Электролизная установка | Водород Провита

Электролизная водородная установка — это специальное оборудование, предназначенное для получения газообразного водорода и кислорода путем электрохимического разложения воды на ее основные элементы ( кратко электролиза воды).

На сегодня существуют три способа реализации электролизной технологии производства водорода, отличающиеся типом используемого электролита и условиями проведения электролиза.

Электролизная установка имеет модульный тип построения. Стандартная стационарная установка состоит из одного или нескольких электролизных блоков и одного технологического блока. Количество электролизных блоков зависит от производительности установки и необходимости резервирования электролизёров (для объектов повышенной ответственности).

Существуют следующие типы электролизных установок:

— С щелочным раствором электролита

— С твердым полимерным электролитом (ТПЭ)

— С твердым оксидным электролитом

Мы предлагаем установки первого типа, работающие на основе щелочного электролиза.

КРАТКАЯ ИНФОРМАЦИЯ ПО ЭЛЕКТРОЛИЗНОМУ ПРОЦЕССУ

Процесс прохождения электрического тока через раствор электролита (30 % раствор КОН) от положительного электрода (анода) к отрицательному (катоду), вследствие чего на них соответственно образуются водород и кислород.

Сам процесс протекает внутри камеры (гальванического элемента), разделенной на положительную и отрицательную стороны. Половины камеры разделены смоченной мембраной, которая позволяет электрическому току течь и предотвращает перенос выделяющихся газов из одной стороны в другую.

Кратко процесс можно описать следующим образом: 

На катоде вода принимает электроны и атомы водорода в ней будут восстанавливаются до газообразного водорода:

K^— : 2H₂O + 2e^—  → H₂ ↑ + 2OH^—

На аноде вода может отдавать электроны, при этом атомы кислорода будут окисляться до газообразного кислорода:

A⁺ : 2H₂O + 4e^—  → O₂ + 4H⁺

Внутри камеры происходит расход чистой деминерализованной воды, в которую добавляется электролит для минимизации электрического сопротивления и для содействия реакции. Количества водорода и кислорода, выделяемых на электродах, — находится в прямой зависимости от количества постоянного тока, протекающего через элемент.

ПУЭ 7. Правила устройства электроустановок. Издание 7

• 13 декабря 2006 г. в 18:44
• 2440917

• Поделиться

• Пожаловаться

Раздел 7. Электрооборудование специальных установок

Глава 7.10. Электролизные установки и установки гальванических покрытий

Электролизные установки получения водорода (водородные станции)

7.10.42. Электролизеры водородных станций должны быть оборудованы следующей электрической защитой:

• от однополюсных замыканий на землю, кроме электролизеров, у которых крайний электрод или корпус крайней ячейки по конструкции заземлен, например, через газоотделитель;
• от межполюсных коротких замыканий;
• от обратных токов при применении двигателей-генераторов (на реконструируемых установках).

7.10.43. Электролизеры водородных станций, работающие под напряжением свыше 250 В по отношению к земле, должны иметь по периметру сетчатое ограждение.

7.10.44. Вокруг электролизера водородных станций должны быть уложены диэлектрические коврики (дорожки).

7.10.45. На водородных станциях расстояния между электролизерами, а также между электролизерами и стенами помещения должны соответствовать указанным в 7.10.41.

Между оборудованием должны предусматриваться следующие проходы:

• основные — шириной не менее 1,5 м по фронту обслуживания машин (компрессоров, насосов и т.п.) и аппаратов, имеющих арматуру и контрольно-измерительные приборы; для малогабаритного оборудования (с шириной и высотой до 0,8 м) допускается уменьшать ширину прохода до 1 м;
• для возможности обслуживания со всех сторон (если в этом есть необходимость) между оборудованием, а также между оборудованием и стенами помещений — шириной не менее 1 м;
• для осмотра и периодической проверки и регулировки оборудования и приборов — шириной не менее 0,8 м.

Нормируемая минимальная ширина проходов должна обеспечиваться между наиболее выступающими (на высоте менее 2 м) частями оборудования с учетом фундаментов, изоляции, ограждения и т.п.

×

• ВКонтакте
• Facebook
• Twitter
• Pinterest

На АЭ Петрозаводск установили электролизную установку (генератор водорода)

2 августа 2016 г

В июле 2016 года аэрологическая станция Петрозаводск Карельского ЦГМС — филиала ФГБУ «Северо-Западное УГМС» получила в свое распоряжение малогабаритный твердополимерный электролизёр для производства водорода — генератор Heliocentris серии RL500. Подобный аппарат можно было увидеть в 2014 году на выставке метеорологического оборудования, проходившей в рамках VII Всероссийского метеорологического съезда в Санкт-Петербурге.

На подавляющей части аэрологических станций в России для наполнения оболочек радиозонда используется химический метод добывания водорода.

Малогабаритный твердополимерный электролизёр для производства водорода — генератор Heliocentris серии RL500.

Главным преимуществом получения водорода с помощью электролизёра является отсутствие большого количества химических веществ, используемых при получении водорода с помощью газогенераторов высокого давления АВГ-45, а так же безотходность метода электролиза.

По словам главного инженера Научно-Технического Центра Радиозондирования (НТЦР) ФГБУ «ЦАО» А.А. Ефимова, генератор водорода Heliocentris серии RL500 на аэрологической сети Росгидромета был использован впервые в стране.

Процесс наполнения оболочки водородом, полученным на электролизной установке.

Водородный генератор производит чистый водород (включая кислород в качестве побочного продукта) посредством электролиза воды. Основным элементом устройства является электролитический элемент, который предназначен для выработки чистого водорода. Ионообменная мембрана создает физический барьер между водородом и кислородом, предупреждая смешивание этих газов во взрывоопасную концентрацию. Она не пропускает ионы металлов и может использоваться в простой дистиллированной воде. В электролитическом пакете вода циркулирует через анод под действием атмосферного давления, при этом катод остается в сухом состоянии. Таким образом, водород производится достаточно сухой.

В связи с тем, что электролизёр должен устанавливаться в отапливаемом помещении и подключаться к электропитанию, руководством ФГБУ «Северо-Западное УГМС» было принято решение о ремонте здания газогенераторной. В июне этого года все подготовительные работы были выполнены.

Здание газогенераторной до и после ремонта.

Поскольку аппарат не был предназначен для наполнения радиозондовых оболочек, также пришлось его адаптировать к подобной эксплуатации, изготовив специальные весы для определения количества водорода в оболочке и сосуд из сантехнической трубы для подачи дистиллированной воды в электролизёр.

Аквадистиллятор настольный.

Главный инженер НТЦР ФГБУ «ЦАО» А.А. Ефимов совместно с инженерами по радиолокации АЭ Петрозаводск К.В. Джанерьяном и С.В. Шипило установили и опробовали электролизер.

21 июля 2016 года были подписаны акты сдачи-приемки оборудования и проведения пуско-наладочных работ.

Тестовое оборудование для установок по производству водорода электролизом воды

Водород является уникальным энергоносителем, обладающим высокими эксплуатационными и технологическими показателями.

Он имеет очень высокой теплоту сгорания, а продуктом горения в кислороде является вода, которая может вновь использоваться для получения водорода. Низкая вязкость и плотность газа позволяют практически без потерь давления транспортировать его по трубопроводам. Водород может транспортироваться и храниться как в газообразном, так и сжиженном состоянии. А кроме того он безопасен для окружающей среды и не токсичен.

Однако в чистом виде водород в природе не встречается. Существует целый ряд методов его получения. Разнообразие этих методов — одно из преимуществ водородной энергетики. Нет сильной зависимости от какого-либо отдельного вида сырья.

Наиболее распространенным способом получения водорода является паровая конверсия посредством реакции углеводородов (природный газ) с паром при высоких температурах. При этом в качестве побочного продукта выделяются парниковые газы, выброс которых в настоящее время стараются минимизировать. Другой способ производства водорода – электролиз воды. Здесь отсутствуют вредные выбросы. А цена и эффективность процесса электролиза сопоставима с технологией паровой конверсии.

В электролизере под воздействием подаваемого напряжения вода разделяется на водород и кислород. Для получения более чистого водорода оба газа должны быть отделены друг от друга разделительной мембраной. При создании электролизеров стоит задача определения характеристик пропускания таких мембран. Испытательное оборудование должно обеспечивать точную подачу чистых водорода и кислорода, а измерять расход и состав прошедшего через мембрану газа.

Специалистами Bronkhorst было предложено следующее решение. Подача кислорода к испытуемой мембране осуществлялась кориолисовым регулятором массового расхода серии miniCORI-FLOW, а водорода – тепловым регулятором расхода серии EL-FLOW Prestige. Часть подаваемого газа, которая проходит через мембрану, поступает в трехходовой кран. В одном положении крана можно измерять расход прошедшего газа с помощью теплового расходомера EL-FLOW Prestige. В другом – состав газа с помощью двойного датчика водород/кислород. Особенность использованного датчика состояла в том, что для его работы требовался определенный расход газа.

Высокая точность и стабильность поддержания расхода использованными расходомерами позволила с успехом решить поставленную задачу. Позже было принято решение об установке четвертого расходомера для измерения части подаваемого газа, не прошедшего через мембрану и имеющего высокую концентрацию кислорода. Выбор был сделан в пользу кориолисового расходомера серии miniCORI-FLOW.

Ученые ТПУ разрабатывают электролизер для водородной энергетики

ТОМСК, 10 дек – РИА Томск. Исследователи лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий Томского политехнического университета (ТПУ) разрабатывают промышленную установку (электролизер) для получения водорода на АЭС; запуск ее в серийное производство позволит вывести экологически чистую водородную энергетику на новый уровень. Подробности – в материале РИА Томск.

Ранее сообщалось, что водородная энергетика – одно из ведущих направлений по разработке экологически чистых способов получения энергии. Рамочная конвенция ООН, подписанная Россией в 2015 году, предполагает кратное сокращение выбросов углерода при производстве электроэнергии в ближайшее десятилетие. Основными «поставщиками» углекислоты в атмосферу являются объекты традиционной энергетики (ГРЭС и ТЭЦ).

По данным открытых источников, будучи самым распространенным элементом на Земле и в космосе, водород, тем не менее, остается почти невостребованным. Если в 2018 году в мире было добыто 4,4 миллиарда тонн нефти и 3,86 триллиона кубометров природного газа (метана), то объем производства водорода не превышает 70 миллионов тонн, то есть объем его выработки в 6285 раз меньше, чем нефти, и в 5514 раз меньше, чем газа.

© пресс-служба Томского политехнического университета Водород, который сегодня используется в экономике, принято разделять на «серый» –  из угля, нефти и газа, «голубой» – на теплоэлектростанциях или АЭС с технологией CCS – и «зеленый» – выделенный из воды (ВИЭ). Согласно недавним исследованиям Wood Mackenzie, сегодня 99% водорода являются «серым» и «голубым», его выработка создает огромный углеродный след, сопоставимый с половиной суммарных выбросов CO2 всей экономикой России, и только 1% водорода считается экологичным «зеленым».

Для масштабного перехода к получению энергии от сжигания водорода необходимо разработать технологии его производства, сопоставимые по объемам выпуска с традиционными источниками углеводородов. Однако самый дешевый способ его производства – паровой риформинг (каталитическая конверсия углеводородов – метана, пропан-бутана, бензина, керосина, дизтоплива, угля – в присутствии водяного пара) в ходе реакции создает огромные объемы СО2.

Альтернатива пиролизу

Альтернативным методом получения водорода в промышленных масштабах (а именно такие нужны для запуска водородных электростанций) является электролиз.

Электролиз – это процесс разложения воды под действием постоянного электрического тока на кислород и водород. Химическая реакция идет по схеме: 2Н2O + энергия —> 2h3+O2. Его преимущества: доступное сырье – деминерализованная вода и электроэнергия; отсутствие загрязняющих выбросов; процесс автоматизирован; на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт. Главный недостаток – получение водорода дороже, чем при риформинге, в 1,5–3 раза.

В такой системе координат в выигрыше оказываются производители электроэнергии высокой мощности, которые могут «вложить» ее в производство высоколиквидного «зеленого» топлива. В России это главным образом атомщики, рассказал РИА Томск главный специалист лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий ТПУ Виктор Дмитриенко.

© пресс-служба Томского политехнического университета «На атомных станциях себестоимость электроэнергии очень низкая. И мощности, как правило, избыточные. Потому мы сейчас предполагаем, что сможем заключить контракт с Росатомом, который хочет использовать свою дешевую электроэнергию для производства водорода. Это позволит корпорации стать крупнейшим производителем этого экологичного топлива в России», – сказал Дмитриенко.

Промышленные установки для получения водорода методом электролиза известны более 60 лет, поясняет ученый. В основном это электролизеры фильтр-прессного типа, которые на выходе позволяют получать водород и кислород.

Широкое распространение они получили в традиционной углеводородной энергетике – их устанавливают на ГРЭС и ТЭЦ, где водород используют для охлаждения турбинных подшипников, неизбежно раскаляющихся от трения. Еще один способ их использования – электролиз цветных металлов из измельченной руды. К примеру, золота. Но для выработки водорода как товарного продукта они не подходят.

«Наша цель – разработать электролизер, который бы обладал улучшенными характеристиками по сравнению с существующими. Соответственно, электролизер фильтр-прессного типа нам не подходит. Мы взяли за основу конструкцию мембранного типа, в которой катодное и анодное пространство разделены ионообменной мембраной», – рассказывает Дмитриенко.

Мембрана особого назначения

Казалось бы, электролиз – доступный и давно известный способ получения водорода из воды. Однако, если применять «школьную» конструкцию электролизера, вместо СО2 неизбежно будет вырабатываться не менее опасный побочный продукт – хлор (CI2), который появляется на аноде.

© предоставлено пресс-службой ТПУ «Представьте, в Красноярске завод «Красцветмет» находится в городской черте. Если применять там электролиз для осаждения цветмета из руды без применения мембраны, будут вырабатываться огромные объемы хлора. Это значит, нужно строить дорогую систему очистки, утилизации, вентиляции. И все равно в жилых районах это будет бомба замедленного действия. Лучше вовсе избежать появления опасных соединений», – утверждает ученый.

Большинство имеющихся на рынке мембранных электролизеров разделяют катодную и анодную камеры, в которых происходит электролитическая диссоциация (химическая реакция, вызванная электрическим напряжением в жидком растворе), прокладкой из асбеста. Мембрана, которую используют томские политехники, сложнее.

«На нашей установке, в ходе электролиза, мы будем получать три продукта – водород, чистый медицинский кислород и 40%-ный раствор щелочи (КОН  или NaОH). Все три составляющих – это товарные продукты. Но главная наша задача – разработать экономически выгодный электролизер для производства водорода в промышленных масштабах», – подчеркивает Дмитриенко.

От бумаги до железа

В настоящий момент исследователи ведут переговоры с Росатомом для включения своих исследований в программу водородной энергетики, запущенную в госкорпорации.

«У нас есть опыт работы с мембранными электролизерами. Мы уже выполняли работы по заказу «Трансгаза», там наш мембранный электролизер работал над изменением рН-среды. Есть опыт разработки и изготовления различных электролизеров с катионо- и анионообменными мембранами для осаждения золота из продуктивных растворов», – рассказывает Дмитриенко.

© предоставлено лабораторией импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий ТПУ

Промышленный мембранный электролизер для осаждения золота. Разработка ТПУ

За свою историю сотрудники лаборатории импульсно-пучковых, электроразрядных и плазменных технологий ТПУ изготовили порядка 20 установок для электролиза. Для нужд «Алданзолото ГРК» политехники изготовили электролизер с анионообменными мембранами, для Дальневосточного федерального университета – опытно-промышленную установку осаждения металлов с катионо- и анионообменными мембранами, а для ООО «Гелиос» – pH-корректор с биполярными мембранами.

Опытной установки для производства водорода, «заточенной» под потребности Росатома, «в железе» пока нет, признает Дмитриенко.

© с сайта ТПУ «Предварительная конструкция у нас уже проработана. Все необходимые чертежи подготовлены. При наличии финансирования собрать опытную установку мы сможем быстро. Финансирование мы планируем получить от Росатома, если попадем в их водородную программу», – отмечает ученый.

Не в одиночку

Ранее также сообщалось, что в ноябре 2020 года ТПУ вошел в состав консорциума по развитию водородных технологий, который получил название «Технологическая водородная долина». Помимо ТПУ в консорциум вошли Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный технический университет и Сахалинский государственный университет.

Участники консорциума будут вести совместные разработки технологий по всей «водородной цепочке»: от получения до использования водорода. Консорциум планирует тесное сотрудничество с крупнейшими компаниями РФ, заинтересованными в развитии водородной энергетики.

Оценка эффективности получения водорода на базе внепиковой электроэнергии АЭС

Аминов Р.З., Байрамов А.Н. Получение водорода на базе внепиковой электроэнергии АЭС

International Scientific Journal for

Alternative Energy and Ecology

© Scientific Technical Centre «TATA», 2015

№ 05-06

(193-194)

2016

Международный научный журнал

«Альтернативная энергетика и экология»

© Научно-технический центр «TATA», 2015

69

14. Малышенко С.П., Назарова О.В., Сарутов

Ю.А. Некоторые термодинамические и технико-эко-

номические аспекты применения водорода как энер-

гоносителя в энергетике // Атомно-водородная энер-

гетика и технология. М.: Энергоатомиздат., 1986.

Вып. 7. С. 105–126.

15. Марченко О.В., Соломин С.В. Анализ эффек-

тивности производства водорода с использованием

ветроэнергетических установок и его использование в

автономной энергосистеме // Международный научный

журнал «Альтернативная энергетика и экология» (IS-

JAEE). 2007. № 3 (47). Р. 112–118.

16. Якименко Л.М., Модылевская И.Д., Ткачек

З.А. Электролиз воды. М.: Химия, 1970. 263 с.

17. Гусев А.Л. Получение альтернативных энер-

гоносителей с помощью атомно-водородного цикла

и их применение // Международный научный журнал

«Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE).

2007. № 6 (50). Р. 175, 176.

18. Письмен М.К. Производство водорода в неф-

теперерабатывающей промышленности. М.: Химия,

1976. 208 с.

19. Производство и использование водорода.

Технико-инвестиционные показатели установок и

перспективные направления развития на мировом

рынке. Отчет-справочник. ООО «Прима – Химмаш».

Спб, 2005.

20. Вольф Д. Набирающее все большую популяр-

ность локальное производство ультрачистого водо-

рода повышает безопасность, качество и производи-

тельность операций эпитаксиального роста // 41-й

Международный симпозиум по микроэлектронике 2–

6 ноября, Провиденс, Род-Айленд. 2008. С. 404–412.

21. Сферы применения водорода. Электронный ре-

сурс: http://airtechnik.ru/listinform/120-sfery-primenenija-

vodoroda/

22. Словецкий Д.И. Плазмохимические процессы

получения чистого водорода // Химия высоких энер-

гий. 2006. С. 42–46.

23. Дытнерский Ю.И., Брыков В.П., Каграманов

Г.Г. Мембранное разделение газов. М.: Химия, 1991.

344с.

24. Хванг С.-Т., Каммермейер К. Мембранные

процессы разделения. М.: Химия, 1981. 464 с.

25. Методы очистки водорода: компания Peak Scien-

tific – поставщик генераторов газа (азот и водород).

Электронный ресурс:

http://peakscientific. hop.ru/peakscientific.ru/page/235-

hydrogen-purification-methods/index.html#.Vs_W332LTcs

26. Гамбург Д.Ю., Семенов В.П., Дубовкин Н.Ф.

и др. Водород. Свойства, получение, хранение,

транспортирование, применение: справочное изд. М.:

Химия, 1989. 672 с.

27. Транспортная экспедиционная компания «Ин-

ком-Карго». Негабаритные железнодорожные пере-

возки. Электронный ресурс: http://incom-

cargo.com/zhd-perevozki/negabaritnye/

28. Транспортная экспедиционная компания

«ТрансАвтоЦистерна». Электронный ресурс:

http://трансавтоцистерна.рф/prays_list/

References

1. Ènergetičeskaâ strategiâ Rossii na period do 2035.

The Ministry of Energy of the Russian Federation, Mos-

cow, 2014 (in Russ.).

2. Aminov R.Z. et al. AÈS s VVÈR: režimy, harakte-

ristiki, èffektivnost. Moscow: Ènergoatomizdat Publ.,

1990 (in Russ.).

3. Kuznecov N.M., Kanaev A.A., Kopp I.Z. Èner-

getičeskoe oborudovanie blokov AÈS. Leningrad: Maš-

inostroenie Publ., 1987 (in Russ.).

4. Aminov R.Z., Bairamov A.N. Sistemnaâ èf-fektiv-

nost vodorodnyh ciklov na osnove vnepikovoj èlek-

troènergii AÈS. Izvestiâ RAN. Ènergetika, 2011, no. 4,

pp. 52–61 (in Russ.) (in Russ.).

5. Aminov R.Z., Bairamov A.N., Shackova O.V.

Ocenka èffektivnosti vodorodnyh ciklov na baze vnepi-

kovoj èlektroènergii AÈS. Teploènergetika, 2009, no.

11, pp. 41–45 (in Russ.).

6. Bairamov A.N. Razrabotka i obosnovanie shemy

podzemnogo raspoloženiâ metalličeskih ëmkostej hrane-

niâ vodoroda i kisloroda v sostave vodorodnogo èner-

getičeskogo kompleksa. Problemy soveršenstvovaniâ

toplivno-ènergetičeskogo kompleksa, 2012, is. 7, pp. 18–

27 (in Russ.).

7. Bairamov A.N. Tehniko-èkonomičeskie aspekty

podzemnogo raspoloženiâ metalličeskih emkostej hrane-

niâ vodoroda i kisloroda v sostave vodorodnogo èner-

getičeskogo kompleksa. Trudy akademènergo, 2014, no.

2, pp. 79–86 (in Russ.).

8. Aminov R.Z., Bairamov A.N. Sistemnye zadači raz-

vivaûŝejsâ atomnoj ènergetiki i nekotorye puti ih rešeniâ.

Sbornik naučnyh trudov po rezultatam naučno-praktič.

konf.: «Nacionalnyj kongress po ènergetike», 8–12 Sep-

tember 2014, Kazan, Kazan State Power Engineering Uni-

versity, pp. 12–23 (in Russ.).

9. Aminov R.Z, Bairamov A.N. Sistema sžiganiâ vo-

doroda dlâ parovodorodnogo peregreva svežego para v

cikle atomnoj èlektričeskoj stancii. Patent 2427048 RF F

22B 1/26, G 21D5/16, F 01K3/18 // Izobreteniâ. Polez-

nye modeli, 2011, Bul. no. 23 (in Russ.).

10. Bairamov A.N. Obosnovanie èffektivnosti rež-

imnyh uslovij ispolzovaniâ vodorodnogo topliva v pa-

roturbinnom cikle AÈS (na primere turboustanovki K-

1000-60/1500 s reaktorom tipa VVÈR-1000) // Mate-

Электролизер — устройство и принцип работы

Промышленный электролизер – это технологическое оборудование, которое используется при добыче полезных ископаемых и производственных предприятиях для получения некоторых видов газов (хлора, водорода), для производства алюминия и магния. Отдельные виды оборудования могут применяться для обессоливания, обеззараживания и дезинфекции сточных вод.

Конструктивные особенности устройства

Рассмотрим подробнее устройство и принцип работы устройства. Устройство имеет токопроводящий корпус, электроды из разных материалов (медный, цинковый и т. д.) – катод и анод, а также патрубки для ввода внутрь электролита и вывода вещества, которое получают электролитическим методом.

Конструкция оборудования может быть изменения для выполнения специализированных задач. Например, для выделения магния и хлора применяется емкость со стенками, облицованными огнеупорными кирпичами или иными подобными материалами.

При подключении установки к электрическому току электроды, которые опущены в токопроводящую жидкость – электролит – начинают электрохимическую реакцию. Между анодом и катодом протекает ионный ток, а в процессе реакции положительные частицы направляются к катоду, а отрицательные – к аноду. Таким образом электролит разлагается, например, на водород кислород, металлы и хлор.

Если электролизная установка используется для получения газа, образующиеся в процессе реакции пузырьки поднимаются и собираются в емкость с помощью специальных патрубков.

Используется несколько видов электролизеров:

• Сухие;
• Проточные – в них организован постоянный поток электролитической жидкости;
• Мембранные – в этих устройства применяется твердый электролит на полимерной основе;
• Диафрагменные – применяются в случаях, когда нельзя допускать диффузию продуктов электролиза между камерами.

Характеристики электролизеров могут варьироваться в зависимости от области применения и задач, которые решаются с их помощью на производстве.

Где применяются электролизеры?

Основные сферы применения оборудования:

• Получение цветных металлов из растворов;
• Выделение золота из цианистых растворов;
• Разложение воды на кислород и водород;
• Получение хлора из раствора.

Также применяется проточный для нефти электролизер, который используется в комплексах для добычи полезных ископаемых для обеспечения технологического процесса.

Основными преимуществами оборудования является цена, простота обслуживания и высокая производительность, а также большой коэффициент полезного действия.

Как подобрать устройство?

При выборе оборудования для использования в промышленности необходимо обращать внимание на мощность и производительность электролизных установок. Обычно эти параметры указываются в маркировке оборудования. На рынке в России представлены различные модели, среди которых можно подобрать нужный вариант под любое производство.

Центр данных по альтернативным видам топлива: производство и распределение водорода

Несмотря на то, что водород присутствует в большом количестве на Земле как элемент, он почти всегда присутствует в составе другого соединения, такого как вода (H ₂ O) или метан (CH ₄ ), и должен быть разделен на чистый водород (H ₂ ) для использования в электромобилях на топливных элементах. Водородное топливо соединяется с кислородом воздуха через топливный элемент, создавая электричество и воду в результате электрохимического процесса.

Производство

Водород можно производить из различных внутренних источников, включая ископаемое топливо, биомассу и электролиз воды с помощью электричества. Воздействие водорода на окружающую среду и энергоэффективность зависят от того, как он производится. Реализуется несколько проектов по снижению затрат, связанных с производством водорода.

Есть несколько способов производства водорода:

• Риформинг / газификация природного газа: Синтез-газ, смесь водорода, монооксида углерода и небольшого количества диоксида углерода, образуется в результате реакции природного газа с высокотемпературным паром.Окись углерода реагирует с водой с образованием дополнительного водорода. Этот метод самый дешевый, эффективный и самый распространенный. На конверсию природного газа с использованием пара приходится большая часть водорода, ежегодно производимого в Соединенных Штатах.

  Синтез-газ также может быть создан путем реакции угля или биомассы с высокотемпературным паром и кислородом в газификаторе под давлением, который преобразуется в газообразные компоненты — процесс, называемый газификация . Полученный синтез-газ содержит водород и монооксид углерода, который реагирует с водяным паром для отделения водорода.

• Электролиз: Электрический ток расщепляет воду на водород и кислород. Если электричество производится из возобновляемых источников, таких как солнце или ветер, образующийся водород также будет считаться возобновляемым и имеет множество преимуществ по выбросам. Набирают обороты проекты по производству водорода, когда избыточная возобновляемая электроэнергия, если таковая имеется, используется для производства водорода посредством электролиза.

• Возобновляемый жидкий риформинг: Возобновляемое жидкое топливо, такое как этанол, реагирует с высокотемпературным паром с образованием водорода вблизи точки конечного использования.

• Ферментация: Биомасса превращается в сырье, богатое сахаром, которое можно ферментировать для получения водорода.

Ряд методов производства водорода находится в стадии разработки:

Основными производителями водорода являются Калифорния, Луизиана и Техас. Сегодня почти весь водород, производимый в Соединенных Штатах, используется для очистки нефти, обработки металлов, производства удобрений и обработки пищевых продуктов.

Основной задачей производства водорода является снижение стоимости технологий производства, чтобы сделать получаемый водород конкурентоспособным по сравнению с обычным транспортным топливом.Государственные и промышленные научно-исследовательские и опытно-конструкторские проекты снижают стоимость, а также снижают воздействие на окружающую среду технологий производства водорода. Узнайте больше о производстве водорода в Управлении технологий производства водорода и топливных элементов.

Распределение

Большая часть водорода, используемого в Соединенных Штатах, производится там или поблизости от того места, где он используется, обычно на крупных промышленных предприятиях. Инфраструктура, необходимая для распределения водорода по общенациональной сети заправочных станций, необходимых для повсеместного использования электромобилей на топливных элементах, все еще нуждается в развитии.Первоначальное развертывание транспортных средств и станций сосредоточено на построении этих распределительных сетей, в первую очередь в южной и северной Калифорнии.

В настоящее время водород распределяется тремя способами:

• Трубопровод: Этот наименее дорогой способ доставки больших объемов водорода ограничен, поскольку в настоящее время доступно только около 1600 миль трубопроводов США для доставки водорода. Эти трубопроводы расположены недалеко от крупных нефтеперерабатывающих и химических заводов в Иллинойсе, Калифорнии и на побережье Мексиканского залива.

• Трубные прицепы высокого давления: Транспортировка сжатого водородного газа грузовиком, железнодорожным вагоном, кораблем или баржей в трубчатых прицепах высокого давления является дорогостоящей и используется в основном на расстояния до 200 миль или меньше.

• Цистерны для сжиженного водорода: Криогенное сжижение — это процесс, при котором водород охлаждается до температуры, при которой он становится жидкостью. Хотя процесс сжижения является дорогостоящим, он позволяет транспортировать водород более эффективно (по сравнению с использованием трубных прицепов высокого давления) на большие расстояния грузовиком, железнодорожным вагоном, кораблем или баржей.Если сжиженный водород не используется с достаточно высокой скоростью в точке потребления, он выкипает (или испаряется) из резервуаров для хранения. В результате необходимо тщательно согласовывать скорости доставки и потребления водорода.

Создание инфраструктуры для распределения и доставки водорода на тысячи будущих заправочных станций представляет собой множество проблем. Поскольку водород содержит меньше энергии на единицу объема, чем все другие виды топлива, его транспортировка, хранение и доставка к месту конечного использования обходятся дороже в пересчете на галлоновый эквивалент бензина (на ГПЭ).Строительство новой сети водородных трубопроводов связано с высокими начальными капитальными затратами, а свойства водорода создают уникальные проблемы для материалов трубопроводов и конструкции компрессора. Однако, поскольку водород можно производить из самых разных ресурсов, региональное или даже местное производство водорода может максимально использовать местные ресурсы и минимизировать проблемы с распределением.

Необходимо учитывать компромисс между централизованным и распределенным производством. Производство водорода централизованно на крупных заводах снижает производственные затраты, но увеличивает затраты на сбыт. Производство водорода в точке конечного использования — например, на заправочных станциях — снижает затраты на сбыт, но увеличивает производственные затраты из-за затрат на создание производственных мощностей на месте.

Государственные и промышленные научно-исследовательские проекты преодолевают препятствия на пути к эффективному распределению водорода. Узнайте больше о распределении водорода в Управлении технологий водорода и топливных элементов.

Водород, полученный путем электролиза воды, теперь является конкурентоспособным по стоимости и дает нам еще один строительный блок для низкоуглеродной экономики.

Выработка дополнительной единицы электроэнергии с помощью фотоэлектрических систем или ветра не требует затрат.Одним из следствий роста возобновляемых источников энергии является то, что цены на электроэнергию на открытом рынке, как правило, будут падать. Как говорят экономисты, цены имеют тенденцию приближаться к предельным издержкам производства. Сегодня мы наблюдаем это на рынках электроэнергии. Это имеет глубокие последствия.

В этой заметке я рассматриваю влияние вероятного продолжающегося падения цен на электроэнергию на открытом рынке на один важный источник выбросов парниковых газов. Я пытаюсь показать, что производство водорода, которое в настоящее время почти полностью осуществляется с использованием метана и пара, будет в значительной степени основано на электролизе воды.Многие комментарии по поводу энергетического перехода оптимистичны по поводу перехода к электрификации транспорта и отопления зданий, но глубоко пессимистичны в отношении сокращения ископаемого топлива, используемого в промышленных процессах. В случае производства водорода такой пессимизм ошибочен.

В более общем плане, я предполагаю, что водород станет основным путем к долгосрочному хранению энергии, не в основном в виде самого газа, а в форме метана и жидкого топлива.

Чтобы внести ясность, я думаю, что у автомобилей с водородными топливными элементами очень мало шансов составить конкуренцию автомобилям с аккумуляторными батареями. Однако я верю, что использование водного электролиза для получения водорода, который затем сливается с молекулами углерода (такими как CO2) для создания синтетического природного газа и заменителей бензина и авиационного топлива, вероятно, будет центральной особенностью следующего этапа мировая декарбонизация. Для компаний, работающих на ископаемом топливе, которые пытаются избавиться от зависимости от нефти и газа, синтетические заменители существующего топлива должны стать ключевым направлением их долгосрочного планирования. Производство водорода и создание возобновляемых видов топлива, использующих этот водород, — это деятельность, больше похожая на основной бизнес нефтегазовых компаний, чем на фотоэлектрическую или ветряную.

Я не предполагаю, что правила или международные соглашения приведут к переходу на возобновляемый водород, а скорее, что простая экономика подтолкнет крупных нефтяных компаний, производителей химической продукции и других к производству топлива из электролизованного водорода, а не из природного газа или сырой нефти.

Падение оптовых цен на электроэнергию продолжится

6 и 7 июня 2017 года в Северной Европе было ветрено. В течение долгих дней большую часть времени светило солнце.В Германии две трети общей выработки электроэнергии в полдень 7-го числа приходилось на ветер и фотоэлектрические системы. В Великобритании газовые электростанции были сокращены до немногим более 20% выработки электроэнергии. Угольные генераторы большую часть периода простаивали полностью.

Воздействие на рынки электроэнергии было поразительным. Средняя спотовая цена на электроэнергию с почти немедленной поставкой упала до очень низкого уровня. Германия показала отрицательные показатели за ночь и почти нулевые показатели в течение большей части дня. Средняя цена в Великобритании с 15:00 вторника 6-го до 15:00 среды 7-го числа составляла чуть более 13 фунтов стерлингов за мегаватт-час, или 1.3 пенса за киловатт-час. Краткосрочные цены в Великобритании большую часть ночи были ниже нуля. До недавнего времени это были действительно очень редкие события, и они случаются всего несколько раз в неделю.

Но по мере того, как установленная мощность возобновляемых источников энергии продолжает расти, эта модель будет происходить все чаще. И Великобритания, и Германия продолжают расширять оффшорную ветроэнергетику и в меньшей степени фотоэлектрическую энергию. У Великобритании есть амбиции к 2030 году иметь 30 гигаватт морской ветровой энергии. Полная мощность морской ветроэнергетики сама по себе почти покроет летний полуденный спрос.Вклад фотоэлектрических модулей будет означать, что возобновляемые источники энергии покроют общую потребность в электроэнергии. Очень трудно представить себе, что оптовые цены не отражают этот избыток предложения в долгосрочной перспективе вниз.

Тем не менее, правительство Великобритании продолжает прогнозировать резкий рост оптовых розничных цен на электроэнергию. Ожидается, что со среднего показателя в 37 фунтов стерлингов за мегаватт-час в 2016 году цена вырастет более чем на 50% до 56 фунтов стерлингов в 2030 году. По прогнозам, к той же дате домохозяйства столкнутся с розничными счетами на фунтов стерлингов, эквивалентными 180 фунтов стерлингов за мегаватт-час.Давайте сопоставим это число с сегодняшней средней оптовой ценой: 13 фунтов стерлингов — это чуть более 7% от 180 фунтов стерлингов, невероятно большой разрыв. Прогнозы правительства откровенно бредовые: оптовые цены на электроэнергию снижаются, и они останутся ниже. Без значительного повышения налогов они никогда не достигнут 180 фунтов стерлингов для местных потребителей.

Важно отметить, что эта постоянная дефляция цен на электроэнергию неизбежно повлияет на цены на ископаемое топливо. Что касается генерации, мы привыкли рассматривать затраты на электроэнергию как производную от цен на ископаемое топливо.Например, более высокие затраты на газ используются для автоматического повышения оптовых и розничных тарифов на электроэнергию. Эта ссылка теперь начинает работать в обратном направлении; падение цен на электроэнергию ведет к снижению затрат на природный газ. Если меньше природного газа используется в производстве электроэнергии в результате роста возобновляемых источников энергии, общий спрос на товар будет ниже, и цена упадет. По мере того как электромобили становятся все более распространенными, такая же связь устанавливается с нефтью. Более низкие цены на электроэнергию делают электромобили более привлекательными, снижая потребность в бензине и дизельном топливе.Таким образом, со временем цена на электроэнергию станет важным фактором, определяющим цену на нефть.

Роль электричества как установщика цен на ископаемое топливо можно наиболее четко увидеть, сравнив оптовую цену в Великобритании 6-7 июня со стоимостью газа. Краткосрочная рыночная цена на уровне 13 фунтов была лишь немногим выше эквивалентной цены на оптовый газ, составляющей около 12,50 фунтов стерлингов за мегаватт-час. Другими словами, в течение одного 24-часового периода электричество, которое обычно считается источником энергии премиум-класса, было всего на несколько процентов дороже, чем топливо, которое обычно используется для его производства.(Между прочим, нефть за 50 долларов в энергетическом выражении эквивалентна примерно 25 фунтам стерлингов за мегаватт-час, что в два раза превышает цену газа. В долгосрочной перспективе возобновляемые источники энергии также будут сдерживать рост цен на нефть).

Большая часть электроэнергии покупается и продается по контрактам на несколько дней или месяцев вперед, и эти цены будут значительно выше, чем на спотовом рынке 7 июня. Но, тем не менее, краткосрочные индикаторы являются мощным сигналом для инвесторов, думающих об инвестировании в производство электроэнергии на ископаемом топливе.Поскольку ветер и солнечная энергия становятся преобладающими источниками электроэнергии, использование газа или угля для производства электроэнергии становится все более и более плачевным. Например, новая газовая генерация потребует крупных субсидий по всей Европе, если будут построены электростанции.

Тесная связь между ценами на ископаемое топливо и затратами на возобновляемые источники энергии станет более сильной, поскольку доля электричества в общем потреблении энергии будет все больше. Во-первых, я хочу проиллюстрировать один пример, который, как мне кажется, не привлекает достаточно внимания: вероятный переход от использования метана к электролизу воды в качестве основного способа получения водорода.

Электролизный водород

В мире производится около 50 миллионов тонн водорода в год. (Некоторые источники предполагают, что это нечто большее). Газ используется в качестве добавки на нефтеперерабатывающих заводах, в качестве сырья для производства аммиака и для многих различных промышленных процессов, включая, например, производство маргарина.

Сегодня почти весь водород производится путем так называемого «парового риформинга», обычно из метана (основного компонента природного газа).Поток газа смешивается с высокотемпературным паром в присутствии катализатора. Конечный продукт процесса представляет собой смесь CO2 и водорода. Ценный водород собирается, а CO2 сбрасывается в атмосферу. Если мои расчеты верны, водород, производимый сегодня в процессе парового риформинга, приводит к примерно 500 миллионам тонн выбросов в год, или более 1% мировых парниковых газов. [1]

Водород можно также получить электролизом воды. Электричество используется для расщепления молекулы на водород и кислород.Если бы его производили с использованием водного электролиза, на мировое производство водорода сегодня потребовалось бы около 15% мирового производства электроэнергии. Когда производство h3 переключится с использования метана на использование излишков электроэнергии, водород станет важным методом уравновешивания мировых энергосистем. Когда электричество в избытке, электролизеры будут включены. Их работа прекратится, когда станет мало электричества.

В прошлом электролиз использовался очень редко, поскольку источник энергии, электричество, был дороже, чем газ, используемый для парового риформинга.

Это все еще правда? Нам необходимо изучить энергоэффективность парового риформинга, его эксплуатационные и капитальные затраты, а также относительные цены на газ и электроэнергию.

· Грубо говоря, новая электролизная установка сегодня обеспечивает энергоэффективность около 80%. То есть энергетическая ценность производимого водорода составляет около 80% электричества, используемого для расщепления молекулы воды. Эффективность парового риформинга составляет около 65%.

· Однако капитальные затраты на установку парового риформинга в настоящее время ниже стоимости нового электролизера аналогичной мощности.В отчете о проекте по переоборудованию района Лидс в Северной Англии с природного газа на водород для бизнеса и бытового использования предполагалась стоимость установки парового риформинга около 600 000 фунтов стерлингов на мегаватт мощности. Как и многое другое в низкоуглеродной экономике, затраты на электролизеры быстро падают. Некоторые производители предполагают, что стоимость электролизера составит около 700 000 фунтов стерлингов за мегаватт в течение следующего года или около того. ITM Power, производитель электролизера в Шеффилде, заявляет, что его затраты уже ниже 1 млн евро (около 870 000 фунтов стерлингов) на каждый мегаватт мощности.По мере резкого увеличения размеров электролизеров — скоро мы можем увидеть устройства на 10 мегаватт — стоимость единицы мощности будет снижаться. В конечном итоге электролизеры будут значительно дешевле оборудования парового риформинга.

· Электролизеры не требуют значительного обслуживания или большого административного труда. Паровой риформинг требует более высоких эксплуатационных затрат, но мне не удалось получить точных оценок. (Если у вас есть хороший источник, я был бы очень благодарен об этом). Поэтому я проигнорировал это число.

· Независимо от того, производится ли водород путем парового риформинга или электролиза, потребуется хранение как под низким, так и под высоким давлением. Затраты будут эквивалентными, если, например, электролизер не будет работать только при низких ценах на электроэнергию. В этом случае путь электролиза неизбежно потребует большего объема памяти.

Мы можем приблизительно оценить относительные затраты на производство водорода с помощью электролиза при различных ценах на электроэнергию и сравнить их со средней ценой на водород в Европе сегодня.Насколько я могу судить, водород от парового риформинга в настоящее время стоит около 5 пенсов за киловатт-час энергетической ценности, поставляемой местному пользователю [2]. Это число не связано с какими-либо затратами или налогами на выбросы CO2 в атмосферу. Даже при нынешних низких ценах на углерод это добавит к полностью рассчитанной стоимости h3.

Когда падение цен на электроэнергию сделает более экономичным получение водорода путем электролиза? Давайте посмотрим на элементы, составляющие стоимость водорода при электролизе

· Капитальные затраты на электролизер.Я предполагаю, что закупочная цена (включая установку) составляет 700 000 евро за МВт мощности для использования электроэнергии для производства водорода. Это ниже, чем цена, которая была бы достигнута сегодня, но должна быть возможна к 2019/2020 году. Я предполагаю, что электролизер будет работать около 4000 часов в год, в основном, когда электроэнергия дешевая из-за обильного ветра или солнца. При ставке дисконтирования 7% владельцу необходимо будет зарабатывать 65 000 евро в год, чтобы покрыть расходы в течение 20 лет. Стоимость 1 МВт-ч электроэнергии в течение более 4000 часов составляет 16 евро.25. Для простоты я переведу это в 14,15 фунтов стерлингов за МВтч по сегодняшнему обменному курсу

фунтов стерлингов / евро · Текущие расходы. Оценок для этого немного, но число невелико. Я оцениваю 5 евро за МВтч, или 4,35 фунта стерлингов. Я считаю это консервативным.

· Стоимость электроэнергии. Это критический элемент. До недавнего резкого падения оптовых цен на электроэнергию цена на электроэнергию казалась дорогостоящей. Я взял для анализа достаточно типичный день — вчера, 4 июля 2017 года.В отличие от дней в начале июня, упомянутых в начале статьи, здесь не было особенно солнечно или ветрено. Я думаю, что будет справедливо использовать этот день как образец летних цен на электроэнергию. Средняя цена на краткосрочном балансирующем рынке составила 35,87 фунта стерлингов в течение 24 часов. Однако за 11 часов с самой низкой ценой (22 получасовых периода) это было 23,92 фунта стерлингов. Поскольку я предполагаю, что электролизер работает 11 часов в день (около 4000 часов в год), я использую эту среднюю цену.

Цены на электроэнергию «балансирующего рынка» Великобритании на 4 июля 2017 г.

Производство водорода — U.S. Управление энергетической информации (EIA)

Как производится водород?

Чтобы произвести водород, он должен быть отделен от других элементов в молекулах, в которых он находится. Есть много различных источников водорода и способов его производства для использования в качестве топлива. Двумя наиболее распространенными методами производства водорода являются паровой конверсии метана и электролиз (разделение воды на электричество. Исследователи изучают другие методы.

Процессы производства водорода

Источник: Министерство энергетики США, Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, Производство водорода (общественное достояние)

Нажмите для увеличения

Паровой риформинг метана — широко используемый метод получения коммерческого водорода

Паровой риформинг метана составляет почти весь коммерчески производимый водород в Соединенных Штатах.Коммерческие производители водорода и нефтеперерабатывающие заводы используют паровой риформинг метана для отделения атомов водорода от атомов углерода в метане (Ch5). При паровом риформинге метана высокотемпературный пар (от 1300 ° F до 1800 ° F) под давлением 3–25 бар (1 бар = 14,5 фунтов на квадратный дюйм) реагирует с метаном в присутствии катализатора с образованием водорода, окиси углерода. , и относительно небольшое количество диоксида углерода.

Природный газ является основным источником метана для производства водорода промышленными предприятиями и нефтеперерабатывающими заводами.Свалочный газ / биогаз, который можно назвать биометаном , является источником водорода для нескольких электростанций на топливных элементах в Соединенных Штатах. Биотопливо и нефтяное топливо также являются потенциальными источниками метана.

Электролиз использует электричество

Электролиз — это процесс отделения водорода от воды с помощью электрического тока. Электролиз обычно используется для демонстрации химических реакций и производства водорода на уроках естественных наук в средней школе. В крупном промышленном масштабе процесс может называться power-to-gas , где power — электричество, а водород — газ .Сам по себе электролиз не производит никаких побочных продуктов или выбросов, кроме водорода и кислорода. Электроэнергия для электролиза может поступать из возобновляемых источников, таких как гидроэнергия, солнечная энергия или энергия ветра. Если электричество для электролиза производится из ископаемого топлива (угля, природного газа и нефти) или сжигания биомассы, то соответствующее воздействие на окружающую среду и выбросы углекислого газа косвенно связаны с электролизом.

Другие способы получения водорода

• Использование микробов, которые используют свет для производства водорода
• Преобразование биомассы в газ или жидкость и отделение водорода
• Использование технологий солнечной энергии для отделения водорода от молекул воды

Категории водорода

Производители водорода, продавцы, государственные учреждения и другие организации могут классифицировать или определять водород в соответствии с источниками энергии для его производства.Например, водород, произведенный с использованием возобновляемых источников энергии, может называться возобновляемым водородом или зеленым водородом . Водород, полученный из угля, может называться коричневым водородом , а водород, полученный из природного газа или нефти, может называться серым водородом . Производство коричневого или серого водорода в сочетании с улавливанием и хранением / секвестрацией углерода может обозначаться как синий водород .

Последнее обновление: 7 января 2021 г.

Производство водорода с помощью электролиза воды PEM — Обзор

Основные моменты

•

Электролиз воды — одна из наиболее многообещающих альтернатив для хранения энергии из возобновляемых источников энергии.

•

Электролиз воды PEM обеспечивает устойчивое решение для будущего чистого производства водорода высокой степени чистоты.

•

Обзор электролиза воды PEM, включая проблемы, научные и технологические достижения.

•

Ясно обсуждаемые быстрые разработки в области электролиза воды на основе ПЭМ, включая высокоэффективные электрокатализаторы.

Реферат

Водород — самый эффективный энергоноситель.Водород можно получить из различных источников сырья, включая воду. Среди многих методов производства водорода экологически чистый и высокочистый водород можно получить электролизом воды. Однако, с точки зрения устойчивости и воздействия на окружающую среду, электролиз воды на основе ПЭМ считался наиболее перспективным методом для высокоэффективного производства водорода из возобновляемых источников энергии и выделяет только кислород в качестве побочного продукта без каких-либо выбросов углерода. Более того, произведенные водород (H ₂ ) и кислород (O ₂ ) непосредственно используются в топливных элементах и ​​в промышленности.Однако общее расщепление воды приводит к тому, что только 4% мирового промышленного водорода производится путем электролиза воды, в основном из-за экономических проблем. В настоящее время возросшее стремление к производству зеленого водорода увеличило интерес к электролизу воды из PEM. Таким образом, недавно были завершены значительные исследования по разработке экономичных электрокатализаторов для электролиза воды на основе ПЭМ. В этом обзоре мы обсудили последние разработки в области электролиза воды на основе ПЭМ, включая высокоэффективные и недорогие электрокатализаторы на основе HER и OER, а также решены новые и старые проблемы, связанные с электрокатализаторами и компонентами элементов PEM.Этот обзор будет способствовать дальнейшим усовершенствованиям исследований и дорожной карте, чтобы поддержать разработку водного электролизера PEM как коммерчески осуществимой цели производства водорода.

Ключевые слова

Производство водорода

Электролиз воды PEM

Электрокатализаторы

Реакция выделения водорода (HER)

Реакция выделения кислорода (OER)

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

Посмотреть аннотацию

© 2019 Авторы.Производство и размещение компанией Elsevier B.V. от имени KeAi Communications Co., Ltd.

Рекомендуемые статьи

Цитирование статей

8. Технологии производства водорода | Водородная экономика: возможности, затраты, препятствия и потребности в исследованиях и разработках

часов потребления за счет использования накопленного водорода для выработки дополнительной энергии; этот водород может генерироваться в непиковые часы.

Технологические опции

Современные технологии электролиза делятся на две основные категории: (1) твердый полимер с использованием протонообменной мембраны (PEM) и (2) жидкий электролит, чаще всего гидроксид калия (KOH).В обеих технологиях вода вводится в реакционную среду и подвергается воздействию электрического тока, вызывающего диссоциацию, после чего образующиеся атомы водорода и кислорода пропускаются через механизм ионного переноса, который заставляет водород и кислород накапливаться в отдельных физических потоках.

Электролизер PEM — это буквально топливный элемент PEM, работающий в обратном режиме. Когда вода вводится в ячейку электролизера PEM, ионы водорода (протоны) втягиваются в мембрану и проходят через нее, где они рекомбинируют с электронами с образованием молекул водорода.Газообразный кислород остается в воде. Поскольку эта вода рециркулирует, кислород накапливается в резервуаре для разделения и затем может быть удален из системы. Газообразный водород отдельно отводится от батареи ячеек и улавливается.

В системах с жидким электролитом обычно используется щелочной раствор для выполнения функций, аналогичных функциям электролизера PEM. В таких системах ионы кислорода мигрируют через электролитический материал, оставляя газообразный водород растворенным в потоке воды. Этот водород легко извлекается из воды, когда его направляют в разделительную камеру.

Полная стоимость водорода из систем PEM и KOH сегодня примерно сопоставима. Эффективность реакции обычно выше для систем КОН, потому что ионное сопротивление жидкого электролита ниже, чем сопротивление нынешних мембран PEM. Но преимущество систем КОН по эффективности реакции по сравнению с системами ПЭМ нивелируется более высокими требованиями к очистке и сжатию, особенно в малых масштабах (от 1 до 5 кг в час). Более подробная информация представлена ​​в Приложении G.

Электролиз может особенно хорошо подходить для удовлетворения потребностей в топливе на ранних этапах рынка транспортных средств на топливных элементах. Электролизеры достаточно хорошо масштабируются; эффективность реакции электролиза не зависит от размера задействованных ячеек или стопок ячеек. Компактный размер электролизеров делает их пригодными для размещения на существующих заправочных станциях или рядом с ними, и они могут использовать существующую инфраструктуру воды и электричества, сводя к минимуму потребность в новой инфраструктуре.

Будущее усовершенствование технологии электролиза

Целью Министерства энергетики США для электролиза является капитальные затраты в размере 300 долларов США / кВт для установки мощностью 250 кг / день (при 5000 фунтов на квадратный дюйм [фунт / кв. Дюйм] с КПД системы 73 процента, базис более низкой теплотворной способности [DOE, 2003b, стр. 3- 15]). Такую установку можно было бы интегрировать с возобновляемым источником энергии для производства водорода по цене 2,50 доллара за кг к 2010 году. Тогда большая центральная станция могла бы производить водород по цене 2 доллара за кг (DOE, 2003b, стр.3-16). Программа исследований Министерства энергетики США фокусируется на способах снижения затрат, повышения эффективности и интеграции электролизных установок с возобновляемыми источниками электроэнергии. Министерство энергетики также продолжает разработку материалов для обратимых твердооксидных электролизеров, которые могут работать при более высоких температурах, чем PEM, и с потенциально очень высокой эффективностью. Министерство энергетики сообщило, что его бюджетный запрос на 2004 финансовый год включал приблизительно 3,2 миллиона долларов на исследования электролиза в водород. ^{5 , 6}

Комитет считает правдоподобным, что капитальные затраты на электролизеры PEM могут упасть в восемь раз — с 1000 долларов США / кВт в ближайшем будущем до 125 долларов США / кВт в течение следующих 15-20 лет, в зависимости от аналогичного снижения затрат, происходящего в топливных элементах PEM.Если капитальные затраты снизятся до этого уровня, по оценкам комитета, водород можно будет производить примерно по 4 доллара за кг, используя сетевое электричество и электролиз, что делает его привлекательным в переходный период 2010–2030 годов, пока не будут построены централизованные объекты и необходимая система распределения. Многолетний план исследований, разработок и демонстраций Министерства энергетики (DOE, 2003b) включает технический план по топливным элементам, в котором рассматриваются технологические и ценовые барьеры — барьеры, которые, если их преодолеть, пойдут на пользу и электролизерам.Элементы плана топливных элементов включают, например: разработку высокотемпературных мембран для топливных элементов PEM, разработку более дешевых полимерных мембран, имеющих более высокую ионную проводимость, и разработку альтернативных рецептур и структур катализаторов.

Кроме того, эффективность системы электролизера может вырасти с нынешних 63,5 процентов до 75 процентов (более низкая теплотворная способность) в будущем. Среди приоритетов исследований, которые могут повысить эффективность и / или снизить стоимость будущих электролизных заправочных устройств и которые могут стать частью программы электролиза Министерства энергетики, следующие:

1. Снижение других (паразитных) потерь энергии в системе. Различные паразитные нагрузки, такие как регулирование мощности, могут быть уменьшены за счет изменения конструкции и оптимизации системы.

2. Уменьшение плотности тока. Эффективность преобразования зависит от плотности электрического тока, поэтому замена электролита на большее количество электролита или на большую площадь поверхности элемента приводит к снижению общих требований к мощности на единицу производимого водорода.

3. Разработка гибридов электролиза / окисления .Гибридная концепция использует окисление природного газа как средство усиления миграции ионов кислорода через электролит и, таким образом, снижения эффективного количества электроэнергии, необходимой для переноса иона кислорода. Концепт

Производство и доставка водорода | Водород и топливные элементы | Водородные и топливные элементы

Исследователи из NREL разрабатывают передовые процессы для экономичного производства водорода. из устойчивых ресурсов.

Узнайте, как NREL развивает и продвигает ряд путей к возобновляемому водороду производство. Текстовая версия

Биологическое расщепление воды

Некоторые фотосинтетические микробы используют световую энергию для производства водорода из воды в виде часть их метаболических процессов.Поскольку кислород образуется вместе с водородом, фотобиологическая технология производства водорода должна преодолевать присущую ему чувствительность к кислороду ферментативных систем, выделяющих водород. Исследователи NREL решают эту проблему с помощью скрининг на естественные организмы, которые более устойчивы к кислороду и создание новых генетических форм организмов, способных поддерживать производство водорода в наличие кислорода.Исследователи также разрабатывают новую систему, в которой используется метаболический переключение (лишение серы) на цикл клеток водорослей между фотосинтетическим ростом фаза и фаза производства водорода.

Контактное лицо: Мария Гирарди

Ферментация

Ученые NREL разрабатывают технологии предварительной обработки для преобразования лигноцеллюлозного биомасса в сырье, богатое сахаром, которое может быть непосредственно ферментировано для получения водорода, этанол и ценные химикаты.Исследователи также работают над определением консорциума. Clostridium, которые могут непосредственно сбраживать гемицеллюлозу до водорода. Другое исследование области включают в себя биоразведку эффективных целлюлолитических микробов, таких как Clostridium thermocellum, который может сбраживать кристаллическую целлюлозу непосредственно до водорода, чтобы снизить затраты на сырье. После идентификации модельной целлюлолитической бактерии ее потенциал для генетических манипуляций, включая чувствительность к антибиотикам и простоту генетического трансформация, будет определена.Будущие проекты ферментации NREL будут сосредоточены на по разработке стратегий для создания мутантов, которые селективно блокируются от производства отработанные кислоты и растворители для максимального увеличения выхода водорода.

Контактное лицо: Пин-Чинг Манесс

Конверсия биомассы и отходов

Водород можно производить путем пиролиза или газификации ресурсов биомассы, таких как сельскохозяйственные остатки, такие как скорлупа арахиса; бытовые отходы, включая пластмассы и отходы смазка; или биомасса, специально выращенная для использования в энергии.Пиролиз биомассы производит жидкий продукт (био-масло), содержащий широкий спектр компонентов, которые могут быть разделены на ценные химические вещества и топливо, включая водород. Исследователи NREL в настоящее время сосредоточены на производстве водорода путем каталитического риформинга пиролиза биомассы товары. Конкретные области исследований включают реформирование потоков пиролиза и разработку и испытание псевдоожижаемых катализаторов.

Контактное лицо: Ричард Френч

Фотоэлектрохимическое расщепление воды

Самый чистый способ получения водорода — использование солнечного света для прямого разделения воды. в водород и кислород.Технология многопереходных ячеек, разработанная фотоэлектрическими промышленность используется для фотоэлектрохимических (PEC) систем сбора света, которые генерируют достаточное напряжение для разделения воды и стабильны в среде вода / электролит. Разработанная NREL система PEC производит водород из солнечного света без дополнительных затрат. и усложнение электролизеров, при КПД преобразования солнечной энергии в водород На 12,4% ниже теплотворная способность при использовании отраженного света.Ведутся исследования, чтобы выявить больше эффективные, недорогие материалы и системы, долговечные и устойчивые к коррозии в водной среде.

Контактное лицо: Джон Тернер или Тодд Дойч

Гелиотермальное водоразделение

Исследователи NREL используют реактор High-Flux Solar Furnace, чтобы концентрировать солнечную энергию и генерировать температуры от 1000 до 2000. градусов Цельсия.Для термохимической реакции требуются сверхвысокие температуры. циклы для производства водорода. Такой высокотемпературный, высокопоточный, термохимический процессы предлагают новый подход к экологически безопасному производству водорода. Очень высокие скорости реакции при таких повышенных температурах вызывают очень быструю реакцию. скорости, которые значительно увеличивают производительность и более чем компенсируют прерывистый характер солнечного ресурса.

Контактное лицо: Джуди Неттер

Возобновляемый электролиз

Возобновляемые источники энергии, такие как фотоэлектрическая энергия, ветер, биомасса, гидро- и геотермальная энергия. может обеспечить нашу страну чистой и устойчивой электроэнергией. Однако возобновляемая энергия источники естественным образом изменчивы, требуют накопления энергии или гибридной системы для размещения суточные и сезонные изменения.Одно из решений — производить водород путем электролиза — расщепления с помощью электрического тока — воды и использовать этот водород в топливном элементе для производства электричество в периоды низкого производства электроэнергии или пикового спроса, или для использования водорода в транспортных средствах на топливных элементах.

Исследователи из Центра интеграции энергетических систем NREL и Центра испытаний и исследований водородной инфраструктуры изучают вопросы, связанные с использованием возобновляемых источников энергии для производства водород путем электролиза воды.NREL тестирует интегрированные системы электролиза и исследует варианты дизайна для снижения капитальных затрат и повышения производительности.

Узнайте больше об исследованиях электролиза возобновляемых источников энергии NREL.

Контактное лицо: Кевин Харрисон

Надежность шланга дозатора водорода

С акцентом на снижение затрат и повышение надежности и безопасности NREL выполняет ускоренное тестирование и циклическое тестирование шлангов для подачи водорода на 700 бар на предприятии по интеграции энергетических систем с использованием автоматизированной робототехники для моделирования полевых условий.Посмотрите видео с роботом, который имитирует повторяющееся напряжение человека, сгибающегося и скручивающегося. шланг для подачи водорода в бортовой накопительный бак транспортного средства на топливных элементах. Исследователи проводить механические, термические испытания и испытания под давлением для новых и бывших в употреблении систем подачи водорода шланги. Материал шланга анализируется для выявления проникновения водорода, охрупчивания, и зарождение / распространение трещины.

Контактное лицо: Кевин Харрисон

Анализ путей производства и доставки водорода

NREL выполняет анализ на системном уровне в различных областях устойчивого производства водорода. и пути доставки.Эти усилия направлены на определение улучшений статуса, от технологических достижений, стоимости как функции объема производства и потенциала для снижения затрат. Результаты помогают выявить препятствия на пути к успеху этих путей. основные факторы затрат и остающиеся проблемы НИОКР. Разработанные NREL тематические исследования по анализу водорода обеспечивают прозрачные прогнозы текущих и будущих затрат на производство водорода. Узнайте больше о работе NREL по системному анализу.

Контактное лицо: Женевьева Заур

Сеть энергетических материалов HydroGEN

NREL служит ведущей лабораторией консорциума HydroGEN Energy Materials Network (EMN).

Последние публикации

Прямое преобразование солнечной энергии в водород с помощью инвертированного метаморфического многопереходного полупроводника Архитектура, Энергия природы (2017)

Замечательная стабильность немодифицированных фотокатодов GaAs при выделении водорода в Кислый электролит, Журнал химии материалов A (2016)

Эффективность преобразования солнечной энергии в водород: яркий свет на производительность фотоэлектрохимических устройств, Энергетика и экология (2016)

Обратимая пассивация поверхности GaInP2 за счет адсорбции воды: модельная система для зависимости от окружающей среды Фотолюминесценция, Журнал физической химии C (2016)

CO2-фиксирующий метаболизм одного углерода в разрушающей целлюлозу бактерии Clostridium thermocellum, Proceedings of the National Academy of Sciences (2016)

Путь фосфокетолазы способствует метаболизму углерода у цианобактерий, Nature Plants (2016)

Контакт

Huyen Dinh

Электронная почта
303-275-3605

Анализ затрат на производство водорода

| Водородные и топливные элементы

На этой интерактивной карте показаны результаты проведенного NREL анализа стоимости водорода за 2011 год. от электролиза на потенциальных площадках по всей территории Соединенных Штатов.

NREL проанализировал стоимость производства водорода с помощью ветрового электролиза воды на заводе 42 потенциальных объекта в 11 штатах по всей стране. Этот анализ включал централизованные заводов, производящих министерство энергетики (DOE), планирует производить 50 000 кг водорода на день, используя как ветровую, так и сетевую электроэнергию. Использование ветровой и сетевой электроэнергии может быть сбалансированным либо по мощности, либо по стоимости, включая или исключая покупку пикового лета электричество.Текущие ветровые стимулы, такие как налоговый кредит на производство (PTC), инвестиции Налоговый кредит (ITC) и казначейский грант — могут снизить затраты на водород примерно на 1 доллар США / кг. и имеют решающее значение для достижения целевых показателей затрат Министерства энергетики.

Используйте этот интерактивный инструмент для изучения результатов анализа NREL. Выберите анализ варианты, которые вы хотите увидеть, а затем нажмите на результаты на карте, чтобы узнать больше о экономика производства водорода с помощью энергии ветра.Для получения дополнительной информации см. Географический анализ стоимости водорода в США из бумаги для электролиза или веб-семинар по моделированию затрат на перенос энергии из ветра в водород и результаты проекта.

Просмотр текстовой версии данных карты.

¹ Комбинированный эффект налогового кредита на производство (PTC), инвестиционного налогового кредита (ITC) и Казначейский грант снижают цены на ветровую электроэнергию на 0 долларов.02 / кВтч. Эффект предполагается за весь 20-летний период реализации проектов в данном анализе. См .: Wiser, R., Болинджер, М., Отчет о рынке ветроэнергетических технологий за 2010 год. DOE / GO-102011-3322. Голден, КО: NREL, 2011.

² Целевые затраты Министерства энергетики США на 2015 г. (в долларах 2007 г.) составляют 3,10 долл. США / кг для центральные водородные установки и 3,70 долл. США / кг для распределенных водородных установок. См.: Многолетний план исследований, разработок и демонстраций (производство водорода).

³ Стоимость сжатия, хранения и распределения (CSD) водорода регулируется с 1,88 долл. США / кг H ₂ в долларах 2005 г. до 2,00 долл. США / кг H ₂ в долларах 2007 г. с использованием макроэкономических показателей США и выбросов углекислого газа стол. Для получения дополнительной информации о затратах на CSD см .: Genovese, J., et al. Текущая (2009 г.) смета современных затрат на производство водорода с использованием водного электролиза: Независимый обзор.NREL / BK-6A1-46676. Голден, КО: NREL, 2009.

⁴ Site ID ссылается на набор данных Eastern Wind или Western Wind, в зависимости от ситуации.

⁵ Стоимость скорректирована до долларов 2007 года с точностью до двух значащих цифр.

.