внешнего контура объединяются с водой на катоде с образованием газообразного водорода и отрицательно заряжают ионы.Затем кислород проходит через скользящую керамическую мембрану и реагирует на аноде с образованием газообразного кислорода и генерации электронов для внешней цепи
SOEC
• работают при гораздо более высоких температурах (выше 500 ° C), чем щелочные электролизеры и электролизеры с PEM (до 80 ° C), и потенциально могут стать намного более эффективными, чем PEM и щелочные электролизеры.

Как коммерциализируются электролизеры на основе производства водорода?

Есть четыре основных способа коммерциализации электролизеров:

1. Энергия для мобильности : Водород можно использовать в качестве топлива на заправочных станциях для электромобилей на топливных элементах, таких как автобусы, поезда и автомобили.
2. Power to Fuel : Используется на нефтеперерабатывающих заводах для удаления серы из ископаемого топлива.
3. Power to Industry : Используется непосредственно в качестве промышленного газа в сталелитейной промышленности, заводах по производству листового стекла, полупроводниковой промышленности и т. Д. Его также можно впрыскивать непосредственно в сети природного газа для низкоуглеродного нагрева и других применений природного газа. .
4. Power to Gas : Используется при производстве экологически чистых химикатов, таких как метанол, удобрения (аммиак) и любое другое жидкое топливо, даже топливо для реактивных двигателей!

Что такого уникального в водородных топливных элементах?

Водород, полученный из электролизера, идеально подходит для использования с водородными топливными элементами.Работая во многом как батарея, топливные элементы не разряжаются и не нуждаются в подзарядке и вырабатывают электричество и тепло, пока есть топливо. Вы можете узнать больше о батареях и топливных элементах здесь. Топливные элементы используют водород для производства электроэнергии с нулевыми выбросами в точке использования. Это означает, что из выхлопной трубы не поступает ископаемое топливо или вредные выбросы.

Еще лучше, когда система электролизера питается от возобновляемого источника энергии, такого как гидроэлектростанция из плотин реки Колумбия, производимый водород считается возобновляемым и не содержит CO2 от скважины к колесу.Узнайте больше о выбросах в атмосферу в полностью электрических системах и на топливных элементах.

Почему водород — такой хороший вариант для чистой энергии?

Водород открывает возможности для массовых рыночных изменений в энергетической отрасли. Энергетические системы по всему миру претерпевают фундаментальные преобразования, чтобы сосредоточиться на снижении выбросов и меньшем негативном воздействии на окружающую среду.

Чтобы уменьшить негативное воздействие изменения климата и обезуглерожить сектор энергетики, технологии возобновляемой энергии, такие как ветер и солнечная энергия, стали ключевыми составляющими решения.Но интеграция этих прерывистых источников энергии в энергосистему может оказаться сложной задачей.

Водород может выступать в качестве накопителя энергии для решения этих сетевых проблем, позволяя более легко использовать возобновляемую энергию вне электросети. Водород — это стабильный способ хранения и эффективной транспортировки возобновляемой электроэнергии в течение длительных периодов времени. Таким образом, возобновляемая электроэнергия, генерируемая ветром и солнечной энергией, которая не используется сразу, может быть использована в другое время или в другом месте.Потенциал водорода для хранения и транспортировки энергии делает его ключевым фактором глобального перехода к возобновляемым источникам энергии.

Что делает Cummins с электролизерами?

Компания Cummins смело вступила в водородную экономику в сентябре 2019 года, купив Hydrogenics, мирового производителя водородных топливных элементов и электролизеров. Cummins продолжает быстро прогрессировать в разработке новых продуктов и приложений в водородной сфере, и в настоящее время Cummins предлагает два различных типа электролизеров:

1. В электролизере с полимерно-электролитной мембраной (PEM) HyLYZER® Electrolyzer используется твердый полимер с ионной проводимостью и он лучше подходит для крупномасштабного производства водорода.
2. Щелочной электролизер HySTAT® использует жидкий электролит и хорошо подходит для производства водорода в малых и средних масштабах.

Cummins гордится тем, что возглавляет новую водородную технологию. Имея вековой опыт работы с множеством источников питания и трансмиссий, мы работаем с нашими клиентами, чтобы предоставить правильное решение для нужного клиента в нужное время. Будь то аккумуляторная батарея, дизельное топливо, природный газ или топливные элементы, ваша энергия — ваш выбор.

Снижение стоимости водорода и распространение его производства — pv magazine USA

Шмидт стремится достичь того, что многие до него пытались и не смогли сделать. Он хочет создать систему, производящую водород для собственного потребления и для использования в качестве сезонного хранилища. Целевые затраты являются многообещающими при условии наличия дешевой экологически чистой электроэнергии для питания электролизеров.

Шмидт не единственный, кто совершил эту революцию. В стартовых блоках находятся несколько малых и крупных компаний.Центральное или распределенное энергоснабжение — это проблема не только в производстве электроэнергии. Также ведутся оживленные дискуссии о том, какой подход более перспективен для производства зеленого водорода.

Потенциал экономии

Производство водорода в принципе простое. Электролиз применяется примерно с 1800 года. Метод, известный как щелочной электролиз, используется в коммерческих целях с середины 20 века. В нем используется ячейка с катодом, анодом и электролитом на основе раствора едких солей.При подаче напряжения вода разлагается в щелочном растворе. На катоде образуется водород, а на аноде — кислород. Между двумя электродами находится мембрана, которая пропускает только отрицательно заряженные ионы кислорода и водорода (ОН-), разделяя, таким образом, газы. Во время реакции выделяется тепло, которое, если использовать его, увеличивает ее эффективность. Затем полученный водород необходимо очистить, высушить и, при необходимости, сжать.

Электролит является жидким, это означает, что для щелочного электролизера требуется дополнительное периферийное оборудование, такое как насосы для электролита, промывка и подготовка раствора.Хотя в настоящее время это самый дешевый из всех процессов электролиза, он требует относительно высоких затрат на техническое обслуживание.

Гораздо более современный метод электролиза, в котором используется протонообменная мембрана (PEM), отличается. Это полностью изменяет принцип топливного элемента и не требует жидкого электролита. Вода продавливается через пакет из двух электродов и полимерную мембрану. Он позволяет проходить только положительно заряженным протонам водорода. Платина обычно используется в качестве катализатора в ячейке.Тонкие ячейки, состоящие из мембраны и пары электродов, могут быть собраны в стопки для достижения лучшей производительности. По сравнению со щелочным электролизом, электролиз PEM имеет то преимущество, что он быстро реагирует на колебания, типичные для производства возобновляемой энергии. Эта технология часто используется в распределенных системах, поскольку оборудование не требует обслуживания и подает высококачественный газ.

Более новый вариант — электролиз с анионообменной мембраной (АЭМ), используемый Enapter. Как и щелочной электролиз, этот метод позволяет отрицательно заряженным ионам (ОН-) проходить через мембрану.AEM позволяет избежать использования дорогостоящих драгоценных металлов, необходимых в качестве катализаторов при электролизе PEM. Этот процесс также эффективен в меньшем масштабе, что делает его подходящим для децентрализованных приложений.

Высокотемпературный электролиз использует несколько иную концепцию. Керамические мембраны, которые проводят ионы при очень высоких температурах, разделяют перегретый пар при температуре от 600 до 800 градусов Цельсия на кислород и водород. Поскольку большая часть энергии, необходимой для этого процесса, уже обеспечивается за счет тепла, потребность в электроэнергии ниже.Когда используется промышленное отходящее тепло, которое стоит мало или ничего не стоит, этот метод может быть очень эффективным. Эффективность, измеренная с точки зрения потребляемой электроэнергии, выше, чем при использовании других методов.

Ценовая стратегия

Однако в конечном итоге эффективность важна лишь косвенно; самое главное — это стоимость. Общая стоимость включает стоимость электролизера, включая техническое обслуживание и замену изношенных мембран, стоимость электроэнергии, используемой для процесса, и любые последующие расходы на сушку, очистку и сжатие газа, а также транспортировку.

Исследование, проведенное в 2018 году Fraunhofer ISE и IPA, оценило инвестиционные затраты на электролизер PEM, который производит один стандартный кубический метр водорода за один час, примерно в 7600 долларов. Тем временем, однако, цены упали до 4900-6000 долларов, говорит Том Смолинка, руководитель отдела химического хранения энергии Fraunhofer ISE и один из авторов исследования. Щелочные электролизеры, которые на момент исследования стоили 3300 и 6000 долларов, теперь, как говорят, значительно дешевле в Китае.На момент проведения исследования практически не существовало готовых к продаже приложений для высокотемпературного электролиза.

Смолинка оценивает, что производство мембранно-электродного блока — сердца электролизера из ПЭМ — составляет от 60% до 70% от общей стоимости, в то время как затраты на чистые материалы, включая дорогие драгоценные металлы, составляют только 30%. до 40%. Кроме того, он добавляет, что силовая электроника, используемая в больших электролизерах, в настоящее время еще не является массовым продуктом, а скорее является единичным продуктом для конкретных клиентов.Соответственно, цены, вероятно, резко упадут, когда объемы продаж увеличатся. По словам Смолинки, до сих пор большинство электролизеров производилось в рамках рабочих процессов с небольшой автоматизацией или даже полностью вручную. «Высокоавтоматизированное производство, особенно для компонентов элементов, которое уже существует для топливных элементов с PEM, технически не будет проблемой». Однако он добавляет, что текущий низкий уровень рыночного спроса не позволяет производителям делать необходимые инвестиции.

Инвестиционные затраты

Ряд участников рынка работают над снижением инвестиционных затрат.Примером этого является совместное предприятие ITM Power и Linde, которое планирует открыть в этом году полуавтоматический завод в Шеффилде, Великобритания, для производства 1 ГВт мощности электролиза в год, в первую очередь для многомегаваттных проектов, таких как один в Кельне. Другие известные компании также заявили о крупных проектах и ​​расширяют производство. Например, NEL в настоящее время готовится к реализации проекта мощностью 20 МВт в Дании, а Hydrogenics готовится к запуску небольшого проекта в Канаде.Наряду с размером проекта улучшается и производительность стека. В настоящее время обычно доступны стеллажи с входной электрической мощностью 400 кВт. Вскоре некоторые игроки захотят увеличить эту мощность до 1 МВт. Масштабирование размера должно снизить затраты.

Enapter использует другой подход. Итальянско-немецкая компания твердо привержена созданию небольшого стандартизированного продукта, который можно производить в еще больших количествах, а затем при необходимости устанавливать бок о бок. Основатель и генеральный директор Шмидт проводит параллели с компьютерным миром, чтобы проиллюстрировать правдоподобность этой концепции.Распределенные персональные компьютеры в значительной степени заменили мэйнфреймы, потому что большие объемы производства сделали их дешевле в производстве, чем небольшое количество мэйнфреймов. Аналогичным образом ожидается, что продукт Enapter снизит затраты по сравнению с большими центральными электролизерами, которые не производятся в промышленных масштабах.

Это обсуждение о том, достигается ли цель быстрее за счет масштабирования до более крупных единиц в меньших количествах или путем масштабирования до большего количества более мелких единиц, распространено во многих отраслях.Скептики говорят, что последний подход не так перспективен для электролизеров по физическим причинам. В отличие от компьютеров, производительность электролизеров не увеличилась бы во много раз, если бы они были уменьшены в размерах. С другой стороны, с помощью электролиза AEM возможное устранение драгоценных металлов может сделать распределенную генерацию жизнеспособной для массового рынка.

При текущей цене 9800 долларов устройство подает полкубометра водорода в час или один килограмм водорода каждые 24 часа.При целевом сроке службы 30 000 часов, агрегат в настоящее время достигает цены в 7,30 доллара за кг, что соответствует 0,19 доллара за киловатт-час (теплотворная способность). Эти цифры, однако, не включают цену 54 кВт / ч электроэнергии, необходимой для производства 1 кг водорода с помощью электролиза AEM. Если мы предположим, например, что входящая электроэнергия стоит 0,055 доллара за киловатт-час, это добавит еще 3 доллара за килограмм, или 0,075 доллара за киловатт-час водорода, к производственным затратам.

Как только автоматизированное производство на заводе в Пизе запустится, как и планировалось через четыре года, электролизер станет настолько дешевым, что цена составит 1 доллар.По словам Шмидта, будет получено 64 на килограмм без учета затрат на электроэнергию. На этом этапе разработчики надеются, что будет целесообразно использовать устройство не только для распределенной генерации, но и для сборки более крупных агрегатов, как в компьютерном примере. Установка 416 блоков позволит достичь мощности 1 МВт.

Источник неопределенности

Срок службы устройств включен во все сметы затрат, которые, как и в случае с любой новой технологией, нелегко доказать. Например, невозможно проверить, действительно ли электролизер AEM прослужит 30 000 часов, а электролизер PEM — от 60 000 до 80 000 часов, как заявляют производители.Однако Шмидт из Enapter и исследователи Тома Смолинки согласны с тем, что клетки AEM и PEM практически не стареют с течением времени. Кроме того, мало имеет значения, работает ли электролизер при полной нагрузке или только при половинной мощности.

В конечном счете, сама мембрана — не единственный фактор, определяющий срок службы. «Наибольшее влияние на срок службы оказывает качество воды», — говорит Смолинка. Загрязнения накапливаются в мелких порах мембраны, которые блокируют их или, в случае солей, образуют мостики.

Еще одним фактором, склеивающим электролизеры, является температура. Чрезмерные нагрузки приводят к более высоким температурам во всей системе, а электроды с неравномерным покрытием могут создавать горячие точки.

Areva h3Gen решит эту проблему в течение следующих трех лет. В исследовательском проекте Industriepark Höchst компания использует электролизер PEM мощностью 1 МВт. В дополнение к производству водорода он также будет обеспечивать первичную регулирующую мощность в будущем, что означает, что иногда он будет работать с удвоенной мощностью, а в других случаях — только с небольшой частью своей мощности 250 кВт.Если концепция окажется осуществимой, она не только откроет дополнительный доход операторам электролизных заводов, но также может помочь стабилизировать электросеть.

Согласно расчетам затрат, проведенным менеджером проекта Лукасом Буземейером, целевые затраты Enapter могут быть достигнуты уже сегодня с помощью централизованного подразделения Areva h3Gen. При непрерывной эксплуатации установки — 8000 рабочих часов в год в течение 20 лет — цена на водород в размере 3,90 долл. США / кг достижима при цене на электроэнергию 0 долл. США.055 / кВтч. Эта оценка предполагает, что стек PEM будет заменен один раз через 10 лет.

Значительное сокращение

Поскольку затраты на электроэнергию являются решающим фактором в общих затратах на генерацию, нельзя разделить технологию и ее использование. Любой, кто покупает зеленую электроэнергию из сети, будь то через PPA или в качестве сертифицированной зеленой электроэнергии, должен учитывать плату за подключение, сборы и надбавки к цене на электроэнергию, какими бы ни были правовые нормы. Однако электролизер можно подключать напрямую к существующей газовой или водородной сети, как в случае с Shell и Areva h3Gen в Хёхсте.

Операторы, которые производят водород с помощью небольших солнечных систем, могут использовать тепло и, таким образом, повысить экономическую эффективность, а также могут использовать топливо непосредственно для отопления или для заправки транспортных средств без необходимости его транспортировки. Такие производители также экономят часть сборов и надбавок на цене электроэнергии и снижают нагрузку на сеть.

В принципе, однако, инвесторы, которые планируют использовать только солнечную энергию для работы электролизера, должны будут согласиться с более длительным периодом окупаемости, поскольку энергия доступна только в течение небольшого количества часов полной нагрузки.

Значительное снижение потребления электроэнергии при электролизе может быть достигнуто с помощью высокотемпературных устройств, которые имеют наивысший электрический КПД от 80% до 90%. Одним из пионеров этой технологии является Sunfire из Дрездена. Вместо 55 кВтч, как при электролизе PEM, для производства 1 килограмма водорода требуется всего 41,4 кВтч электроэнергии. Однако для этого электролизер необходимо нагреть. Поэтому рекомендуется устанавливать их там, где образуются промышленные отходы тепла, например, на сталелитейных заводах.Если производство стали не требует выбросов CO2, идеально подойдет соединение секторов, потому что произведенный водород может потребляться немедленно. «С кислородной мембраной, которую использует Sunfire, можно не только расщепить воду для получения водорода, но и отделить любую молекулу, содержащую кислород, например углеводороды или даже углекислый газ», — говорит Нильс Альдаг, главный операционный директор Sunfire. Полученный газ можно легко переработать в синтетическую сырую нефть, которую намного легче транспортировать, чем объемистый водород.

Вопрос о централизованном или распределенном электролизе, вероятно, в конечном итоге будет не вопросом «или / или», а вопросом «и / или».Задача огромная. Один только нефтеперерабатывающий завод Shell Rheinland в Кельне, который, по данным компании, является крупнейшим нефтеперерабатывающим заводом в Германии, требует 180 000 метрических тонн водорода в год. Он по-прежнему производится в основном путем паровой конверсии природного газа, который производит большое количество вредного для климата CO2. С середины 2019 года компания строит электролизный завод мощностью 10 МВт на заводе в Весселинге. По заявлению Shell, там будет установлен крупнейший в мире завод, использующий технологию протонообменных мембран.И все же для того, чтобы только эта компания перешла на экологически чистый водород, потребуется около 140 таких заводов.

Электролизер

— кислород не включен Wiki

Эта статья не редактировалась для текущей версии ( CS-442712 ). Последний раз он обновлялся для LU-356355 . Он может содержать неточности.

Эта статья не редактировалась для текущей версии ( CS-442712 ).Последний раз он обновлялся для LU-356355 . Он может содержать неточности.

Электролизер — это устройство, которое использует электричество для разделения воды на составляющие кислород и водород.

Оба выхода имеют минимальную температуру 70 ° C (или выше, если входы были более горячими).

Электролизеры

требуют большего планирования, чем другие источники кислорода, поскольку они не только требуют, чтобы вода постоянно подавалась через систему труб и насосов, но также необходимо учитывать водород и обращаться с ним соответствующим образом.Другой аспект — температура создаваемого кислорода. Электролизер имеет минимальную температуру на выходе 70 ° C, поэтому рекомендуется иметь некоторую форму охлаждения кислорода перед его использованием в ядре колонии. В качестве альтернативы можно немного охладиться в самой колонии или в самой колонии, чтобы бороться с дополнительным жаром.

Как и его двоюродный брат, диффузор кислорода, электролизер автоматически останавливается, когда четыре занимаемых им блока достигают установленного разработчиком максимального предела давления.

Электролизеры могут использоваться для удовлетворения потребностей колонии в кислороде до тех пор, пока есть источник воды.Произведенный водород поднимется на верхнюю часть комнаты, откуда его можно будет откачать с помощью газового насоса. В качестве альтернативы электролиз можно проводить в небольшом воздухонепроницаемом помещении, и можно использовать газовые насосы для уноса кислорода и водорода до того, как в помещении будет достигнуто предельное давление. Затем водород можно отделить от кислорода с помощью газового фильтра и направить в генератор водорода для сжигания, производя при этом небольшое количество энергии. Затем кислород может быть распределен внутри колонии через газоотводные отверстия.Вместо одного вентиляционного отверстия может использоваться система вентиляции, чтобы гарантировать, что всегда есть место для выхода кислорода, поскольку отдельное вентиляционное отверстие перестанет выпускать кислород, как только блок, который он занимает, достигнет предельного давления для этого вентиляционного отверстия. Гейзер можно использовать для обеспечения неограниченного количества воды для подачи кислорода на основе электролизера.

Тепловое хозяйство [править | править источник]

Рассмотрите как можно меньше охлаждающей воды или даже сбросьте в нее немного тепла перед подачей в Electrolyzer .Входящий килограмм воды теплее, чем выходной килограмм газов, что удобно, так как облегчает последующее охлаждение газов.

Но становится лучше — 1 кг смеси кислорода и водорода при 70 ° C переносит столько же тепла, как 1 кг воды при 19,45 ° C, это означает, что при входе 19,75 ° C электролизер начинает выделять тепло и становится отрицательным в чистом виде. . Он будет разрушать 4,179 кДТЕ (1 кг * удельная теплоемкость воды) на каждый градус выше этого, пока не достигнет 70 ° C, когда на выходе также начнется повышение температуры, а эффективность упадет примерно до 3 кДТЕ / градус.С водой, близкой к температуре 96 ° C, он будет складывать до 288 кДТЕ / с в абсолютных числах, что сопоставимо с 3,6 AETN.

Обратите внимание, что электролизер не будет обрабатывать воду и выпускать пар в окружающую среду, если заборник слишком горячий.

Как следствие, при подаче воды с температурой ниже 19,8 ° C будет выделено тепла.

Тем не менее, мощность 70 ° C наверняка пригодится для любой фермы, полагающейся на поддержание температуры 30 ° C или ниже без какой-либо дополнительной теплопередачи / удаления тепла.На каждый грамм кислорода выводится масса электролизера с теплоемкостью 1,308 (DTU / г) / ° C. Учитывая, что дубликант потребляет 100 г / с кислорода, для охлаждения выхода электролизера требуется 130,8 (DTU / ° C) / s на дубликат, а для разницы в 40 ° C — 5,2 кДТЕ / с. Это немного больше тепла, чем удаляет удобренный хворостник в кислородной среде.

• Электролизер — это способ производства кислорода без водорослей, и его следует изучить, прежде чем у вас закончатся водоросли.
• Заполнение электролизера чем-либо, кроме воды, приведет к его повреждению.Это ограничение распространяется на загрязненную воду.
• Электролизер имеет внутренний резерв 10 кг, которого хватает на 10 секунд в идеальных условиях.
• Электролизер не удаляет микробы пищевого отравления или слизи из воды, а выводит микробы с кислородом. Оба микроба постепенно вымрут в кислороде.
• Использование вентиляционных отверстий для газа под высоким давлением будет более эффективно распространять кислород в основании (однако слишком высокое давление вызовет лопание барабанных перепонок, что создает напряжение, чтобы избежать этого, используйте автоматику для перекрытия вентиляционного отверстия при достаточно высоком давлении).
• Электролизер лучше всего комбинировать с антиэнтропийным термо-нейтрализатором для охлаждения его выходной мощности при очень небольших затратах на водород. Кроме того, он может предотвратить слишком сильный нагрев электролизера, если он установлен достаточно близко.

Размещение электролизера с двумя газовыми насосами слева и справа в герметичном помещении 6×2 приведет к исчезновению значительного количества водорода, эффективно производя только 75 г / с водорода (примерно 66% от того, что должно быть). Обходной путь — сделать комнату высотой в 3 плитки (с насосами и электролизером, размещенными на земле).

Статья об электролизере по The Free Dictionary

Аппарат, в котором проводится электролиз, состоящий из одной или нескольких электролитических ячеек. Электролизер — это сосуд (или система сосудов), заполненный электролитом, в котором размещены электроды — катод и анод; катод подключен к отрицательному полюсу источника постоянного тока, а анод — к положительному полюсу.

В промышленности и лаборатории используются различные типы электролизеров, например, открытые и герметичные электролизеры, электролизеры для периодической и непрерывной работы, электролизеры с фиксированными или съемными электродами и электролизеры с различными системами разделения продуктов электролиза.В зависимости от предполагаемого использования электролизеры предназначены для работы при различных температурах, от ниже 0 ° C (например, электрохимический синтез нестабильных кислородных соединений) до высоких температур (например, при электролизе расплавленных электролитов при производстве алюминия. , кальций и другие металлы), и они соответственно оснащены системами для нагрева или охлаждения электролита или электродов. Некоторые электролизеры имеют диафрагму — пористый барьер или мембрану, которая отделяет катодное пространство от анодного пространства и которая проницаема для ионов, но замедляет механическое перемешивание и диффузию.Для изготовления этих диафрагм используются асбест, полимерные материалы и керамика. Также используются электролизеры с ионообменными мембранами. Различают униполярные и биполярные электролизеры в зависимости от того, как электролизеры подключены к электрической цепи. Униполярные электролизеры состоят из одной электролитической ячейки с электродами одной полярности, каждый из которых может состоять из нескольких элементов, включенных параллельно цепи. Биполярные электролизеры состоят из множества ячеек, до 100–160, которые подключены последовательно к цепи, и каждый электрод, за исключением двух концевых электродов, функционирует как катод на одном конце и анод на другом.

Аноды изготавливаются из графита, углерод-графитовых материалов, платины, оксидов некоторых металлов, свинца или свинцовых сплавов. Также используются сверхмощные титановые аноды с активным покрытием из смеси оксида рутения и оксида титана или платины и ее сплавов. Катод в большинстве электролизеров изготовлен из стали. Также используются электролизеры с жидкими электродами (например, ртуть используется в качестве катода в одном способе производства хлора и гидроксида натрия). Некоторые электролизеры работают под давлением, например, вода диссоциирует при давлениях до 4 меганьютон / м ² (40 килограмм-сила / см ² ).В настоящее время ведется разработка электролизеров, работающих при более высоких давлениях. При выборе материалов для изготовления электролизеров учитываются коррозионная активность электролита и продуктов электролиза, температура и другие факторы. Используются сталь, в том числе сталь с различными защитными покрытиями, пластмассы, стекло, стекловолокно, керамика. Большие современные электролизеры работают при больших нагрузках: униполярные электролизеры до 400–500 килоампер и биполярные электролизеры до 1600 килоампер.

Большая Советская Энциклопедия, 3-е издание (1970-1979). © 2010 The Gale Group, Inc. Все права защищены.

Cummins установит крупнейший в США электролизер для производства экологически чистого топлива h3 в штате Вашингтон — Chemical Engineering

Мэри Пейдж Бейли | 27 августа 2020

Cummins Inc. (Колумбус, Индиана) предоставит 5-мегаваттный электролизер с протонообменной мембраной (PEM) для обеспечения возобновляемой энергии для муниципального коммунального округа округа Дуглас (Douglas County PUD) в штате Вашингтон.Электролизер Cummins будет предназначен для производства водорода из возобновляемых источников энергии и станет крупнейшим, а также первым в своем роде общественным предприятием в Соединенных Штатах.

Cummins установит электролизер PEM мощностью 5 МВт для производства возобновляемой энергии (Источник: Cummins)

Ожидается, что новое предприятие по производству возобновляемого водорода будет введено в эксплуатацию в 2021 году. Оно позволит PUD округа Дуглас производить коммерческий водород с помощью электролиза для сбора водорода из воды из плотины Уэллс на реке Колумбия.Электролизер PEM забирает избыточную возобновляемую энергию и в результате химической реакции расщепляет воду на водород и кислород. Водород действует как носитель энергии, а кислород выделяется в воздух. Затем водород может храниться в газообразном или жидком состоянии для использования во множестве применений, включая электрическую мобильность топливных элементов. Электролизер работает от чистой гидроэлектроэнергии, поэтому при производстве водорода не происходит выбросов углерода.

«В Cummins мы уверены, что масштабирование водородных технологий будет способствовать развитию низкоуглеродных решений», — сказала Эми Дэвис, вице-президент Cummins и президент New Power, подразделения альтернативной энергетики компании.

«Требуется совместная работа предприятий, правительств и коммунальных служб, как то, что мы сделали с PUD округа Дуглас, чтобы сделать альтернативные источники энергии реальностью и способствовать созданию более устойчивого мира. PUD округа Дуглас — лишь один из примеров того, как Cummins расширяет энергетический рынок и внедряет новые энергетические решения для наших клиентов ».

Технология электролизеров позволяет решить одну из крупнейших дилемм в отрасли возобновляемых источников энергии — как хранить энергию, когда она не востребована.Электролизеры PEM компании Cummins, такие как электролизный завод PUD округа Дуглас, позволяют коммунальным предприятиям накапливать избыточную энергию, которую они обычно продают на рынок с финансовыми потерями или вообще не используют, и вместо этого накапливают эту энергию для продажи в новый зеленый цвет. рынок водорода. Кроме того, это дает коммунальным предприятиям возможность использовать новые рыночные возможности за пределами их типичной области обслуживания, устраняя препятствия для роста, с которыми часто сталкивается отрасль.

«Douglas County PUD рада работать с Cummins Fuel Cell и Hydrogen Technologies над нашим проектом водородного электролизера мощностью 5 мегаватт.Эта водородная установка повысит эффективность нашего гидроэлектрического проекта Wells и создаст новый возобновляемый ресурс водородного газа для нашего сообщества », — сказал Гэри Айвори, генеральный директор PUD округа Дуглас. «Как первый завод по производству возобновляемого водорода в штате Вашингтон, мы понимаем важность хороших партнеров и верим, что компания Cummins поможет нам реализовать успешный проект».

Этот проект электролизера является частью первоначального проекта мощностью 5 мегаватт, ставшего возможным благодаря принятию в прошлом году Сенатом законопроекта № 5588 в штате Вашингтон, который разрешил коммунальным предприятиям производить и продавать водород.Он будет построен в индустриальном парке Бейкер Флэтс, который расположен за пределами Ист-Уэнатчи, и будет использовать излишки гидроэнергии от Wells Dam Facility для производства возобновляемого водорода.

«Этот проект является водоразделом, первым шагом к огромным экономическим и экологическим возможностям, которые открывает наше растущее использование чистой энергии», — сказал Кен Драгун, исполнительный директор Альянса по возобновляемым водородам. «Впервые Северо-Запад будет производить чистое топливо из возобновляемой электроэнергии, а инновационный план PUD округа Дуглас будет использовать гибкость их электролизеров, чтобы высвободить ценные мощности на их плотине.”

Frames поставляет водородный электролизер мощностью 25 кВт для Plug Power

В знак продажи еще одного коммерческого электролизера мы поставили водородный электролизер мощностью 25 кВт компании Plug Power, ведущему поставщику экологически чистого водорода и топливных элементов с нулевым уровнем выбросов. В сотрудничестве с Plug Power, конструкция Frames Electrolyzer была интегрирована в электролизер GenFuel мощностью 25 кВт, недавно поставленный в Японию.

Производство зеленого водорода из возобновляемых источников имеет решающее значение для решения проблемы интеграции источников солнечной энергии в традиционные электрические сети. Водород обеспечивает эффективное хранение большого количества энергии в течение продолжительных периодов времени. Электролизеры Frames PEM представляют собой надежное готовое решение для производства водорода из воды и электричества. Как правило, электролизер PEM мощностью 25 кВт будет производить 0,5 кг водорода в час для хранения энергии или топливных элементов.

Для этого проекта электролизер Frames встроен в индивидуальный корпус. Автономная установка обеспечивает производство деминерализованной воды, включая непрерывное кондиционирование анодной воды. Затем водород, образующийся в дымовой трубе Merrimack установки, обрабатывается и кондиционируется для достижения чистоты 99,999%.

Frames также может предоставлять решения для хранения в форме сжатия или жидких органических носителей водорода для хранения и транспортировки нескольких тонн водорода в день.

«Комбинация блока электролизеров Frames 25kW Balance-of-Plant и Plug Power является важной вехой в сотрудничестве между Frames и Plug Power», — говорит Гектор Маза, вице-президент по продажам электролизеров, Plug Power. «Электролизер GenFuel мощностью 25 кВт является решающим шагом вперед в портфеле возобновляемых источников энергии Frames и служит основой для их электролизеров МВТ и усилий в области возобновляемых источников энергии».

Рамы — опыт выращивания водорода

Как ведущий разработчик и интегратор энергетических систем, Frames предлагает постоянно расширяющийся спектр технологий обработки водорода, включая электролизеры, очистку, подземные хранилища, жидкий органический водородный носитель (LOHC), сжатие и интеграцию процессов экологически чистого водорода.