Hidrogjeni është produkti bazë i shumicës së proceseve PtX. Në hapat e mëpasshëm, hidrogjeni mund të shndërrohet në produkte të ndryshme PtX, të tilla si lëndë djegëse ose kimikate. Sot do të shpjegojmë se qfarë është elektroliza e ujit, për qfarë përdoret elektroliza e ujit dhe si funksionon ajo.
Aktualisht, 95% e prodhimit global të hidrogjenit bazohet në materiale fosile, të cilat shkaktojnë emetime të konsiderueshme të CO2 (dioksid karboni). Megjithatë, hidrogjeni mund të prodhohet edhe nëpërmjet elektrolizës pa pasoja negative mjedisore. Procesi i ndarjes së ujit në hidrogjen dhe oksigjen me ndihmën e energjisë elektrike është përdorur që nga fillimi i shekullit të 19-të.
Një parakusht i rëndësishëm për elektrolizën e hidrogjenit është që burimet e ujit dhe të energjisë elektrike të mos bien ndesh me standardet e qëndrueshmërisë. Energjia elektrike duhet të vijë 100% nga energjitë e rinovueshme për të garantuar prodhimin e hidrogjenit pa CO2. Duhet të sigurohet gjithashtu furnizim i qëndrueshëm me ujë: Inputi i ujit nuk duhet të konkurrojë me proceset vendimtare si furnizimi me ujë të pijshëm lokal ose ujitja bujqësore.
Si funksionon elektroliza?
Parimi themelor i elektrolizës është ndarja e ujit në oksigjen dhe hidrogjen me ndihmën e energjisë elektrike. Ndarja ndodh në dy reaksione të pjesshme që ndodhin në dy elektroda – katodë (-) dhe anodë (+) – në qelizën e elektrolizës. Në praktikë, elektrolizuesit përbëhen nga disa qeliza elektrolize të ndërlidhura, të quajtura gjithashtu pirgje. Kur aplikohet tension, hidrogjeni prodhohet në katodë dhe oksigjeni në anodë.
Midis dy reaksioneve të pjesshme, barazimi i ngarkesës ndodh në formën e përcjelljes së joneve nëpërmjet një elektroliti (i cili është një substancë përçuese elektrike). Përveç kësaj, nevojitet një membranë për të ndarë në hapësirë të dy reaksionet dhe për të parandaluar përzierjen e gazrave të produktit. Si ngarkesa e joneve ashtu edhe lloji i elektrolitit ndryshojnë në teknologjitë e ndryshme të elektrolizës.
Sot, mund të bëhet një dallim themelor midis elektrolizës alkaline (AEL), elektrolizës së membranës së shkëmbimit të protonit (PEM) dhe elektrolizës së oksidit të ngurtë (SOEL). Elektroliza AEL dhe PEM funksionojnë në intervalin e temperaturës së ulët dhe SOEL në intervalin e temperaturës së lartë.
Si funksionon elektroliza e ujit?
Në përgjithësi, një zgjidhje ujore e potasës kaustike ose sode përdoret si elektrolit për elektrolizën e ujit. Në përqendrime të barabarta, përçueshmëria e tretësirës së potasës kaustike është më e lartë se ajo e tretësirës së sodës kaustike. Tretshmëria e dioksidit të karbonit, i cili ndot elektrolitin dhe ul përçueshmërinë e tij, është më i ulët në tretësirën e potasës kaustike sesa në tretësirën e sodës kaustike dhe ulja e përçueshmërisë duke thithur të njëjtën sasi të dioksidit të karbonit është gjithashtu më e vogël në të parën.
Kur një sasi e madhe e dioksidit të karbonit absorbohet në elektrolite, megjithatë, karbonatet precipitojnë në mënyrë që elektroliti i qelizës së tipit të hapur nevojitet për t’u shkëmbyer herë pas here, gjë që detyron tretësirën më të lirë të sodës kaustike të përdoret si elektrolit, ndërsa në qelizat e mbyllura, Ngarkesa origjinale e elektrolitit normalisht mund të përdoret për më shumë se dhjetë vjet. Por, tretësira e elektrolitit zbrazet gradualisht për shkak të futjes në gazrat e evoluar dhe shtimi i 3-5% alkali kaustik bëhet i nevojshëm çdo vit.
Përçueshmëria më e lartë vërehet në fuqinë e rreth 28% të potasës kaustike dhe rreth 20% të sodës kaustike në temperaturën e punës, përkatësisht. Prandaj, zakonisht si elektrolit përdoret një përqendrim prej 25 − 28% e potasës kaustike ose 15 − 20% e sodës kaustike.
Këto elektrolite dëshirohen të kenë pastërti të lartë. Kloridet dhe sulfatet duhet të përjashtohen plotësisht për shkak të veprimit të tyre gërryes në elektroda, veçanërisht në anodat.
Megjithëse përçueshmëria e elektrolitit dhe efikasiteti energjetik i elektrolizës së ujit rritet me rritjen e temperaturës, qelizat e sotme të elektrolizës së ujit zakonisht operohen në 60 – 80 °C për qelizën kaustike të potasës dhe në 50 – 70 °C për sodën kaustike. qelizë, përkatësisht, në mënyrë që të zvogëlohet konsumi i materialeve elektrolizer.
Meqenëse uji elektrolizohet, duhet të furnizohet me ujë kozmetikë. Çdo papastërti jo e avullueshme e pranishme në ujin e shtuar mbetet si ndotës në tretësirën alkaline dhe për të ruajtur karakteristikat e funksionimit të qelizës së elektrolizës, kërkohet të shtohet ujë me pastërti të lartë. Prandaj, impiantet e pastrimit të ujit me cilësi të lartë janë të nevojshme.
Elektroliza alkaline (AEL)
Elektroliza alkaline (AEL) punon me një elektrolit të lëngshëm në formën e hidroksidit të kaliumit. Elektrodat janë prej metali. Midis dy elektrodave është një diafragmë që nuk është e përshkueshme nga hidrogjeni dhe oksigjeni.
AEL arrin eficencë rreth 70% dhe pritet rreth 80% në terma afatgjatë. AEL është procesi më i gjatë i provuar pasi është vendosur në një shkallë të gjerë që nga viti 1927, ka kosto më të ulëta investimi, jetëgjatësi më të madhe se dy teknologjitë e tjera dhe aktualisht arrin prodhimet nominale më të larta (>100 MW) duke mos pasur nevojë për lëndë të para kritike.
Megjithatë, AEL-të nuk janë aq të fortë sa elektrolizuesit PEM. Ata janë më të ndjeshëm ndaj papastërtive në gazin e produktit pasi gazrat e tretur në elektrolit mbeten në cikël. Përveç kësaj, AEL-i ka një kohë të gjatë fillimi të ftohtë prej 50 minutash.
Elektroliza e Membranës së Shkëmbimit të Protonit (PEM).
Prezantimi i elektrolizës PEM filloi në vitet 1960, gjë që e bën atë një teknologji mjaft të re në krahasim me AEL. Megjithatë, ai tashmë është i disponueshëm në një shkallë industriale dhe mund të arrihen prodhime nominale mbi 10 MW.
Elektroliza PEM funksionon në një mjedis acid. Prandaj, metalet e çmuara si iridiumi ose platini duhet të përdoren për të mbrojtur elektrodat nga korrozioni. Për më tepër, përdoret një membranë plastike rezistente ndaj gazit dhe proton-përçuese, e cila mundëson arritjen e një pastërtie më të lartë se sa me teknologjitë e tjera.
Për shkak të vetive të mira dinamike, elektroliza PEM është më e përshtatshme për funksionimin me energji elektrike të luhatshme nga burime të rinovueshme. Një faktor i rëndësishëm është gradienti i ngarkesës, që nënkupton vetinë e rritjes ose uljes së përthithjes së ngarkesës. Kjo është më e larta me elektrolizerët PEM. Për më tepër, koha e fillimit të ftohtë është vetëm rreth 15 minuta.
Karakteristikat kryesore të procesit
Elektroliza e ujit PEM është teknologjia e dytë më e pjekur e elektrolizës së ujit në treg. Qelizat e elektrolizës së ujit PEM përmbajnë një membranë polimer të hollë (~ 150–220 μm të trashë) që përcjell proton.
Përparësitë kryesore janë këto: (i) pa elektrolit të lëngshëm, pa rrjedhje elektrolite dhe probleme të reduktuara të korrozionit; (ii) kompaktësi e lartë; mundësia për të operuar qelizat me dendësi të rrymës së ngritur prej disa A/cm2; (iii) shumë fleksibël (nisje e ftohtë dhe e nxehtë) dhe reaktive (e aftë për ndryshime të shpejta të pikës së caktuar të fuqisë) për funksionimin me burime të rinovueshme të energjisë; (iv) mundësia për të punuar nën presion (deri në 200 bar) dhe nën një diferencë presioni, nëse kërkohet.
Elektroliza e oksidit të ngurtë (SOEL)
Në SOEL, dy elektroda ndahen nga një oksid i ngurtë që përcjell jonet e oksigjenit. Karakteristikë e veçantë e SOEL-it është se funksionon në temperatura deri në 1000°C. Përdoret avulli i ujit i mbinxehur. Me një burim të jashtëm nxehtësie, siç është nxehtësia e mbeturinave industriale, nivelet më të larta të efikasitetit (rreth 80%) mund të arrihen me SOEL.
Megjithatë, tensionet e larta termike rezultojnë në strese të larta materiale. SOEL është gjithashtu i përshtatshëm për bashkë-elektrolizë. Prandaj, një gaz sintezë mund të prodhohet drejtpërdrejt, i cili më pas mund të përpunohet më tej në procesin Fischer-Tropsch.
Duke marrë parasysh që procesi Fischer-Tropsch mund të jetë një proces i rëndësishëm brenda PtX, bashkë-elektroliza është veçanërisht e dobishme. Ko-elektroliza kërkon një përzierje të ujit dhe CO2 si hyrje, e cila futet në katodë. Gazi i sintezës që rezulton është një përzierje e hidrogjenit dhe monoksidit të karbonit.
Elektroliza e oksidit te ngurte aktualisht është ende në fazën e zhvillimit. Prandaj, ai përfshin shpenzimet kapitale më të larta dhe prodhimin nominal më të vogël (150 kW) në krahasim me AEL dhe PEM. Përveç kësaj, ka kohë shumë të gjata fillimi të ftohta prej disa orësh.
Peshimi i opsioneve për elektrolizë të ujit
Të gjitha teknologjitë e elektrolizës kanë avantazhet dhe disavantazhet e tyre. Prandaj, kërkesat specifike të projektit duhet të merren parasysh gjatë zgjedhjes së teknologjisë.
AEL është teknologjia më e vendosur që arrin prodhimin nominal më të lartë. Megjithatë, për përdorimin e energjive të rinovueshme të luhatshme, elektroliza PEM është më e përshtatshme për shkak të vetive të saj fleksibël dhe dinamike.
Por sidomos në planin afatgjatë nuk duhet neglizhuar potenciali i madh i SOEL-it. Kostot e investimit do të vazhdojnë të bien. Veçanërisht fakti që një gaz sintetik mund të prodhohet drejtpërdrejt për aplikime të mëtejshme Fischer-Tropsch e bën atë shumë interesant për procesin PtX.
Për më tepër, duhet të konsiderohet se hulumtimi për elektrolizën është në vazhdim. Jo vetëm në lidhje me përmirësimin e teknologjive të paraqitura, por edhe me teknologjitë e reja. Një shembull i një teknologjie të mëtejshme është elektroliza e membranës së shkëmbimit të anionit (AEM), e cila mund të bëhet një opsion premtues në të ardhmen.
Hidrogjeni
Elektroliza e ujit mbështetet në aplikimin e një rryme elektrike përmes një anode dhe katode të futura në elektrolit për të siguruar energjinë e nevojshme për të thyer lidhjen e hidrogjenit dhe oksigjenit. Ndërsa baza mbetet e njëjtë, metoda të ndryshme të elektrolizës duke përfshirë elektrolizuesin e membranës së elektrolitit polimer, elektrolizuesin alkalik dhe elektrolizuesin e oksidit të ngurtë mund të përdoren për prodhimin e hidrogjenit. Këto metoda janë kryesisht të ndryshme bazuar në metodën e transportit të joneve ose llojin e elektrolitit të adoptuar. Aktualisht, elektroliza është rreth 80% efikase, krahasuar me reformimin me avull, i cili është 65% efikas.
Elektroliza e ujit është procesi ku uji ndahet në hidrogjen dhe oksigjen përmes aplikimit të energjisë elektrike, si në barazimin. Energjia totale që nevojitet për elektrolizën e ujit rritet lehtë me temperaturën, ndërsa energjia elektrike e nevojshme zvogëlohet. Prandaj, një proces HTE mund të jetë i preferueshëm kur nxehtësia me temperaturë të lartë është e disponueshme si nxehtësi e mbetur nga proceset e tjera. Kjo është veçanërisht e rëndësishme globalisht, pasi pjesa më e madhe e energjisë elektrike të prodhuar bazohet në burime të energjisë fosile me efikasitet relativisht të ulët.
Qelizat e elektrolizës së ujit që përdorin katoda metalike të zbrazëta ofrojnë avantazhin e rritjes së sasisë së hidrogjenit ultra të pastër të prodhuar në raport me totalin. Vëmendje e veçantë i është kushtuar përdorimit të tubave depërtues Pd-Ag me mur të hollë dhe projektimit, prodhimit dhe testimit të qelizave prototip. Parimet e depërtimit të gazit dhe elektrolizës së ujit janë prezantuar për të modeluar sjelljen e këtyre elektrolizuesve. Analiza Damk ö hler – Péclet është përdorur gjithashtu për të përshkruar ndikimin e parametrave kryesorë, siç janë efektet e mbipotencialit dhe energjia e aktivizimit të depërtimit në rendimentin e përshkimit të qelizës elektrolitike.
Aplikimet kryesore kanë të bëjnë me prodhimin e hidrogjenit ultra të pastër për elektrolizuesit laboratorikë dhe në shkallë të vogël dhe përpunimin e ujit të tritiuar. Studimet e fundit në qelizat e elektrolizës alkaline duke përdorur tuba Pd-Ag me mur të hollë kanë demonstruar zbatueshmërinë e këtyre teknologjive për elektrolizuesit komercialë të hidrogjenit. Teste të tjera kanë verifikuar përdorimin e këtyre qelizave të zbrazëta katodë për rikuperimin e tritiumit nga uji i tritiuar në ciklin e karburantit të reaktorëve të ardhshëm të shkrirjes.
Koncepti i përgjithshëm
Elektroliza e ujit është një proces elektrokimik në të cilin energjia elektrike përdoret për të ndarë ujin në dy gaze, hidrogjen dhe oksigjen.
Tre teknologji kryesore mund të dallohen sipas elektrolitit të përdorur në qelizën e elektrolizës:
- elektrolizë alkaline, me një elektrolit të lëngët;
- elektroliza e membranës së elektrolitit polimer (PEM), me një elektrolit jonomer acid – shpesh quhet elektrolizë e polimerit të ngurtë (SPE);
- elektrolizë me avull në temperaturë të lartë (HT), me një elektrolit të ngurtë oksidi.
Teknologjitë e Elektrolizës së Ujit
Elektroliza e ujit është një teknologji e konsoliduar mirë që është përdorur për gati një shekull për aplikime të ndryshme në industri (industria ushqimore, termocentrale, metalurgji, etj.). Në ditët e sotme, ai konsiderohet gjithashtu si një proces kyç që mund të përdoret për prodhimin e hidrogjenit me pastërti të lartë nga uji dhe burimet e rinovueshme të energjisë.
Pritet që në të ardhmen e afërt, elektrolizuesit e ujit do të zënë një vend gjithnjë e më të spikatur për prodhimin e decentralizuar të hidrogjenit, për shembull, në stacionet e karburantit me hidrogjen. Kështu, përkundër historisë së saj të gjatë industriale, ky është ende fokusi i disa programeve dhe investimeve ambicioze K&Zh në mbarë botën.
Ekzistojnë teknologji të ndryshme të elektrolizës së ujit. Dallimi midis tyre vjen nga temperatura e funksionimit dhe pH e elektrolitit. Procesi alkalik është më i vjetri dhe më i pjekuri. Por elektroliza e ujit SPE ka bërë përparime shumë domethënëse gjatë viteve të fundit. Për shkak të potencialit të saj të madh për përmirësim të mëtejshëm, pritet të luajë një rol të rëndësishëm në funksion të të ashtuquajturës ekonomi hidrogjeni dhe prodhimit të madh të hidrogjenit të shkallës elektrolitike nga burimet e rinovueshme të energjisë.
Procesi i elektrolizës së ujit në temperaturë të lartë është ndoshta më efikas. Megjithatë, ajo përballet me sfida kritike (veçanërisht në shkencën materiale). Sfida të tilla do të duhet të kapërcehen përpara se të merret në konsideratë çdo aplikim tregu.
Teknologjia e prodhimit të hidrogjenit me elektrolizë uji
Teknologjia e elektrolizës së ujit është relativisht e vjeter dhe pajisja është e plotë dhe sistematike. Prodhimi i hidrogjenit nga elektroliza e ujit përbën rreth 4% të prodhimit total të hidrogjenit (Mazloomi dhe Gomes, 2012). Ekzistojnë tre lloje kryesore të elektrolizuesve në teknologjinë e procesit të prodhimit të hidrogjenit me elektrolizë: qelizat elektrolitike alkaline, qelizat elektrolitike polimer dhe qelizat elektrolitike të oksidit të ngurtë.
Midis tyre, qelizat elektrolitike alkaline janë teknologjitë më të hershme të qelizave elektrolitike të disponueshme në treg. Efikasiteti është i ulët (70% ~ 80%), por ende përdoret gjerësisht në prodhimin e hidrogjenit në shkallë të gjerë për shkak të funksionimit të tij të lehtë dhe çmimit të ulët. Në procesin e prodhimit të hidrogjenit nga elektroliza e ujit, nevojitet një sasi e madhe e energjisë elektrike.
Për shkak se energjia elektrike është një burim energjie dytësore, ekonomia e prodhimit të hidrogjenit nga kjo teknologji është e dobët dhe aplikimi i saj në shkallë të gjerë është gjithashtu i kufizuar në një masë të caktuar.
Historia e Elektrolizës së Ujit
Elektroliza e ujit u demonstrua për herë të parë në 1789 nga tregtarët holandezë Jan Rudolph Deiman dhe Adriaan Paets van Troostwijk duke përdorur një gjenerator elektrostatik për të prodhuar një shkarkesë elektrostatike midis dy elektrodave ari të zhytura në ujë. Zhvillimet e mëvonshme nga Johann Wilhelm Ritter shfrytëzuan teknologjinë e baterive të Volta dhe lejuan ndarjen e gazrave të produktit.
Pothuajse një shekull më vonë, në 1888 një metodë e sintezës industriale të hidrogjenit dhe oksigjenit nëpërmjet elektrolizës u zhvillua nga inxhinieri rus Dmitry Lachinov dhe deri në vitin 1902 më shumë se 400 elektrolizues industrialë të ujit ishin në funksion. Elektrolizatorët e hershëm përdorën solucione ujore alkaline si elektrolite të tyre, dhe kjo teknologji vazhdon edhe sot e kësaj dite.
Një zhvillim më i fundit në elektrolizën e ujit është procesi i membranës së shkëmbimit të protoneve, i përshkruar fillimisht në mesin e viteve 1960 nga General Electric si një metodë për prodhimin e energjisë elektrike për Programin Hapësinor Gemini, dhe më vonë u përshtat për elektrolizë. Sot një numër kompanish janë aktive në prodhimin dhe zhvillimin e teknologjive të elektrolizës me Proton, Hydrogenics, Giner dhe ITM Power që janë liderë në këtë fushë.
