Rozdział 4 Elektrolizeryzs9elektronik.pl/inne/karolina/podr_4_elektrolizery.pdf · 2017-10-25 ·...

Ro

zdzi

ał 4

Odnawialne źródła energii / Elektrolizery 61

Rozdział 4

Elektrolizery

4.1. Wprowadzenie4.2. Historia elektrolizerów4.3. Rodzaje elektrolizerów4.4. Typy elektrolizerów4.5. Temat zaawansowany: Podstawy termodynamiki w konstruowaniu elektrolizerów4.6. Produkcja i sprzedaż wodoru na świecie4.7. Możliwości uzupełnienia energii związanej z wykorzystaniem elektrolizy4.8. Podsumowanie

62 Elektrolizery / Odnawialne źródła energii

4.1 Wprowadzenie

Elektrolizery wykorzystują prąd elektryczny do rozkładu wody na wodór i tlen. Elektroliza wody jest prostą reakcją elektrochemiczną, która nie wymaga skomplikowanej aparatury. Jednym z głównych produk-tów jest bardzo czysty wodór (>99,99%) i jeżeli prąd niezbędny do przeprowadzenia reakcji pochodzi z odnawialnych źródeł, reakcja elektrolizy wody nie zanieczyszcza w żaden sposób środowiska. Produ-kowany podczas elektrolizy wodór jest idealnym paliwem wykorzystywanym w ogniwach paliwowych (patrz rozdział 5 o ogniwach paliwowych). Reakcja elektrochemiczna zachodząca w elektrolizerze jest bardzo podobna do reakcji zachodzącej w ogniwach paliwowych zasilanych wodorem. Główną różnicą jest to, iż w trakcie elektrolizy na katodzie wytwarza się wodór, a w ogniwach paliwowych wodór wpro-wadza się na anodę. Wodór jest najpowszechniej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie, lecz bardzo mało wodoru istnieje w formie niezwiązanej. Jest to najprostszy i najlżejszy pierwiastek. Wodór ma ogromny potencjał technologiczny, może być wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej, a otrzymywać go można z paliw kopalnych, biomasy oraz wody.

Istnieje wiele metod pozyskiwania wodoru. Wodór otrzymywany może być przez reforming parowy wę-glowodorów lekkich (np. metanu), w reakcjach częściowego utleniania, w reakcji pary wodnej z koksem, oraz elektrolizy wody. W większości tych metod źródłem wodoru są paliwa kopalne, lecz coraz częściej wodór produkuje się z wykorzystaniem biomasy. Aktualna wydajność produkcji wodoru w procesie elektrolizy wynosi około 75%, lecz w przyszłości prawdopodobnie osiągnie 90% [11]. Aby wyprodu-kować 1 kg wodoru, w temperaturze 25°C i ciśnieniu 1 atm (atm - atmosfera), potrzeba 39 kWh energii elektrycznej i 8,9 litra wody [18].

Atmosfera:

Jest to międzynarodowa jednostka ciśnienia, równa 101 325 Pa. Jednostka ta jest coraz rzadziej używana i zastąpiona została barami (100 000 Pa).

Największą wadą procesu elektrolizy wody jest to, że potrzebuje do przeprowadzenia reakcji energii elektrycznej, która często musi być dostarczona poprzez całą energetyczną infrastrukturę. Idealnym rozwiązaniem jest wykorzystanie energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych przyjaznych dla śro-dowiska. Zaleca się, aby wykorzystywać energię otrzymywaną z wiatru, słońca oraz płynących rzek. Produkcja wodoru będzie popularna wtedy, gdy wykorzystywane będą technologie nie generujące dwutlenku węgla, i na tyle tanie, że będą konkurować z konwencjonalnymi rozwiązaniami. Tego typu rozwiązania mogą być zbudowane z wykorzystaniem paneli solarnych lub elektrowni wiatrowych lub kombinacji tych dwóch rozwiązań sterowanych za pomocą systemów elektroenergetycznych. Systemy te zbudowane są z przetwornic AC/DC lub DC/DC, chłodnic, zasilaczy, przekaźników sterujących oraz systemów odłączających prąd stały, gdy wykorzystuje się ogniwa fotowoltaiczne (rozdział 7). Istnieją także prototypowe rozwiązania hybrydowe, zaprojektowane w taki sposób, aby minimalizować koszty inwestycyjne. W tych rozwiązaniach koszt produkcji wodoru jest niewielki.

Elektrolizery mogą być idealnym rozwiązaniem w stacjonarnych i przenośnych systemach energetycz-nych oraz do produkcji paliwa wykorzystywanego w różnego rodzaju pojazdach. Istnieje wiele rozwiązań, w których elektrolizery są wykorzystywane. Jedno z tych zastosowań, to wykorzystywanie ich w urzą-dzeniach wojskowych do produkcji wodoru zasilającego ogniwa paliwowe w samochodach, łodziach, a także w przenośnej elektronice. Elektrolizery mogą być także dodatkiem przy farmach wiatrowych

Ro

zdzi

ał 4


lub słonecznych. Część energii wyproduko-wana przy użyciu turbin wiatrowych lub paneli słonecznych może być użyta do procesu elek-trolizy, wytworzenia wodoru i wykorzystania go w momencie, gdy nie świeci słońce lub nie ma wiatru. Nadmiar energii elektrycznej wytworzonej w ciągu dnia przez panele słonecz-ne może być także wykorzystywany do produkcji wodoru, aby wytwarzać energię w nocy. Elektrownie wiatrowe największą wydaj-ność mają nocą, kiedy wieją silne wia-try. Zapotrzebowanie na energię jest wtedy stosunkowo niewielkie. Nadmiar energii może być wykorzystany do produkcji wodoru, który zużyty zostanie w ciągu dnia, gdy zapotrze-bowanie na energię elektryczną jest znacznie wyższe. Istnieją już prototypy wykorzystujące tego typu rozwiązania. Jednak są one drogie dlatego niezbędne są dalsze badania, aby ob-niżyć koszty produkcji urządzeń oraz zwięk-szyć wydajność gotowych systemów. Obecnie większość elektrolizerów wykorzystywanych jest do produkcji wodoru do zastosowań innych niż zasilanie ogniw paliwowych.

Ilustracja 4-1 Elektrolizer

Zalety stosowania elektrolizerów to [11]:

1. Produkcja bardzo czystego wodoru;2. Wodór może być wytwarzany i zużywany

bezpośrednio przez ogniwa paliwowe, co eliminuje etap przechowywania wodoru;

3. Wodór wyprodukowany w trakcie elektrolizy jest znacznie tańszy niż ten dostarczony w butlach pod wysokim ciśnieniem.

Ilustracja 4-1 przedstawia zasadę działania elektro-lizera.

Na świecie jest bardzo dużo energii słonecznej i wia-trowej, która mogłaby być użyta do produkcji wodo-ru wykorzystywanego do napędzania pojazdów, do wytwarzania prądu w elektrowniach stacjonarnych oraz w urządzeniach przenośnych. Elektroliza ma wysoki potencjał, umożliwiający spełnienie wymagań związanych z kosztami produkcji energii, określonych przez rządy na całym świecie. Wiele firm prowadzi ba-dania i zdobywa doświadczenie w temacie produkcji wodoru oraz integracji i optymalizacji opisywanych systemów energetycznych. W przyszłości zdobyte doświadczenie pozwoli im produkować paliwa nie-zbędne do funkcjonowania tych systemów.

Anoda Katoda

Akumulator-

+

+

-

WodórTlen

tlenuElektrolit wodoru

PęcherzykiPęcherzyki


Ilustracja 4-2. Proces elektrolizy

Nicholson i Carlisle:

Jako pierwsi opisali w 1800 r. proces elektrolitycznego rozkładu wody na wodór i tlen.

4.2 Historia elektrolizerów

Historia elektrolizerów i ogniw paliwowych jest bardzo podobna, ponieważ podstawowe zasady i wła-ściwości są takie same. Reakcja elektrolizy wody została odkryta w 1800 roku i do tej pory jest badana. W ostatnich dwudziestu latach nastąpił intensywny rozwój technologii związanych z konstrukcją elek-trolizerów. W rozdziale 5 podane są dalsze szczegóły dotyczące historii ogniw paliwowych i elektrolizy. Głównymi naukowcami pracującymi nad poznaniem zjawiska elektrolizy byli William Nicholson i Anthony Carlisle. To oni w 1800 roku jako pierwsi, przy użyciu prądu, spowodowali rozkład wody na wodór i tlen. Nicholson i Carlisle do przeprowadzenia elektrolizy użyli platynowych elektrod oraz szklanych cylindrów do gromadzenia gazów. Wodór, w postaci gazowej, zbierany był na jednej z elektrod, a tlen na drugiej. Doświadczenie to pokazuje, że w tym samym czasie wodoru powstaje dwa razy więcej niż tlenu. Na Ilustracji 4-2 przedstawiono schemat procesu elektrolizy odkrytego przez Nicholsona i Carlisle.

Wodór Tlen

Akumulator

Katoda

Anoda

+-

Ro

zdzi

ał 4


William Nicholson:

William Nicholson był angielskim chemikiem, który jako pierwszy, do przeprowadzenia reakcji chemicznej, użył energii elektrycznej. Nicholson miał wiele profes-ji: był inżynierem, wynalazcą, tłumaczem i publicystą naukowym. Gdy dowiedział się o elektrycznym aku-mulatorze wynalezionym przez włoskiego fizyka Ales-sandro Volta, próbował powtórzyć ten eksperyment wkładając dwa przewody do wody. Przy przewodach pojawiły się pęcherzyki gazów, był to pierwszy krok do odkrycia reakcji elektrolizy wody.

4.3 Rodzaje elektrolizerów

Elektrolizery ze względu na sposoby podłączenia elektrod do źródła prądu można podzielić na dwa podstawowe typy: jednobiegunowe (unipolarne, monopolarne) i dwubiegunowe (bipolarne). W przypadku elektrolizerów monopolarnych każda z elektrod połączona jest z określonym biegunem źródła zasilania. W przypadku elektrolizerów bipolarnych jedynie dwie ostatnie elektrody podłączone są do źródła prądu (katoda do ujemnego bieguna, a anoda do dodatniego). W tym przypadku, powierzchnie elektrod umieszczonych w polu elektrycznym uzyskują ładunek o znaku przeciwnym do znaku najbliższej elektrody, co jest skutkiem przepływu ładunków elektrycznych w procesie elektrolizy. W dwubieguno-wych elektrolizerach wykorzystywany jest często elektrolit polimerowy.

4.3.1 Elektrolizer jednobiegunowy

Elektrolizer jednobiegunowy był pierwszym skonstruowanym elektrolizerem. Przykład takiego elektrolizera przedstawiony jest na Ilustracji 4-3. Elektrody: anoda i katoda są za-wieszone w komorze wypełnionej w 20-30% roztworem elektrolitu. Elektrody podłączone są równolegle do źródła prądu o napięciu od 1,9 do 2,5 V [18]. Ten typ elektrolizerów jest prosty w konstrukcji, lecz znacznie mniej wydajny od nowoczesnych dwubiegunowych elektrolizerów.

4.3.2 Elektrolizer dwubiegunowy

Elektrolizer dwubiegunowy skonstruowany jest ze ściśniętych ze sobą wielu komórek elektro-litycznych (Ilustracja 4-4). Komórki połączone są szeregowo, co pozwala stosować większe napięcie. Warstwy elektrolitu są bardzo cienkie. Do niektórych zalet tego rozwiązania zaliczyć należy większą gęstość prądu i możliwość pro-dukcji wodoru pod zwiększonym ciśnieniem. Kiedyś w celu oddzielenia komórek stosowano azbest, lecz aktualnie został on wyparty przez nowoczesne materiały polimerowe takie, jak np. Ryton® [18].


4.4 Typy elektrolizerów

Elektrolizer napełniony jest wodnym roztworem elektrolitu charakteryzującego się dostatecznie wyso-ką przewodnością. Teoretycznie może to być roztwór kwasu, soli bądź zasady, w praktyce stosuje się ten ostatni elektrolit, gdyż środowisko kwaśne jest zbyt agresywne (kwasy powodują korozję elektrod) a przewodnictwo właściwe roztworów soli jest niższe. Elektrolizery, w zależności od stanu skupienia elektrolitu, można podzielić na alkaliczne i wykorzystujące polimerową membranę wymiany protonów (PEM). Elektrolizer alkaliczny pracuje w układzie z ciekłym elektrolitem, a elektrolizer PEM wykorzystu-je elektrolit polimerowy. Budowa elektrolizera jest podobna do budowy ogniw paliwowych. Składają się one z anody, katody i elektrolitu. Na elektrodzie posiadającej ładunek ujemny protony są usuwane z elektrolitu, a elektrony są dostarczane przez zewnętrzne źródło zasilania.

4.4.1 Elektrolizery alkaliczne

W elektrolizerach alkalicznych zastosowanie znajdują zarówno roztwory NaOH jak i KOH. Ten ostatni jest droższy, jednak jego przewodnictwo jest wyższe. Z uwagi na nieliniową zależność wartości prze-wodnictwa właściwego roztworu elektrolitu od jego stężenia, w przemyśle stosuje się 16-18 % (wag.) roztwory NaOH, bądź też 25-29 % (wag.) roztwory KOH.

Ilustracja 4-3. Przykład elektrolizera unipolarnego Ilustracja 4-4. Elektrolizer bipolarny

Procent wagowy (masowy) (% wag.):

Procent wagowy to stosunek masy substancji rozpuszczonej w roztworze (może być niewidoczna gołym okiem) do masy roztworu (czyli masy substancji i rozpuszczalnika). Po wymnożeniu uzyskanego ułamka przez 100 otrzymamy wartość w procentach wagowych.

Ro

zdzi

ał 4


Przewodnictwo:

Przewodnictwo jest miarą zdolności materiału do przewodzenia prądu elektrycznego. Jeżeli w materiale wystąpi różnica w ilości ładunków elektrycznych, to przez materiał ten nastąpi przepływ ładunków, w celu doprowadzenia materiału do stanu równowagi. Zjawisko to wywołuje prąd elektryczny.

Odporność na korozję:

Odporność na korozję jest to zdolność przeciwstawiania się materiału zmianom degradacyj-nym wywołanym reakcjami chemicznymi zachodzącymi na powierzchni tego materiału.

Elektrolizery alkaliczne mogą pracować w zakresie temperatur od 25 do 100°C przy ciśnieniu od 1-30 barów. Przemysłowe elektrolizery alkaliczne przeprowadzają reakcję chemiczną przy gęstości prądu od 100 do 400 mA/cm2.

Reakcje chemiczne zachodzące w elektrolizerze alkalicznym:

Budowa elektrolizerów alkalicznych jest stosunkowo prosta. Przy jednobiegunowym układzie elektroli-zer składa się z dwóch metalowych elektrod zawieszonych w wodnym roztworze elektrolitu. Gdy przez elektrolizer przepływa prąd, na anodzie wydziela się tlen, a na katodzie wodór. Elektrolizer musi być tak skonstruowany, aby możliwe było selektywne odprowadzanie każdego z wydzielających się gazów. Ważne jest także to, że nie można dopuścić do mieszania się wodoru z tlenem, ponieważ mieszanina tych gazów jest łatwopalna i niewielka iskra może doprowadzić do wybuchu.

4.4.2 Elektrolizery z membraną PEM

Elektrolizery - z polimerową membraną PEM - są bardzo popularne i często wykorzystywane w nowo-czesnych rozwiązaniach technologicznych. W elektrolizerach PEM zastosowano identyczny elektrolit z używanym w ogniwach paliwowych PEM. Elektrolit stanowi cienka polimerowa membrana stale prze-wodząca protony. Elektrolizery PEM mogą być połączone w układy dwubiegunowe i mogą pracować przy wysokich ciśnieniach wywieranych na membranę.

Reakcje elektrodowe w elektrolizerze PEM przebiegają następująco:

Powyższe reakcje pokazują, dlaczego w trakcie elektrolizy wody, tlenu powstaje dwukrotnie mniej niż wodoru. Ilustracja 4-5 przedstawia podstawową zasadę działania elektrolizera PEM.

Anoda: 4OH- - 4e- 2H2O +O

2 Katoda: 4H

2O + 4e- 4OH- + 2H

2

Sumarycznie: 2H2O 2H

2+O

2

Anoda: 2H2O - 4e- O

2 + 4H+

Katoda: 4H++ 4e- 2H2

Sumarycznie: 2H2O 2H

2+O

2


4.4.2.1 Elektrolit

Elektrolit w elektrolizerze PEM pozwala na selektywny transport protonów H+ z anody poprzez mem-branę do katody, oddzielając wodór od tlenu. Najczęściej używanym materiałem jest membrana Nafion® produkowana przez firmę DuPont. Elektrody pokryte katalizatorem, którym jest platyna, umieszczone są po obu stronach membrany polimerowej w celu efektywnego rozdzielania wody na wodór i tlen.

4.4.2.2 Katalizatory

W celu przekształcenia energii elektrycznej na chemiczną niezbędne jest zastosowanie katalizato-rów. Najczęściej stosowanym katalizatorem jest platyna (Pt). Platyna jest drogim metalem szlachet-nym, jednak do tej pory nie udało się znaleźć bardziej efektywnego katalizatora. Jeżeli do konstrukcji Katody zastosowany będzie mniej skuteczny katalizator, może spowodować to znaczne straty napięcia. W praktyce przemysłowej elektrody stosowane do elektrolizy H2O wykonywane są z niklu lub niklo-wanego żelaza, których odporność korozyjna w roztworach alkalicznych jest wystarczająco wysoka. Anody wykonywane są z niklu lub spineli (mieszane tlenki metali), wykazujących właściwości katalityczne w stosunku do reakcji wydzielania O2. Wydajność reakcji elektrolizy zawarta jest w granicach 50-80%, lecz dotyczy to wyłącznie efektywności konwersji energii elektrycznej na chemiczną.

4.5 Temat zaawansowany: Podstawy termodynamiki w konstruowaniu elektrolizerów

Termodynamika to nauka zajmująca się analizą zjawisk zachodzących podczas przemian różnych form energii. Dzięki równaniom termodynamicznym możliwe jest prognozowanie wydajności elektrolizerów i ogniw paliwowych. Dzięki temu naukowcy mogą określić w jakim stanie aktualnie znajduje się elektro-lizer lub ogniwo paliwowe, w zależności od napięcia, prądu, temperatury, ciśnienia i ilości wodoru, tlenu oraz wody. Podstawowe pojęcia ściśle związane z termodynamiką to: entalpia bezwzględna, entalpia swobodna, ciepło właściwe oraz entropia. Pojęcia te można zdefiniować następująco [19]:

Ilustracja 4-5. Uproszczony schemat elektrolizera PEM

FFFFFF

FFFFO O

CCCCCC

HO3SH O

3S

R R

+ -H

2

O2

H+

protonyDodatnio

elektroda(Anoda)+

Ujemnie

elektroda(Katoda)-

Wodór (H2)

Tlen (O2)

Woda (H2O)

W przestrzeni katodowej

gazowy wodór 4H+ + 4e->2H

2

Reakcja elektrolizy wody 2H

2O->O

2 + 4e- + 4H+

Wymiana protonów

Ro

zdzi

ał 4


Maksymalna wydajność ogniwa paliwowego jest badana w warunkach idealnych (odwracalnych) napięcia, które jest obliczane przy użyciu zależności termodynamicznych.

Napięcie wyjściowe netto:

Napięcie wyjściowe netto ogniwa paliwowego to różnica między potencjałem odwracalnym ogniwa a nieodwracalnym.

Napięcie wyjściowe netto można wyrazić matematycznie:

Gdzie:

V odwracalne

= Er jest maksymalnym (odwracalnym) napięciem uzyskiwanym z ogniwa pali-

wowego, zaś V nieodwracalne

to nieodwracalne straty napięcia (nadpotencjał) pojawiające się w ogniwie paliwowym. Straty napięcia zostaną szczegółowo omówione w kolejnym punkcie. Rzeczywiste napięcie ogniwa paliwowego jest niższe niż wyznaczone teoretycznie z powodu wystę-pujących strat transferowych masy w trakcie transportu ładunku. Wydajność elektrolizera lub ogniwa paliwowego można zilustrować za pomocą krzywej polaryzacji (Ilustracja 4-6), w której zauważyć moż-na trzy stany polaryzacyjne: (1) obszar strat aktywacyjnych, (2) obszar strat omowych, (3) obszar strat dyfuzyjnych. Dlatego napięcie robocze ogniwa paliwowego może różnić się od napięcia teoretycznego wyznaczonego w warunkach idealnych. Spowodowane jest to przez tzw. straty polaryzacyjne [10]:

Gdzie:

V jest potencjałem ogniwa, E potencjałem termodynamicznym określanym równaniem Nersta, Vakt

są to straty napięcia z powodu polaryzacji w fazie aktywacji ogniwa, V

omowe są to straty napięcia pojawiające

się w fazie polaryzacji omowej. Vdyf

są to straty napięcia w fazie polaryzacji dyfuzyjnej. Badania prowa-dzone w różnych dziedzinach nauki pozwalają wyjaśnić te pojęcia przy pomocy Ilustracji 4-6.

Entalpia bezwzględna:

Entalpia bezwzględna to energia cieplna chemiczna i entalpia względna. Energia chemiczna lub entalpia tworzenia (Hf) określona jest energią wiązań chemicznych. Entalpia względna to różnica entalpii faktycznej w stosunku do stanu odniesienia (Δ hs).

Ciepło właściwe:

Ciepło potrzebne do zwiększenia temperatury substancji o jednostkowej masie o 1°C (lub inną jednostkę temperatury).

Entropia:

Kolejnym ważnym elementem termodynamicznym jest entropia, czyli ilość ciepła przekształconego w pracę.

Entalpia swobodna (funkcja Gibbsa):

Entalpia swobodna w przemianach izotermiczno-izobarycznych jest równa maksymalnej pracy, którą można uzyskać w takiej przemianie.

V = V odwracalne

- V nieodwracalne

V = Er + Vakt

+ Vomowe

+ Vdyf

Ro

zdzi

ał 4


Potencjał termodynamiczny opisywany równaniem Nersta wyznaczony został dzięki badaniom ter-modynamicznym. Elektrochemia opisuje straty aktywacyjne. Straty omowe i dyfuzyjne, wywołane w trakcie transportu ładunku między elektrodami w ogniwie paliwowym lub elektrolizerze, są tematami zaawansowanych studiów chemicznych, fizycznych lub inżynierii chemicznej. Straty polaryzacyjne i dyfuzyjne zachodzą w przestrzeniach elektrodowych anody i katody, zaś straty omowe dotyczą całego ogniwa. Bardziej szczegółowe informacje, związane z omawianym tematem, można znaleźć w wielu podręcznikach opisujących funkcjonowanie ogniw paliwowych.

Straty omowe:

Są to straty wywołane niecałkowitym przepływem ładunków pomiędzy elektrodami w ogniwie.

Straty aktywacyjne są wysokie wtedy, gdy reakcje elektrochemiczne wywołane przez prąd przebiegają powoli.

Straty omowe spowodowane są stratami transportu ładunków pomiędzy elektrodami. Na straty te wpływają dwa czynniki. W układzie mamy do czynienia z dwoma typami cząstek niosących ładunek. Są to jony i elektrony. W obu typach tych cząstek pojawiają się straty. Straty elektronowe pojawiają się pomiędzy dwoma biegunami, kiedy na styku płytek występuje niepełne chłodzenie układu. Straty jonowe występują przy transporcie protonów H+ przez membranę elektrolityczną.

Straty dyfuzyjne spowodowane są brakiem paliwa, czyli substratów reakcji elektrodowych. Zbyt mała ilość substratów docierających do elektrod powoduje znaczny spadek wydajności. Straty dyfuzyjne minimalizuje się przez ciągłe dostarczanie energii i kontrolę stężenia wodoru, tlenu (sprawne odprowa-dzanie produktów) i wody. Kontroluje się również stan warstwy dyfuzyjnej oraz katalitycznej elektrod.

Ilustracja 4-6. Krzywa polaryzacji wodór-tlen w równowadze [10]

0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25

Liniowy spadek z powodustrat omowych

Otwarty obwód - straty z powodu zawracania paliwa

1.25

1.00

0.75

0.50

0.25

Ro

zdzi

ał 4


Ro

zdzi

ał 4

Większość wodoru produkowanego na świecie otrzymywana jest w reakcji reformingu parowego me-tanu (SRM). Produkcja wodoru z wykorzystaniem elektrolizy jest znacznie droższa od technologii SRM, lecz w przyszłości, gdy ceny gazu ziemnego wzrosną, oraz biorąc pod uwagę aspekty środowiskowe i politykę środowiskową, będzie to bardzo dobra alternatywa.

Gaz ziemny wykorzystywany w SMR należy do paliw kopalnych, których zasoby światowe są ogra-niczone. Produktami ubocznymi w SMR są gazy cieplarniane. W trakcie reakcji reformingu parowego powstaje dwutlenek węgla CO2 oraz tlenek węgla CO. Jeżeli miliony samochodów spalinowych będą zasilane wodorem produkowanym z wykorzystaniem SMR, nie wpłynie to na ograniczenie ilości emisji gazów cieplarnianych.

Około 4% światowej produkcji wodoru pochodzi z procesu elektrolizy. W tym przypadku wodór głównie jest wytwarzany jako produkt uboczny w trakcie elektrolizy solanki podczas produkcji chloru.

2NaCl + 2 H2O Cl

2 + H

2 + 2NaOH

W tej reakcji na katodzie wydziela się wodór, a na anodzie chlor. Wydzielony wodór jest spalany na miejscu lub wykorzystywany do innych syntez chemicznych. Obecnie rynek wodoru podzielony jest na dwa technologiczne zastosowania. Jednym z nich jest wy-korzystanie wodoru od razu po jego wyprodukowaniu. Drugi wymaga wtłoczenia go do odpowiednich opakowań i dostarczenia na miejsce wykorzystania.Wodór wykorzystywany jest w przemyśle chemicznym, tłuszczowym i rafineryjnym do uwodornienia tłuszczów i ropy naftowej oraz w przemyśle metalurgicznym. Mniejsze ilości wodoru wykorzystuje się przy produkcji elektroniki oraz w przedsiębiorstwach użyteczności publicznej. W tabeli 4-1 przed-stawiono podsumowanie omawianych zagadnień [18].

Ilustracja 4-7. Światowa produkcja wodoru

4.6 Produkcja i sprzedaż wodoru na świecie

Według Departamentu Energii USA, około 48% wodoru produkuje się z gazu ziemnego, 30% z ropy naftowej i 18% z węgla kamiennego. Pozostałe 4% wytwarzane jest w procesie elektrolizy wody. W Stanach Zjednoczonych 95% wodoru produkuje się z gazu ziemnego. Ilustracja 4-7 przedstawia światową produkcję wodoru.

48%

30%

4%

18%


Wodór dzięki swoim właściwościom ma ogromną przyszłość. Z powodu wzrostu cen surowców nieod-nawialnych np. gazu ziemnego, proces otrzymywania wodoru, przy użyciu elektrolizerów, może stać się konkurencyjny i opłacalny. Jeżeli wodór będzie głównym paliwem wykorzystywanym w transporcie (co spowoduje znaczny wzrost produkcji wodoru), ze względów związanych z ochroną środowiska, bę-dzie można go produkować tylko z surowców odnawialnych. Wodór otrzymywany w trakcie elektrolizy, w porównaniu z ropa naftową, jest paliwem stabilniejszym, niezależnym od dostaw surowców z innych krajów.

4.7 Możliwości uzupełnienia energii związanej z wykorzystaniem elektrolizy

Włączenie elektrolizerów w systemy energii odnawialnej stwarza wyjątkowe możliwości. Rozwiązania technologiczne związane z energią odnawialną można włączyć do sieci energetycznej przy użyciu urzą-dzeń energoelektronicznych. Urządzenia elektroniczne pozwalają na transformacje prądu zmiennego (AC) na prąd stały (DC), niezbędny do przeprowadzenia elektrolizy. Jako dodatkowe źródło energii można wykorzystać systemy ogniw fotowoltaicznych oraz turbiny wiatrowe. W wielu rozwiązaniach technologicznych produkujących wodór w procesie elektrolizy, wykorzystuje się turbiny wiatrowe jako źródło prądu.

Wiele badań i projektów rozwojowych na całym świecie prowadzi się w celu znalezienia optymalnych rozwiązań związanych z produkcją wodoru, przy wykorzystaniu energii słonecznej, wiatrowej i kon-wencjonalnej. W rozwiązaniach tych wodór jest produkowany w procesie elektrolizy i przechowywany w formie sprężonej. Następnie, w momencie wyższego zapotrzebowania na energię, używany jest do wspomagania sieci energetycznej. Badania naukowe poszukują rozwiązań integracji alternatywnych systemów energii odnawialnej okresowo produkowanej przez ogniwa słoneczne i turbiny wiatrowe. Wyprodukowanie, przy użyciu energii odnawialnej, wodoru pozwoli w momencie wysokiego zapotrze-bowania na energię, na wyprodukowanie z wodoru, przy użyciu ogniw paliwowych, energii elektrycznej. Prowadzone są również badania związane z wykorzystaniem wodoru jako paliwa do napędzania po-jazdów. Istnieje także wiele projektów związanych z pracą elektrolizerów. Bada się ich zdolność do szybkiego włączania i wyłączania, możliwości przetworzenia AC-DC oraz DC-DC, przy wykorzystaniu paneli słonecznych i turbin wiatrowych, w celu zwiększenia ich wydajności. Ilustracja 4-8 przedstawia schemat jednego z projektów związanych z omawianymi zagadnieniami, prowadzonego przez National Renewable Energy Laboratory (NREL) and Xcel Energy.

Wykorzystanie elektrolizy może wyeliminować problem przerw w dostarczaniu energii z odnawialnych źródeł energii. Wyprodukowany wodór może być gromadzony i przechowywany, a później wykorzystany – co może poprawić współczynnik wydajności systemów energii odnawialnej. Rozwiązania te pozwolą na stałą produkcję prądu lub uzupełnianie produkcji przy zwiększonym zapotrzebowaniu na energię.

Zastosowanie wodoru

Produkty

Przemysł chemiczny produkcja amoniaku i nawozów, synteza metanolu

Paliwa rafinacja ropy naftowej, paliwo rakietowe, ogniwa paliwowe

Elektronika produkcja polisilikonów, światłowodów

Metale wyżarzanie materiału, obróbka cieplna

Tabela 4-1. Zastosowanie wodoru

Ro

zdzi

ał 4


Produkcję wodoru i wytwarzanie z niego prądu elektrycznego można optymalizować poprzez stosowanie odpowiednich systemów przechowywania wodoru. Oba systemy wiatrowe i słoneczne mogą korzystać z uzupełniania energii pochodzącej z wodoru. Niektóre badania wykazały, iż cena energii wytworzo-na z zoptymalizowanych technologii opartych na wykorzystaniu wodoru jest niższa, niż cena energii wyprodukowanej konwencjonalnie.

Ilustracja 4-8. Schematyczny diagram projektu Xcel-NREL

Systemy odnawialnej energii stosowane w energetyce wykorzystują elektrolizę jako sposób magazyno-wania energii słonecznej i wiatrowej. Elektrolizer może, także na miejscu, produkować w elektrowniach wodór wykorzystywany do chłodzenia generatorów produkujących prąd o dużej mocy.

W przyszłości wodór będzie wykorzystywany jako paliwo napędzające różne pojazdy. Całe zapotrze-bowanie na paliwo może być zaspokojone wodorem produkowanym z alternatywnych źródeł energii. Zwiększyłoby to niezależność energetyczną większości krajów na świecie oraz zredukowało duże ilości dwutlenku węgla i innych zanieczyszczeń emitowanych do środowiska. Istnieje więc wiele przesłanek pokazujących, iż wodór należy produkować z energii wiatrowej i słonecznej.

4.8 Podsumowanie

W procesie elektrolizy przy użyciu prądu stałego następuje rozkład wody na wodór i tlen. Produkowany wodór jest bardzo czysty (>99,999 %), a w trakcie produkcji nie zanieczyszcza się środowiska, gdyż wykorzystuje się energię pochodzącą ze źródeł odnawialnych. Gdy jest to potrzebne, wodór można wyprodukować i od razu go zużyć. Eliminuje to problemy z przechowywaniem wodoru. Elektroliza jest idealną metodą wytwarzania wodoru wykorzystywanego w ogniwach paliwowych. Jeżeli system jest odpowiednio zaprojektowany może być o wiele tańszy niż systemy wykorzystujące sprężony wodór w butlach. Zaletą elektrolizerów jest to, że mogą być stosowane w stacjonarnych i przenośnych systemach energetycznych lub w przenośnych generatorach wodoru. Elektrolizery są także dobrym uzupełnieniem systemów produkujących prąd z energii słonecznej i wiatrowej, ponieważ wodór może być użyty do zasilania ogniw paliwowych w momencie przerw w pracy turbin wiatrowych i paneli słonecznych. W przyszłości, z punktu widzenia ekonomicznego, niezbędne jest włączenie elektrolizy i produkcji wodoru do systemów wykorzystujących zasoby energii słonecznej i wiatrowej.

Nadmiar mocy AC

Magistrala DC

Przetwornica dc-dc

Przetwornica dc-dc

Sieć energetyczna

Przełącznikprzesyłania

mocyZasadowy generator gazówTeledyneHM-100

Silnik zasilany

wodorem

W przyszłości stacje paliwsprzedające wodór

Kompresor wodorui magazyn wodoru 3500 PSI

Ogniwo PEM HOGEN40RE(PEM) 5 kW

Turbina wiatrowa100kW NorthemPower System

Przetwornica dc-dc

Turbina wiatrowaBergey 10kW

Rozdział 4 Elektrolizeryzs9elektronik.pl/inne/karolina/podr_4_elektrolizery.pdf · 2017-10-25 ·...

Documents

Transcript of Rozdział 4 Elektrolizeryzs9elektronik.pl/inne/karolina/podr_4_elektrolizery.pdf · 2017-10-25 ·...