Электролизер водорода: Основная информация об электролизерах: что это такое, как они работают и какую роль играют в зеленой экономике

Содержание

Основная информация об электролизерах: что это такое, как они работают и какую роль играют в зеленой экономике

Компания Cummins ожидает, что в будущем на энергетическом рынке произойдет сдвиг. Вследствие этой перемены возникают новые возможности и перспективы для более широкого спектра нашей продукции, а не только для традиционных продуктов. Для более оптимальной службы своим клиентам и планете компания Cummins создает новые экологически устойчивые формы энергии и обеспечивает портфолио продукции подразделения New Power широким спектром новых возможностей, предоставляя способ производства экологически чистого водорода для снабжения топливных элементом, работы над промышленными процессами или производства таких «зеленых» химических средств, как удобрения, возобновляемый природный газ и метанол.

Cummins предлагает разнообразные технологии на основе водорода, включая электролизные системы, а недавно компания объявила о том, что предоставит свой электролизер мощностью 5 мегаватт с PEM для преобразования избыточного гидроэлектричества в экологически чистый водород для района коммунального обслуживания округа Дуглас в штате Вашингтон (США). Но что именно представляет собой электролизер, как он работает и какую роль играет в зеленой экономике?

Что такое электролизер и как он работает?

Электролизер — это система, использующая электричество для разделения воды на водород и кислород при помощи процесса, называющегося электролизом. Электролитическая система создает водородный газ при помощи процесса электролиза. Избыточный кислород высвобождается в атмосферу, но его также можно захватывать или хранить для снабжения других промышленных процессов, а в некоторых случаях даже для медицинских газов.

Водородный газ можно хранить как в виде сжатого газа, так и в жидком виде, а поскольку водород является энергоносителем, его можно использовать для энергоснабжения любой сферы применения, в которой необходимо электричество водородных топливных элементах, будь то поезда, автобусы, грузовики или центры обработки данных.

Самый базовый вид электролизеров имеет катод (отрицательный заряд), анод (положительный заряд) и мембрану. Полная система также имеет насосы, вентиляционные отверстия, топливные баки, источник электропитания, сепаратор и другие компоненты. Электролиз воды является электрохимической реакцией, происходящей внутри пакета элементов. Электричество поступает в анод и катод по всей протонообменной мембране (PEM) и заставляет воду (h30) разделяться на ее составные молекулы, то есть водород (h3) и кислород (O2).

Существуют ли разные виды электролизеров?

Да, они отличаются по размеру и принципу работы. Эти электролизеры можно масштабировать для соответствия различным входным и выходным диапазонам, что позволит им подходить по размеру как для небольших промышленных объектов, установленных в грузовом контейнере, так и для крупных централизованных промышленных предприятий, которые могут поставлять водород в грузовиках или быть подсоединенными к трубопроводам.

Существует три основных типа электролобов: протонная биржевая мембрана («ПЕГ»), щелочная и прочная оксидов. Принцип работы этих разных электролизеров слегка отличается в зависимости от используемого электролитного материала. Электролизеры с щелочной технологией и электролизеры с PEM могут производить водород на рабочем месте и по требованию, сжатый водород без компрессора, а также чистый на 99,999 %, сухой и безуглеродный водород.

Различия между тремя основными видами электролизеров включают:

Электролизеры с щелочной технологией

  • Используют жидкий раствор электролита, такой как гидроксид калия (KOH) или гидроксид натрия (NAOH), и воду.
  • Водород производится в «ячейке», состоящей из анода, катода и мембраны. Ячейки обычно собраны в ряд в «пакете ячеек», который производит больше водорода и кислорода при большем количестве ячеек.
  • После подачи напряжения на пакет ячеек гидроксид-ионы (OH-) проходят через электролит из катода в анод каждой ячейки, а на стороне электролизера, где расположен катод, появляются пузырьки водородного газа, на стороне анода — кислородный газ, как показано здесь.

 

Электролизеры с протонообменной мембраной (PEM)

  • Электролизеры с PEM используют протонообменную мембрану, в которой используется твёрдый полимерный электролит.
  • После подачи напряжения на пакет ячеек вода разделяется на водород и кислород, а протоны водорода проходят через мембрану для образования газа h3 на стороне катода.

 

 

 

 

Электролизеры с твердооксидными элементами (SOEC)

  • Они используют твердый керамический материал в качестве электролита
  • Электроны из внешней цепи сочетаются с водой в катоде для образования водородного газа и ионов с отрицательным зарядом. Затем кислород проходит через твердую керамическую мембрану и вступает в реакцию на стороне анода для образования кислородного газа и производства электронов для внешней цепи
  • SOEC работают при намного более высокой температуре (выше 500 градусов C), чем электролизеры с щелочной технологией или электролизеры с PEM (до 80градусов C), и у них есть потенциальная возможность стать намного более эффективными, чем варианты с PEM и щелочной технологией.

 

Как коммерциализируются электролизеры на основе производства водорода?

Существует четыре основных способа коммерциализации электролизеров:

  1. Энергия для мобильности: водород можно использовать в качестве топлива на заправочных станциях для таких электрических транспортных средств на топливных элементах, как автобусы, поезда и автомобили.
  2. Энергия для топлива: можно использовать в очистительных заводах для удаления серы из ископаемых видов топлива.
  3. Энергия для промышленности: можно использовать непосредственно в качестве промышленного газа для сталелитейной промышленности, заводов по производству листового стекла, сферы полупроводников и т. п. Его также можно вводить непосредственно в трубопроводы природного газа для более низкоуглеродного отопления и других сфер применения природного газа.
  4. Энергия для газа: можно использовать при производстве «зеленых» химических средств, таких как метанол, удобрения (аммиак) и любых других жидких видов топлива, включая реактивное топливо!

В чем заключается уникальность водородных топливных элементов?

Водород, который производится при помощи электролизера, идеально подходит для использования в водородных топливных элементах. Топливные элементы, во многом работающие как аккумуляторы, не изнашиваются и не требуют зарядки, а производят электричество и тепло пока у них есть топливо. Вы можете больше узнать об аккумуляторах и топливных элементах здесь. Топливные элементы используют водород для выработки электричества с нулевым уровнем выбросов в точке использования. Это значит, что можно больше не использовать ископаемые виды топлива, а из выхлопной трубы больше не будут исходить вредные выбросы.

Более того, когда электролитическая система снабжается энергией из возобновляемого источника, например гидроэнергией из дамб на реке Колумбия, производимый водород считается возобновляемым и не содержащим CO2 в ходе полного цикла своего производства. Узнайте больше о выбросах в ходе полного цикла производства водорода для полностью электрической техники и техники на топливных элементах.

Почему водород считается настолько хорошим вариантом для экологически чистой энергии?

Водород позволяет создать массовые рыночные изменения в сфере энергетики. Энергетические системы по всему миру проходят через основательные преобразования с целью сосредоточения внимания на более низком уровне выбросов и менее отрицательном влиянии на окружающую среду.

Такие возобновляемые технологии, как ветряная и солнечная энергетика, играют ключевую роль в обеспечении решения для уменьшения негативных последствий изменения климата и декарбонизации сектора энергетики. Но интеграция этих неустойчивых источников энергии в энергосеть может оказаться сложной задачей.

Водород может выступать в качестве среды хранения энергии для разрешения этих трудностей энергосетей, что позволит с большей легкостью использовать возобновляемую энергию вне энергосети. Водород является надежным способом эффективного хранения и транспортировки возобновляемого электричества на протяжении долгих периодов времени. Благодаря этому вырабатываемое при помощи ветра или солнца электричество, которое не используется сразу, можно использовать в другое время или в другом месте. Потенциал водорода в сфере хранения и транспортировки энергии позволяет ему играть ключевую роль в глобальном процессе перехода на возобновляемую энергию.

Что Cummins делает с электролизерами?

Компания Cummins эффектно присоединилась к водородной экономике в сентябре 2019 г. после приобретения компании Hydrogenics, являющейся глобальным производителем водородных топливных элементов и электролизной технологии. Cummins продолжает быстро прогрессировать в вопросах инноваций для новых продуктов и сфер применения в водородной отрасли. На данный момент Cummins предлагает два разных вида электролизеров:

  1. Электролизер HyLYZER® с твердоэлектролитной мембраной (PEM) использует твердый полимер с ионной проводимостью и больше всего подходит для крупномасштабного производства водорода.
  2. Электролизер HySTAT® с щелочной технологией использует жидкий электролит и хорошо подходит для маломасштабного и среднемасштабного производства водорода.

Cummins с гордостью занимает ведущую позицию в сфере новых водородных технологий. Используя столетний опыт работы со множеством источников питания и трансмиссий, мы работаем вместе с клиентами, чтобы предоставить правильное решение правильному клиенту в правильное время. Выбор типа энергии ложиться на вас, вне зависимости получается ли она из аккумулятора, дизеля, природного газа или топливных элементов.

 

Поразительно электролизер водорода — Alibaba.com

Просмотрите сайт Alibaba.com и откройте для себя большой выбор выдающихся. электролизер водорода с привлекательными предложениями. Когда вы загружены соответствующим. электролизер водорода, ваши процессы производства газа будут высокоэффективными. Это поможет вам достичь ваших целей как дома, так и на работе. С огромной коллекцией. электролизер водорода, вы всегда найдете наиболее логичный и практичный вариант, соответствующий вашим конкретным потребностям.

Все. электролизер водорода, доступные на Alibaba.com, могут похвастаться прочными материалами и новаторскими стилями, которые обеспечивают максимальную производительность и долговечность. Эти. электролизер водорода исключительно устойчивы к экстремальным температурам, что гарантирует вам максимальную производительность в различных условиях. Файл. электролизер водорода также характеризуются удивительными механизмами контроля давления, которые позволяют генерировать желаемое количество газа. Соответственно, вы всегда будете получать ожидаемые результаты, поскольку они демонстрируют свою номинальную эффективность.

Эти. электролизер водорода, предлагая невероятную эффективность, потребляют мало энергии. По этой причине они способствуют устойчивости и экономят на счетах за электроэнергию и топливо. Файл. электролизер водорода феноменально разработаны с точки зрения безопасности, чтобы гарантировать отсутствие утечки. Простота установки и обслуживания. электролизер водорода, особенно с готовой профессиональной поддержкой, делает их идеальными для многих людей и предприятий.

Если вы хотите сэкономить время и деньги, а также В то же время, когда вы делаете покупки в Интернете, покупайте высококачественные товары, и Alibaba.com — это то, что вам нужно. Изучите широкий спектр. электролизер водорода предлагает и соглашается на наиболее удобное для вас. Пусть ваши деньги принесут вам максимальную отдачу от ваших инвестиций.

Промышленные водородные электролизеры | ЭкоГазСистем

В «Блоке электролиза» вода под действием постоянного электрического тока распадается в электролизере на составляющие ее водород и кислород. Деионизованная вода практически не проводит электрический ток. Поэтому для придания воде проводящих свойств в неё добавляют гидроксид калия (KOH). То есть в электролизере циркулирует не чистая вода, а электролит в виде 30%-го раствора KOH в воде. Выделяющиеся газы (водород и кислород) далее идут по отдельным трактам. Далее рассматривается водородный тракт, кислородный тракт аналогичен водородному.

Водород из электролизера поступает в «Блок сепарации» в виде смеси с электролитом. Для выделения водорода от жидкости служит газожидкостный сепаратор. Сепаратор представляет собой сосуд, в который снизу подаётся электролит. Пузырьки газа выделяются из электролита, газ собирается в верхней части сосуда и уходит в трубопровод. Электролит сливается из сосуда и возвращается в блок электролиза по отдельному трубопроводу (на схеме не показан).

Водород на этом этапе содержит примеси щелочи. Для очистки от щелочи служит скруббер (промыватель). Промыватель – это сосуд, в который снизу подаётся газ, а сверху из разбрызгивателя подаётся деионизованная вода. Капли воды падают вниз, очищая (промывая) встречный поток газа от капель щелочи. В верхней части сосуда установлен коалесцентный фильтр (пакет из мелкой металлической сетки). Мельчайшие капельки щелочи (туман) конденсируются в этом пакете и стекают вниз. Таким образом водород практически полностью очищается от следов щелочи. Далее вода по отдельному трубопроводу (на схеме не показан) поступает в сепаратор, а оттуда – в блок электролиза.

На данном этапе водород насыщен водяным паром и имеет довольно высокую температуру (порядка 50°С. Для его удаления служит конденсатор. Конденсатор – это теплообменник, в котором газ охлаждается хладоносителем поступающим от «Рефрижератора». Рефрижератор может быть часть оборудования водородной станции, но возможен вариант, когда хладоноситель подаётся от внешней системы охлаждения. Водяной пар конденсируется в конденсаторе после чего отводится из системы с помощью конденсатоотводчика. Водород, полученный на этом этапе называется «сырой», так он все еще содержит примеси воды (точка росы не ниже +3°С) и кислорода (на уровне 0,1-0,5%). Для дальнейшей очистки водород подаётся в «Блок очистки». Заметим, что кислород, в случае, если он не нужен потребителю, на аналогичном этапе сбрасывается в атмосферу.

В «Блоке очистки» водород сначала поступает в реактор каталитической очистки. Реактор представляет собой сосуд, заполненный мелкими гранулами катализатора на основе благородных металлов (платина, палладий). В присутствии катализатора примеси кислорода активно реагируют с водородом, обращаясь в воду. Таким образом водород практически полностью очищается от кислорода (содержание кислорода порядка 1-5 ppmv). Далее водород подаётся в осушитель. Осушитель действует на принципе короткоцикловой адсорбции (КЦА). В нем два попеременно работающий сосуда-адсорбера, заполненных специальным поглотителем (адсорбентом). Адсорбент поглощает влагу из газа. Сосуды-адсорберы работают попеременно – один находится в рабочем цикле, другой – в цикле регенерации. Таким образом водород осушается до точки росы -75°С, после чего подаётся потребителю.

Замечание по терминологии. В отечественной традиции используется термин «установка по производству водорода». Наравне с этим используется термин «генератор водорода», который является калькой с английского языка. Под генератором водорода обычно понимают установку, в состав которой входят: электролизер, блок сепарации, блок очистки водорода. Термином «водородная станция» обычно обозначают здание или автономный блок-контейнер, в котором размещены генератор водорода и вспомогательные агрегаты, такие как блок водоподготовки, блок электропитания, система охлаждения и прочее.

Химики собрали дешевый электролизер на солнечных батареях

Микрофотография наностержней оксида кобальта

Liang et al / ACS Nano, 2020

Американские и китайские химики разработали новый солнечный электролизер — устройство для получения водорода из воды при помощи солнечной энергии. Ученые намеренно отказались от использования дорогостоящих материалов: в основе электролизера — катализаторы из наностержней оксида кобальта и перовскитный солнечный элемент, которые заключены в упаковочную пленку. Эффективность преобразования солнечной энергии в водород — 6,7 процента. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.

Один из главных недостатков солнечных элементов — прерывистый характер работы. Мощность, выдаваемая солнечной электростанцией, зависит от сезона, времени суток и погоды. Поэтому для эффективного использования солнечной энергетики нужно научиться запасать энергию в светлое время суток, чтобы затем использовать ее, например, ночью. 

Проблему можно решить совмещением двух технологий: фотовольтаики и электрокаталитического получения водорода. В таком устройстве электричество, которое выработала солнечная батарея, сразу же используется для выделения водорода из воды путем электролиза. Далее водород можно использовать для получения электричества в темное время суток, а также хранить и перевозить. 

Энергия в таком устройстве преобразуется дважды: сначала энергия падающих фотонов переходит в электрическую энергию, а затем — в энергию химических связей молекулы водорода. Потери происходят на обоих этапах, поэтому эффективность таких устройств пока не очень высока: лучшие показывают эффективность в 16–19 процентов.

Обычно такие устройства изготавливают из кремниевых солнечных элементов, а в качестве катализаторов используют металлы платиновой группы — платину, иридий и рутений — и их соединения. Все эти материалы достаточно дороги, что затрудняет дальнейшее масштабирование солнечно-водородных систем.

Химики под руководством Цзюнь Лоу (Jun Lou) из Университета Райса впервые разработали солнечный электролизер, в котором не используются дорогостоящие материалы: солнечный элемент сделан из свинцово-галогенидного перовскита CH3NH3PbI3, а катализатор для электролиза воды — из наностержней оксида кобальта.

Схема электролизера

Liang et al / ACS Nano, 2020

Перовскит выбрали еще и потому, что такие элементы демонстрируют более высокие значения напряжения холостого хода, чем кремниевые — в случае электролиза воды это преимущество очень важно. Наностержни оксида кобальта, в свою очередь, — это материал с большой удельной площадью поверхности, который наносят на электроды для улучшения эффективности электролиза. 

Наностержни синтезировали гидротермальным методом из раствора нитрата кобальта и мочевины, а затем дополнительно допировали фосфором: для этого их нагрели в печи вместе с гидрофосфатом натрия при 300 градусах Цельсия. Добавка фосфора улучшает электрокаталитическую активность стержней, позволяя проводить электролиз при более низких значениях потенциала.

Авторы намеренно отказались от использования дорогостоящих и редких материалов везде, где это было возможно. Например, в перовскитном солнечном элементе они заменили золотой катод на катод из угля, а также отказались от полимерного слоя между активным слоем и катодом. Этот слой изготавливают из полимера, который пропускает только дырки, но не пропускает электроны. Синтез подобных полимеров очень сложен, поэтому отказ от них делает устройство значительно дешевле.

Кроме того авторы впервые поместили перовскитный солнечный элемент непосредственно в раствор электролита. Это позволило снизить омические потери и добиться лучшей эффективности устройства. Вода для перовскитных солнечных элементов очень опасна — даже небольшие ее количества воды приводят к необратимой деградации таких устройств. Поэтому солнечный элемент нужно было надежно инкапсулировать — здесь авторы тоже не отступили от своих принципов и использовали коммерчески доступную упаковочную пленку Surlyn. Их эксперименты показали, что, нагрев такую пленку до 150 градусов Цельсия в течение нескольких секунд, можно получить полностью герметичное покрытие, которое надежно предохраняет солнечный элемент от влаги.

Эффективность преобразования солнечного света в электричество составила 10,6 процентов, а суммарная эффективность электролизера — 6,7 процентов. Это пока меньше, чем у лучших электролизеров на кремнии и металлах платиновой группы, однако авторы полагают, что в будущем их электролизер можно будет улучшить — например, используя другой состав перовскитного материала или экспериментируя с составом катализатора. 

Фотоэлектролиз планируют использовать в том числе для обеспечения энергией космических кораблей. Для этих целей голландские химики разработали и испытали ячейку, которая может работать в условиях микрогравитации.

Наталия Самойлова

Проблема зеленого водорода, о которой никто не говорит

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

Тонны воды — буквально.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Автозаправка сможет получать топливо из воздуха

Российские ученые сделали и уже подключили к автозаправке первый отечественный электролизный генератор газа, способный производить водород с чистотой 99,999%. Это делает заправку автономной – топливо она получит из воды.

Водородный электролизер – устройство, способное разделять компоненты жидкости при помощи электрического тока, – разработан компанией «Поликом» на базе Центра компетенций Национальной технологической инициативы (НТИ) «Новые и мобильные источники энергии». С его использованием заправка становится независима от внешних поставок газа. По сравнению с обычной бензиновой заправка, для которой водород поставляется в баллонах, в 5–6 раз дороже в эксплуатации. Электролизер эту диспропорцию выравнивает. Прибор использует электричество и воду – эти ресурсы, даже с учетом системы водоподготовки, есть на любой заправке, говорит генеральный директор «Поликома» Евгений Волков.

Внедрение водородного топлива в России делает самые первые шаги – в стране практически нет водородного транспорта, поэтому нет и инфраструктуры для его заправки. В регулярном режиме в России сейчас эксплуатируется только один-единственный автомобиль на водородных топливных элементах – Toyota Mirai. Но это только начало. Год назад правительство России приняло решение разработать программу развития национальной водородной энергетики. Это ключевой фактор глобальной энергетической трансформации, позволяющий снизить парниковые выбросы. Чтобы к 2050 г. понизить температуру окружающего воздуха на 2 градуса, нужно перевести на водородное топливо 400 млн частных автомобилей, 15–20 млн грузовиков и 5 млн единиц общественного транспорта, показал отчет аналитического центра Hydrogen Council. Данные легли в основу программы Центра компетенций НТИ «Водородная Россия – 2050». Один из этапов программы – создание водородной трассы Москва – Казань со всей необходимой инфраструктурой. А также постепенное внедрение в России водородных автомобилей.

В ноябре 2020 г. компания «Эвокарго» объявила о выпуске беспилотного грузовика EVO-1. Он полностью основан на российских разработках, оснащен гибридной системой питания от электрических батарей и водородных топливных элементов, говорилось в официальном сообщении компании. В перспективе грузовики «Эвокарго» смогут пользоваться водородными заправками «Поликома», отметили в офисе НТИ. Понятно, что водородные заправки будут востребованы, когда будут реализованы масштабные транспортные проекты на водороде – пассажирские перевозки, грузовой и коммунальный транспорт.

Человечество более 50 лет ищет альтернативу традиционным моторам, и одна из возможных замен – двигатели, работающие на водороде. При сгорании водорода не образуется токсичных выбросов, он совершенно экологически безопасен, рассказывает генеральный директор «Донэнерго», эксперт в области энергетики и электротранспорта Сергей Сизиков. Минусы водорода – его стоимость и взрывоопасность, а также то, что для его добычи нужен целый производственный комплекс и не в каждом регионе он есть. Водородный транспорт существует пока в виде проектов – в основном ими занимаются крупные автомобильные компании, которые вместе с учеными разрабатывают соответствующие концепты. Из-за взрывоопасности технология не получила распространения в повседневной жизни – мировые производители в качестве основного вектора выбрали электротранспорт, эта технология уже используется людьми и на данный момент электрические гибриды существенно перспективнее водородных, заключает Сизиков. Так что на данный момент водородная технология является скорее научной, чем практической.

ЭЛЕКТРОЛИЗЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КИСЛОРОДА И ВОДОРОДА

Перевод названия: ELECTROLYZER FOR PRODUCTION OF OXYGEN AND HYDROGEN

Тип публикации: патент

Год издания: 2001

Аннотация: p num=»13″Изобретение относится к устройствам для получения кислорода и водорода электролизом водных растворов щелочи и может быть использовано либо в качестве элемента системы питания двигателя внутреннего сгорания, либо в качестве аппарата для газопламенной обработки материалов. Электролизер включает концевые монополярные электроды, между которыми через уплотнительные прокладки из эластичного материала последовательно зажаты чередующиеся диафрагмы и биполярные электроды, выполненные цельнометаллическими. Диафрагмы, биполярные электроды и уплотнительные прокладки имеют отверстия, образующие при сборке каналы для подвода электролита и отвода газов. Электролизер снабжен системой предотвращения скопления газов, содержащий тепловой датчик, логический элемент и источник постоянного тока. Логический элемент выходом соединен с электролизером, одним из входов — с источником постоянного тока, а другим входом — с тепловым датчиком. Верхняя часть каждой из диафрагм, расположенная над поверхностью электролита, выполнена газонепроницаемой. Данное выполнение устройства позволяет исключить возможность смешивания газов и их бесконтрольное накопление. 4 ил.img src=»/get_item_image.asp?id=37876214&img=00000001.TIF»/p p num=»14″FIELD: devices for production of oxygen and hydrogen by electrolysis of alkali aqueous solutions; applicable, either as member of supply system of internal combustion engine, or as apparatus for material flame machining. SUBSTANCE: electrolyzer includes terminal monopolar electrodes between which alternating diaphragms and bipolar all-metal electrodes are successively clamped through sealing flexible material spacers. Diaphragms, bipolar electrodes and sealing spacers have holes for forming channels, when assembled, for supply of electrolyte and gas withdrawal. Electrolyzer is provided with system preventing gas accumulation and having temperature pickup, logic element and d.c. source. Logic element output is connected with electrolyzer, logic element one input is connected with d.c. source, and its other input is connected with temperature pickup. Upper part of each diaphragm located above electrolyte surface is gas impermeable. EFFECT: excluded mixing of gases and their uncontrolled accumulation. 4 dwg/p

Ссылки на полный текст

Производство водорода: Электролиз | Министерство энергетики

Как это работает?

Как и топливные элементы, электролизеры состоят из анода и катода, разделенных электролитом. Различные электролизеры работают по-разному, в основном из-за разного типа используемого электролита и ионных частиц, которые он проводит.

Мембранные электролизеры с полимерным электролитом

В электролизере с мембраной из полимерного электролита (PEM) электролит представляет собой твердый специальный пластиковый материал.

  • Вода реагирует на аноде с образованием кислорода и положительно заряженных ионов водорода (протонов).
  • Электроны проходят через внешнюю цепь, а ионы водорода избирательно перемещаются через ФЭУ к катоду.
  • На катоде ионы водорода объединяются с электронами из внешней цепи, образуя газообразный водород. Анодная реакция: 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e Катодная реакция: 4H + + 4e → 2H 1 2 1 2 1

Щелочные электролизеры

Щелочные электролизеры работают за счет переноса гидроксид-ионов (OH ) через электролит от катода к аноду с образованием водорода на стороне катода.Электролизеры, использующие жидкий щелочной раствор гидроксида натрия или калия в качестве электролита, уже много лет имеются в продаже. Новые подходы с использованием твердых щелочных обменных мембран (AEM) в качестве электролита показывают многообещающие результаты в лабораторных масштабах.

Твердооксидные электролизеры

Твердооксидные электролизеры, в которых в качестве электролита используется твердый керамический материал, избирательно проводящий отрицательно заряженные ионы кислорода (O 2-) при повышенных температурах, генерируют водород несколько другим способом.

  • Пар на катоде соединяется с электронами из внешней цепи с образованием газообразного водорода и отрицательно заряженных ионов кислорода.
  • Ионы кислорода проходят через твердую керамическую мембрану и реагируют на аноде, образуя газообразный кислород и генерируя электроны для внешней цепи.

Твердооксидные электролизеры должны работать при температурах, достаточно высоких для правильного функционирования твердооксидных мембран (около 700–800°C, по сравнению с электролизерами на основе PEM, которые работают при 70–90°C, и коммерческими щелочными электролизерами, которые обычно работать при температуре ниже 100°C).Усовершенствованные лабораторные твердооксидные электролизеры на основе протонпроводящих керамических электролитов демонстрируют перспективность снижения рабочей температуры до 500–600°C. Твердооксидные электролизеры могут эффективно использовать тепло, доступное при этих повышенных температурах (из различных источников, включая ядерную энергию), для уменьшения количества электроэнергии, необходимой для производства водорода из воды.

Почему рассматривается этот путь?

Электролиз — это ведущий путь производства водорода для достижения цели Hydrogen Energy Earthshot по снижению стоимости чистого водорода на 80% до 1 доллара за 1 килограмм за 1 десятилетие («1 1 1»).Водород, полученный с помощью электролиза, может привести к нулевым выбросам парниковых газов, в зависимости от используемого источника электроэнергии. Источник необходимой электроэнергии, включая его стоимость и эффективность, а также выбросы в результате производства электроэнергии, необходимо учитывать при оценке преимуществ и экономической целесообразности производства водорода с помощью электролиза. Во многих регионах страны сегодняшняя электросеть не идеальна для обеспечения электроэнергией, необходимой для электролиза, из-за выбросов парниковых газов и количества необходимого топлива из-за низкой эффективности процесса выработки электроэнергии.Производство водорода с помощью электролиза используется для возобновляемых источников (ветер, солнце, гидро, геотермальная энергия) и ядерной энергии. Эти пути производства водорода приводят к практически нулевым выбросам парниковых газов и загрязняющих веществ; тем не менее, стоимость производства должна быть значительно снижена, чтобы быть конкурентоспособным с более зрелыми способами, основанными на углероде, такими как риформинг природного газа.

Потенциал для синергии с производством энергии из возобновляемых источников
Производство водорода с помощью электролиза может предложить возможности для синергии с динамической и прерывистой выработкой энергии, что характерно для некоторых технологий возобновляемых источников энергии.Например, хотя стоимость энергии ветра продолжает снижаться, присущая ветру изменчивость является препятствием для эффективного использования энергии ветра. Водородное топливо и производство электроэнергии могут быть интегрированы в ветряную электростанцию, что позволит гибко переключать производство, чтобы наилучшим образом соответствовать доступности ресурсов с эксплуатационными потребностями системы и рыночными факторами. Кроме того, во времена избыточного производства электроэнергии ветряными электростанциями вместо того, чтобы сокращать электроэнергию, как это обычно делается, можно использовать эту избыточную электроэнергию для производства водорода путем электролиза.

Важно отметить…

  • Электроэнергия в настоящее время не является идеальным источником электроэнергии для электролиза, поскольку большая часть электроэнергии вырабатывается с использованием технологий, которые приводят к выбросам парниковых газов и являются энергоемкими. Выработка электроэнергии с использованием технологий возобновляемой или ядерной энергии, либо отдельно от сети, либо в качестве растущей части сети, является возможным вариантом преодоления этих ограничений для производства водорода с помощью электролиза.
  • Министерство энергетики США и другие организации продолжают усилия по снижению стоимости производства электроэнергии на основе возобновляемых источников и развитию более эффективного производства электроэнергии на основе ископаемого топлива с улавливанием, утилизацией и хранением углерода. Производство электроэнергии на основе ветра, например, быстро растет в Соединенных Штатах и ​​во всем мире.

Исследования направлены на решение проблем

  • Достижение целевого показателя стоимости чистого водорода Hydrogen Shot в размере 1 доллара США за кг H 2 к 2030 году (и промежуточного целевого показателя в размере 2 долларов США за кг H 2 к 2025 году) за счет лучшего понимания компромиссов между производительностью, стоимостью и долговечностью электролизера. системы в прогнозируемых будущих динамических режимах работы с использованием CO 2 — бесплатного электричества.
  • Снижение капитальных затрат электролизера и баланса системы.
  • Повышение энергоэффективности преобразования электроэнергии в водород в широком диапазоне условий эксплуатации.
  • Углубление понимания процессов деградации элементов и батарей электролизера и разработка стратегий смягчения последствий для увеличения срока службы.

Рекордный водородный электролизер заявляет о 95% эффективности

Килограмм водорода вмещает 39.4 кВтч энергии, но обычно затраты энергии на создание существующих коммерческих электролизеров составляют около 52,5 кВтч. Австралийская компания Hysata заявляет, что ее новый электролизер с капиллярным питанием снижает стоимость энергии до 41,5 кВтч, бьет рекорды эффективности, а также дешевле в установке и эксплуатации. Компания обещает зеленый водород по цене около 1,50 доллара США за килограмм всего через несколько лет.

Эффективность — одно из главных препятствий водороду на пути к чистой энергии будущего. Он может хранить гораздо больше энергии по весу или объему, чем батареи, и поддерживает быструю дозаправку, что делает его полезным в приложениях, где батареи просто не имеют плотности энергии, чтобы конкурировать.Но там, где батареи являются высокоэффективным способом хранения и высвобождения энергии, водород, кажется, выбрасывает энергию на каждом этапе: электролиз, хранение и транспортировка, обратное преобразование в электричество с помощью топливного элемента… Черт возьми, он даже медленно вытекает из металлический бак.

Если новая технология электролизера Hysata сделает то, что написано на жестяной банке, эффективность стадии электролиза значительно вырастет, позволяя гораздо лучше использовать драгоценную чистую энергию. И, производя больше водорода из данного источника энергии, сокращая при этом капитальные и эксплуатационные расходы для операторов, это оборудование действительно может снизить цену на зеленый h3, возможно, до такой степени, что он станет конкурентоспособным с грязным водородом или даже с ископаемым топливом.

Так как же это работает? По словам Хисаты, все дело в пузырьках. Пузырьки в жидкости-электролите не проводят ток, и они могут прилипать к электродам и маскировать их от контакта с жидкостями, с которыми они должны соприкасаться, чтобы выполнять свою работу. Это явно проблема, так как электролизеры превращают воду в газы H 2 и O 2 .

Как рассказывает Хайсата, в ранних электролизерах оба электрода были погружены в электролит, так что вокруг них образовывались пузырьки.В 70-х годах электролиз с нулевым зазором приводил к непосредственному контакту анода и катода с мембраной сепаратора, повышая эффективность за счет образования пузырьков только на одной стороне каждого электрода. Совсем недавно технология мембран с полимерным электролитом позволила катодной стороне работать без электролита, снова повысив эффективность за счет производства газообразного водорода без барботирования его через жидкость.

Характеристика Hysata эволюции электролизеров, приведшая к чрезвычайно эффективной новой конструкции компании

Hysata

Электролизер Hysata с капиллярным питанием выводит вещи на новый и, возможно, высший уровень.Резервуар в нижней части ячейки удерживает электролит от контакта как с анодом, так и с катодом до тех пор, пока он не будет втянут через пористый гидрофильный межэлектродный сепаратор с использованием капиллярного эффекта. Таким образом, электролит имеет непосредственный контакт с электродами, но только с одной стороны, и газообразные водород и кислород вырабатываются напрямую, без каких-либо мешающих пузырьков.

Сопротивление дополнительно снижается благодаря тому факту, что вода не подсасывается к той стороне электрода, которая выделяет газ, поэтому они не мешают друг другу, а поскольку вода электролизуется из сепаратора, капилляра действие вытягивает больше из резервуара, чтобы заменить его.

В рецензируемой статье, опубликованной в журнале Nature Communications , команда Hysata утверждает, что их капиллярный электролизер продемонстрировал рекордную эффективность в 98 процентов, что намного лучше, чем у «современного электролизера». [предположительно асимметричная мембрана из полимерного электролита] коммерческий электролизер воды», который показал эффективность элемента 83 процента. Переход газа чрезвычайно низок – это очень важно, так как при правильных температурах и концентрациях водородно-воздушная смесь может быть взрывоопасной.

В компании говорят, что эта технология также сокращает внешние расходы вне клетки. Нет необходимости в циркуляции жидкости, резервуарах газожидкостного сепаратора, трубопроводах, насосах и арматуре. Этот редуктор может иметь воздушное охлаждение или радиационное самоохлаждение, что снижает дальнейшие капитальные и эксплуатационные расходы, и если ограниченная гравитацией максимальная высота капиллярного действия окажется ограничивающим фактором, что ж, Хизата говорит, что вы можете просто щелкнуть резервуар сверху, а электролит стекает в сепаратор.

Все эти факторы помогают сократить «балансовое» потребление энергии за пределами электролизера, увеличивая разрыв между этой технологией и другими с точки зрения общей эффективности системы.

«Общая система электролизера Hysata была разработана с учетом простоты производства, масштабирования и установки, обеспечивая 95-процентную общую эффективность системы, что эквивалентно 41,5 кВтч/кг, по сравнению с 75 процентами или менее для существующих электролизерных технологий», — сказал технический директор компании Джерри Свигерс. в пресс-релизе.«Для производителей водорода это значительно снизит как капитальные, так и эксплуатационные затраты на производство зеленого водорода».

Свигерс далее называет это устройство «совершенно новой категорией электролизеров, столь же монументальной, как переход от двигателя внутреннего сгорания к электродвигателям».

Генеральный директор Hysata Пол Барретт (Paul Barrett) говорит, что компания планирует коммерциализировать технологию и увеличить мощность производства водорода до гигаватт к 2025 году.50 на килограмм водорода должно быть возможно. Разрабатываются планы по строительству пилотного завода по производству электролизеров, и в 2022 году компания нанимает «десятки» людей в рамках этого процесса.

Ожидается, что производство водорода резко возрастет в ближайшие годы, поскольку зеленый h3 находит свое место в более сложных секторах новой экономики зеленой энергии. Таким образом, определенно идет золотая лихорадка, и многие ожидают сокращения производства электролизеров, поскольку производители спешат запустить свои предприятия.В таких условиях более дешевый и сверхэффективный электролизер наверняка будет пользоваться огромным спросом, так что у Hysata может появиться монстр-продукт и шанс внести весомый вклад в борьбу с изменением климата.

Конечно, между опубликованной статьей и массовым коммерческим успехом предстоит долгая гонка, но учитывая потенциальные преимущества, как заявляет Hysata, за этой компанией явно стоит следить.

Исследование опубликовано в журнале открытого доступа Nature Communications.

Источник: Hysata

Возобновляемый электролиз | Водород и топливные элементы

Исследования электролиза возобновляемых источников энергии NREL сосредоточены на проектировании, разработке и тестировании. передовые экспериментальные и аналитические методы для улучшения блока и системы электролизера эффективность.

Связанные виды деятельности включают:

  • Определение характеристик электролизера в условиях переменной входной мощности
  • Проектирование и разработка общих блоков силовой электроники и контроллеров для уменьшения стоимость системы и оптимизация производительности
  • Выявление возможностей для снижения затрат за счет прорывов в интеграции компонентов
  • Тестирование, оценка и оптимизация производительности возобновляемой электролизной системы для производство водорода и когенерация электроэнергии/водорода.

Узнайте о проекте «Ветер-в-водород», который использует электричество от ветряных турбин и солнечных батарей для производства водорода.

Системная инженерия, моделирование и анализ

NREL разрабатывает и проверяет модели компонентов и систем для оценки и оптимизации различных системных сценариев и стратегий управления для производства возобновляемого водорода и электроэнергии/водорода когенерация.

На этой диаграмме показаны различные сценарии производства возобновляемого водорода и электроэнергии.

В 2011 году NREL провел обширный анализ стоимости производства водорода с помощью электролиз воды на основе ветра на потенциальных площадках по всей стране. Обратитесь к инструменту анализа затрат на производство водорода, чтобы просмотреть результаты этого анализа.

Системная интеграция и разработка компонентов

NREL разрабатывает интерфейсы силовой электроники для систем возобновляемого электролиза, чтобы охарактеризовать и проверить работоспособность электрохимических устройств.Тестирование также исследует, как колебания выходной мощности ветряной турбины влияют на работу электролизера. Системы производительность определяется количественно на основе эффективности систем дымовой трубы и электролизера. а также их способность приспосабливаться к возобновляемым источникам электроэнергии.

Системы возобновляемого электролиза, которые изучает NREL, включают общий постоянный ток. (DC) шина (электрический проводник), закрепленная с блоком батарей, подключенным к ветряной турбине, фотогальваническая батарея и электролизер.Как правило, небольшие ветряные турбины устанавливаются для зарядки аккумуляторов и требуют подключения к шине постоянного тока постоянного напряжения и питания электроника для регулирования выходной мощности и преобразования дикого переменного тока (AC) в ДК.

В имеющихся в продаже системах электролизера блок электролизера принимает постоянный ток. входная мощность от бортового преобразователя мощности. Электролизер регулирует мощность до стека и работает при фиксированном токе стека.Адреса характеризационных испытаний работа водородопроизводящих блоков на переменном токе, без фиксированной мощности поставка.

Характеристика и тестирование

NREL работает с национальными и международными лидерами отрасли над разработкой протоколы характеристик и испытаний для электролизеров на основе возобновляемых источников энергии, а также для сравнения производительность электролизеров различных производителей.

На основе фактических эксплуатационных данных ветряных электростанций, фотоэлектрических элементов и прогнозируемых с переключением нагрузки, эти протоколы испытаний применимы к работе электролизера с переменным входным напряжением. условия питания.

NREL использует протоколы для тестирования электролизеров на месте. Конкретные показатели эффективности включают чистоту водорода при малой мощности и долгосрочные эффекты переменных работа мощности на системе электролизера и эффективность батареи.

Объекты

Исследование электролиза возобновляемых источников энергии NREL проводится в Интеграции энергетических систем. Лаборатория Центра интеграции энергетических систем.

Контакт

Кевин Харрисон

Электронная почта
303-630-2439

Один из крупнейших электролизеров планеты запущен и работает

Анимафлора | Istock | Getty Images

20-мегаваттный водородный электролизер, который называют «одним из крупнейших в мире», начал работу, сообщила в пятницу энергетическая компания Shell.

Расположенный в Чжанцзякоу, провинция Хэбэй, Китай, электролизер будет производить зеленый водород для автомобилей на топливных элементах, которые будут использоваться в зоне соревнований Чжанцзякоу во время Зимних Олимпийских игр, которые должны открыться 4 февраля. После окончания Игр коммерческие и общественные транспорт будет использовать водород.

В своем заявлении Ваэль Саван, директор Shell по комплексным газовым, возобновляемым и энергетическим решениям, сказал, что электролизер был «крупнейшим в нашем портфолио на сегодняшний день».

«Мы видим возможности в цепочке поставок водорода в Китае, включая его производство, хранение и доставку», — сказал Саван.

Объект в Китае связан с совместным предприятием, созданным в 2020 году Shell China и Zhangjiakou City Transport Construction Investment Holding Group Co. Ltd.

Водород, который имеет широкий спектр применений и может быть развернут в широком диапазоне отраслей, может производиться различными способами. Один из методов включает использование электролиза, при котором вода расщепляется электрическим током на кислород и водород.

Если электричество, используемое в этом процессе, поступает из возобновляемых источников, таких как ветер или солнце, то некоторые называют его зеленым или возобновляемым водородом.По словам Shell, электролизер в Чжанцзякоу будет использовать энергию ветра на суше.

Несмотря на то, что в некоторых кругах существует воодушевление по поводу потенциала зеленого водорода, подавляющее большинство производства водорода в настоящее время основано на ископаемом топливе.

В последнее время некоторые бизнес-лидеры говорили о проблемах, с которыми, по их мнению, сталкивается развивающийся сектор зеленого водорода. Например, в октябре 2021 года генеральный директор Siemens Energy заявил CNBC, что на данный момент для него «нет коммерческого обоснования».

Сегодня различные цвета, в том числе коричневый, синий, серый и розовый, используются для различения различных методов производства водорода.

В декабре прошлого года генеральный директор немецкой энергетической компании RWE объяснил CNBC, как важно быть прагматичным в отношении цветовых кодов.

«В конце концов, весь водород должен быть зеленым, потому что зеленый водород — это единственное топливо, которое… полностью обезуглерожено», — сказал Маркус Креббер. Тем временем предприятиям необходимо было принять решение об инвестировании в новые объекты и подготовить их к «h3».

«Конечно, в краткосрочной перспективе не хватит зеленого водорода, поэтому вам нужно разрешить им использовать его сначала на природном газе, а затем, может быть, на водороде всех других цветов… особенно на синем», — сказал он. «Но как только зеленый водород станет доступен в той мере, в какой это необходимо, им следует переключиться на зеленый водород». с улавливанием и хранением выбросов CO2, образующихся во время процесса.

Ранее в этом месяце сообщалось, что одно из немногих предприятий в мире, использующее технологию улавливания и хранения углерода (CCS) для сокращения выбросов при производстве водорода, выбрасывает гораздо больше парниковых газов, чем улавливает.

Завод Quest в Альберте, Канада, принадлежащий Shell и предназначенный для улавливания выбросов углерода при разработке месторождений нефтеносных песков и их безопасного хранения под землей, ранее рекламировался как «успешный пример» того, как CCS работает над значительным сокращением выбросов углерода.

Однако исследование, проведенное наблюдательной группой Global Witness, опубликованное на прошлой неделе, показало, что, хотя с 2015 года на заводе удалось предотвратить выброс в атмосферу 5 миллионов тонн углекислого газа, он также выпустил 7,5 миллиона метрических тонн парниковых газов за тот же период.

Это означает, что, согласно отчету, было уловлено только 48% выбросов углекислого газа завода. В ответ на отчет представитель Shell сообщил CNBC по электронной почте, что анализ Global Witness был «просто неверным», и подчеркнул, что объект Quest был спроектирован так, чтобы улавливать около трети выбросов углекислого газа.

Предприятие Shell Quest CCS, открытое в конце 2015 года, является частью комплекса группы в Скотфорде, где производится водород для использования в очистке битума нефтеносных песков (разновидность нефтяных месторождений). Завод Quest не покрывает выбросы всего предприятия.

«Наш объект Quest был спроектирован несколько лет назад как демонстрационный проект для проверки лежащей в основе концепции CCS, при этом улавливая около трети выбросов CO2. Это не завод по производству водорода», — сказал представитель Shell.

— Сэм Мередит из CNBC внес свой вклад в этот отчет

Shell Energy запустила электролизер с полимерной электролитной мембраной (PEM) мощностью 10 МВт — один из крупнейших в мире в своем роде — для производства зеленого водорода на своем нефтеперерабатывающем заводе Energy and Chemicals Park Rheinland в Весселинге, Германия. разрабатываются планы по увеличению мощности станции до 100 МВт.

Запуск электролизного завода 2 июля знаменует собой важную веху для проекта REFHYNE, пятилетнего проекта, который начался в январе 2018 года при финансовой поддержке Совместного предприятия Европейской комиссии по топливным элементам и водороду (FCH-JU). По данным Shell, электроэнергия, используемая на заводе мощностью 10 МВт, поступает из возобновляемых источников энергии, а производимый на нем зеленый водород — до 1300 тонн в год — может быть полностью интегрирован в процессы нефтепереработки, например, для десульфурации обычных топлива.

Наряду с Shell в консорциум проекта REFHYNE входили исследовательская организация SINTEF, консультационные фирмы Sphera и Element Energy, а также британская компания по водородным технологиям ITM Power, которая разработала и изготовила электролизеры PEM.

Крупнейший в Европе водородный электролизер PEM начал работу 2 июля в Shell Energy and Chemicals Park Rheinland, производя зеленый водород. Предоставлено: Shell Energy

Как отметил на церемонии открытия проекта директор Shell Downstream Уиберт Виджевено, проект «демонстрирует новый вид энергии будущего и модель производства энергии с низким уровнем выбросов углерода, которую можно воспроизвести во всем мире.«Ключевым бенефициаром является земля Северный Рейн-Вестфалия (NRW) на западе Германии, регион, который производит и потребляет около 30% электроэнергии Германии.

Позиционируя себя как центр водородной экономики, NRW поставила несколько целей в соответствии с недавно опубликованной дорожной картой по водороду на 2025 год, включая строительство 120 км водородных трубопроводов, которые будут подключены к первым в стране «надрегиональным» водородным линиям. . Он также нацелен на строительство электролизных заводов общей мощностью 100 МВт для промышленного производства водорода к 2025 году и до 3 ГВт к 2030 году.В июне штат особенно поддержал предприятие по массовому производству электролизеров с анионообменной мембраной (AEM), технологию, которая может изменить рынок обычных электролизеров, на котором сегодня доминируют щелочные и PEM-технологии.

Проекты по производству электролизеров PEM становятся больше

Хотя технология PEM была коммерциализирована в 1960-х годах компанией General Electric, ее использование в виде зеленого раствора водорода было менее распространенным по сравнению со щелочным электролизом.Согласно базе данных водородных проектов Международного энергетического агентства (МЭА), в 2020 году щелочные электролизеры составляли около 65% всех действующих технологий производства низкоуглеродного водорода, а технологии PEM — около 30%. По оценкам МЭА, во всем мире работало в общей сложности 51 МВт электролизеров PEM из 173 МВт проектов по производству низкоуглеродного водорода.

Однако, несмотря на то, что это проект электролизера PEM, мощность проекта Shell REFHYNE соответствует мощности 10-мегаваттного исследовательского месторождения водородной энергетики в Фукусиме, проекта щелочного электролизера, введенного в эксплуатацию в марте 2020 года японскими исследовательскими организациями New Energy and Industrial Technology Development Organization и компании Toshiba Energy Systems & Solutions, Tohoku Electric Power Co.и Iwatani Corp. Японский проект считался одним из крупнейших в мире проектов электролизеров — до января этого года, когда Air Liquide начала эксплуатацию своего электролизера PEM мощностью 20 МВт в Беканкуре, Канада. Предприятие Air Liquide, оснащенное технологией Cummins (ранее Hydrogenics) PEM, производит 8,2 тонны водорода в день (или около 2990 тонн в год).

Согласно ITM Power, сердцем системы электролиза PEM является блок, в котором происходит процесс каталитического разделения.«Стек представляет собой сборку электролизеров и состоит из источника постоянного тока и двух электродов (анода и катода), покрытых благородными металлами (платиной, рутением или иридием) и разделенных электролитом (ионный проводник). », — поясняет он.

«Пропускание электрического тока, т. е. потока отрицательно заряженных электронов, через воду запускает процесс электролиза. Вода, содержащая положительно заряженные ионы водорода (H+) и отрицательно заряженные ионы гидроксила (OH-), вступает в реакцию, и ионы водорода нейтрализуются и превращаются в молекулы газообразного водорода (H 2 ) на катоде.Тем временем на аноде приложенный ток отрывает электроны от гидроксильных ионов и превращает их в молекулы газообразного кислорода (O 2 ) и нейтральные молекулы воды». В электролизере PEM используется тонкая (толщиной 150-220 мкм) протонпроводящая полимерная мембрана, которая предотвращает смешивание водорода и кислорода, но допускает перенос ионов H+.

Электролизер Rheinland с полимерной электролитной мембраной (PEM) будет использовать возобновляемую электроэнергию для производства до 1300 тонн зеленого водорода в год.«Первоначально это будет использоваться для производства топлива с более низкой углеродоемкостью», — сказали в Shell. «Зеленый водород также будет использоваться для обезуглероживания других отраслей». Предоставлено: Shell Energy

Эксперты сообщили POWER , что PEM обычно избегают восстановления и повторного использования раствора электролита гидроксида калия, который необходим для щелочных электролизеров. PEM также более эффективны. Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) в прошлом году прогнозировало эффективность преобразования технологий PEM в диапазоне от 65% до 83%.

Снижение затрат ITM Power Bullish для технологий PEM

ITM Power отмечает, что сегодня электролизеры PEM завоевывают все большую популярность в конкурентной среде «зеленого» водорода благодаря своей «превосходной» гибкости и характеристикам реактивности. PEM «могут работать при разных уровнях входной мощности [от нуля до максимальной мощности]», — говорится в сообщении. «Время, необходимое для реагирования на ограничения мощности и достижения суб-/субноминальной плотности тока, очень короткое. Таким образом, его можно увеличивать и уменьшать менее чем за одну секунду, и он может работать в течение короткого времени (обычно 10 минут) с гораздо большей мощностью, чем номинальная нагрузка (160%)», — добавляет он.«Поэтому электролизеры PEM способны обеспечивать резерв частоты и подходят для более широкого спектра сетевых услуг».

Одним из недостатков, однако, является то, что для ПОМ требуются дорогие электродные катализаторы (платиновые и иридиевые) и мембранные материалы, а их срок службы в настоящее время короче, чем у щелочных электролизеров. Тем не менее, ITM Power с оптимизмом смотрит на прогнозируемую траекторию снижения затрат на технологии PEM, предполагая в статье от ноября 2020 года, что цена системы электролизера ITM Power мощностью 100 МВт PEM может упасть ниже 400 фунтов стерлингов (552 доллара США) за кВт к 2024 году.

Однако экономическая привлекательность электролиза воды будет в решающей степени зависеть от цены на электроэнергию, которая составляет до 80% цены на водород, сообщает ITM Power. Масштабное увеличение производства водорода, которое будет зависеть от растущей доли энергозависимой энергии ветра и солнца, также может повысить экономику проекта.

ITM Power готов удовлетворить растущий спрос. В январе этого года компания завершила строительство «гигафабрики» в Бессемер-парке в Шеффилде, Великобритания, объекта, который может производить 1 ГВт электролизеров PEM в год.Объект, в свою очередь, предоставляет «чертеж высокопроизводительного полуавтоматического завода по производству электролизеров PEM, который можно легко воспроизвести», — говорится в сообщении ITM Power.

ITM, Linde готовится к крупным водородным проектам  В частности,

ITM Power также получила заказы на электролизер PEM мощностью 20 МВт, который будет расположен на ветряной электростанции Whitelee, принадлежащей ScottishPower Renewables, недалеко от Глазго, крупнейшей береговой ветровой электростанции в Великобритании. Ожидается, что этот проект будет поставлять водород на коммерческий рынок «до 2023 года».Тем временем, закрепившись на растущем рынке водорода в Японии, компания в марте этого года также продала электролизер HGas2SP мощностью 1,4 МВт японскому конгломерату Sumitomo Corp. юридических ограничений, он будет служить «важным эталонным заводом для дальнейших продаж в Японии», говорится в сообщении.

Тем не менее, самая крупная продажа ITM Power на данный момент приходится на электролизер PEM мощностью 24 МВт для химического комплекса Linde Leuna в Германии.Эта сделка, о которой было объявлено в январе, возглавит недавно созданное совместное предприятие ITM Power и Linde — ITM Linde Electrolysis. Если химический комплекс Leuna будет завершен во второй половине 2022 года, он, вероятно, станет крупнейшим проектом PEM в мире.

Linde планирует поставлять произведенный в рамках проекта сжиженный зеленый водород на заправочные станции и другим промышленным потребителям в регионе. «Всего произведенного зеленого водорода можно использовать примерно для шестисот автобусов на топливных элементах, проезжая 40 миллионов километров и экономя до 40 000 тонн выбросов углекислого газа в год», — говорится в сообщении.

Но параллельно Linde также работает над рядом проектов, связанных с производством, переработкой, хранением и распределением водорода. Компания по промышленному газу и инжинирингу со штаб-квартирой в Дублине заявляет, что у нее уже есть более 80 электролизных проектов, и она разрабатывает сеть трубопроводов протяженностью около 1000 километров. Тем не менее, компания отмечает, что ее водородное наследие насчитывает более десяти лет благодаря слиянию в 2020 году с Praxair, компанией, которая с 2007 года управляет «первой в мире пещерой для хранения водорода высокой чистоты» в Мосс-Блафф, штат Техас.

Расширение REFHYNE мощностью 100 МВт могло бы обеспечить новаторскую работу по преобразованию энергии в жидкость (PTL)

Хотя Linde не входила в консорциум, который построил проект PEM REFHYNE мощностью 10 МВт на нефтеперерабатывающем заводе Shell в Рейнланде, ожидается, что компания будет сотрудничать с Shell и ITM Power для расширения проекта REFHYNE в десять раз — до мощности 100 МВт. Строительство расширения, получившего название «REFHYNE II», может начаться в следующем году, если консорциум получит финансирование от Европейского Союза и правительства Германии.

Расширение мощностей электролизера в значительной степени связано с усилиями Shell по производству «экологически устойчивого» авиационного топлива на нефтеперерабатывающем заводе в Рейнланде. Shell заявляет, что хочет создать «первый» коммерческий завод по производству биоэнергии в жидкость (PTL) в рамках проекта, который будет включать производство синтетического керосина из зеленого водорода (с использованием энергии из возобновляемых источников и биомассы) и переработанного углерода. Завод по производству сжиженного возобновляемого природного газа (био-СПГ) также находится в стадии разработки. Shell заявляет, что строительство системы ЛЭП может начаться в 2023 году, и ожидается, что она будет запущена в конце 2025 года.Первоначально завод PTL мог производить около 100 000 тонн в год.

«Нефтеперерабатывающий завод в Рейнланде является двигателем и сердцем деятельности Shell в Германии и будет играть ключевую роль в производстве продуктов, которые все больше отличаются от нашего нынешнего ассортимента, в котором преобладает сырая нефть, и которые будут все больше переходить на регенеративные решения, такие как синтетическое и биотопливо. а также зеленый водород», — пояснил директор нефтеперерабатывающего завода доктор Марко Ричрат.

Однако проекты REFHYNE II и SAF мощностью 100 МВт все еще находятся «на стадии продвинутого планирования, и окончательные инвестиционные решения еще не приняты», отмечает Shell.На данный момент консорциуму для Refhyne II было предложено подготовить соответствующее соглашение о гранте с Европейским исполнительным агентством по климату, инфраструктуре и окружающей среде, говорится в сообщении.

Юридически вынуждено сократить выбросы углерода, Shell удваивает водород, CCS, возобновляемые источники энергии

Виджевано из Shell, тем временем, отметил, что усилия REFHYNE будут иметь центральное значение для достижения цели Shell по созданию бизнеса с нулевым потреблением энергии к 2050 году. абсолютные выбросы углерода на 45% к 2030 г. к уровню 2019 г.

«Шелл» ожидает, что преобразование энергетической системы к нулевым выбросам потребует «одновременных действий в трех областях — беспрецедентного повышения эффективности использования энергии, резкого снижения углеродоемкости энергетического баланса и снижение остаточных выбросов с использованием технологий и естественных поглотителей». Однако в нем отмечается: «Хотя трудно предсказать точную комбинацию действий, которые приведут к нулевому результату, сценарии помогают нам понять направление и темпы необходимого перехода.Предоставлено: Shell Energy

Однако, как и многие другие крупные нефтяные компании, ранее в этом году компания уже поставила перед собой одну из самых амбициозных климатических целей в отрасли: сократить углеродоемкость своей продукции не менее чем на 6 % к 2023 году (по сравнению с 2016 годом). уровней), на 20% к 2030 г., на 45% к 2035 г. и на 100% к 2050 г. по сравнению с уровнями 2016 г. В своей Стратегии энергетического перехода, опубликованной в мае этого года — за неделю до исторического решения окружного суда Гааги — компания изложила планы по увеличению улавливания и хранения углерода, удвоению продаж электроэнергии до 560 ТВтч в год к 2030 году и разработке интегрированных водородных узлов.

Shell стремится закрепить лидирующие позиции в области водорода, разрабатывая интегрированные водородные узлы, первоначально предназначенные для обслуживания промышленности и большегрузного транспорта. «Мы начнем с производства и поставок водорода для наших собственных производственных площадок, особенно для нефтеперерабатывающих заводов», — говорится в сообщении. «Мы также продолжим расширять нашу сеть водородных АЗС, уделяя все больше внимания большегрузному транспорту». Предоставлено: Shell Energy

«Рынок чистого водорода все еще находится на ранней стадии, и объемы все еще скромны.Но мы видим сильный потенциал для роста, особенно в трудно спадающих секторах экономики. Мы стремимся к 2030 году достичь двузначной доли рынка мировых продаж чистого водорода», — говорится в сообщении.

На данный момент Shell также планирует развивать свой энергетический бизнес, уделяя особое внимание Европе, США, Австралии и Азии. В этом году были заключены крупные сделки в области оффшорной ветроэнергетики, в том числе по совместной разработке проекта оффшорной ветроэнергетики мощностью 380 МВт с Amazon у побережья Нидерландов, а также контрольный пакет акций проекта плавучей ветроэнергетики Emerald мощностью 1 ГВт на шельфе Ирландии.На прошлой неделе в составе консорциума, в который входит французская EDF, Shell также выиграла тендер на строительство ветряной электростанции Atlantic Shores мощностью 1,5 ГВт.

Среди известных наземных предприятий Shell — когенерационная установка мощностью 250 МВт на многомиллиардном нефтехимическом комплексе в Пенсильвании, которая будет использовать водород в качестве источника топлива. Shell также строит новую когенерационную установку на нефтеперерабатывающем заводе в Рейнланде, которая будет использовать природный газ и 150 тонн пара в час для выработки электроэнергии.

Сонал Патель   — старший помощник редактора POWER (@sonalcpatel, @POWERmagazine)

Использование электролизеров для производства возобновляемого водорода — Ассоциация топливных элементов и водородной энергетики

Nel Hydrogen также работает над установкой электролизера мощностью 20 мегаватт на нефтеперерабатывающем заводе Shell в Фредерисии, Дания.В будущем электролизер будет готов увеличить мощность до одного гигаватт.

Нидерланды

Нидерланды Порт Роттердам сотрудничает с BP и Nouryon для производства возобновляемого водорода с использованием энергии ветра.

Норвегия

Компания Nel получила гранты на разработку усовершенствованных щелочных электролизеров в Норвегии и производственного предприятия мощностью один гигаватт в год в Херойе, Норвегия.

Южная Африка

В Южной Африке члены FCHEA компании Plug Power и Anglo American разрабатывают водородные системы для сверхмощного карьерного самосвала, работающего на топливных элементах.Nel поставит электролизер на солнечной энергии мощностью 3,5 мегаватта для производства водорода для грузовика.

Австралия

Австралийское агентство по возобновляемым источникам энергии рассматривает возможность финансирования крупномасштабных проектов электролизеров, использующих возобновляемую энергию.

Канада

В Квебеке установлен электролизер, подключенный к станции заправки водородом.

Германия

Немецкий проект «Серебряная лягушка» представляет собой предложение по созданию двухгигаваттной солнечной электростанции для питания электролизеров водорода.

Франция

Юго-Восточная Франция реализует транспортный проект h3Haul совместно с Air Liquide, членом FCHEA, который намеревается использовать электролизеры.

Швейцария

Hyundai Hydrogen Mobility владеет двухмегаваттным электролизным заводом в Швейцарии, который поставляет водород для грузовиков на топливных элементах.

USA

В штате Огайо Министерство энергетики США профинансировало передовую программу, в которой для производства водорода используется ядерный реактор на легкой воде в сочетании с электролизером.

На Гавайях ВВС США используют электролизер для производства водорода для тягача самолета.

Заключение

Производство водорода с помощью электролиза дает возможность хранить возобновляемую энергию. Путем обезуглероживания водорода компании могут дополнительно обезуглероживать такие сектора, как энергетика и сталелитейная промышленность, и обеспечивать более низкие выбросы от скважины до колеса для транспорта. По мере роста мощности электролиза будет расти и доступность зеленого водородного топлива и накопителей энергии, коммерчески жизнеспособного решения и альтернативы ископаемому топливу.

Всплеск финансирования для масштабирования технологии электролизеров для более широкого внедрения водорода

Зеленая энергетика, возможно, является одной из самых важных областей исследований и разработок сегодня, и поэтому она привлекла значительные капиталовложения.

Одной из самых многообещающих технологий зеленой энергетики будущего является водород и водородные топливные элементы.

 

Пример водородного топливного элемента. Изображение предоставлено Cummins

 

Однако препятствием для этой технологии является то, как производить водород чистым способом, не имеющим вредных побочных продуктов.

Одна компания, Verdagy, переосмысливает производство водорода с помощью нового подхода к электролизу водорода.На прошлой неделе Verdagy объявила о привлечении дополнительного финансирования в размере 25 миллионов долларов.

В этой статье давайте рассмотрим электролиз водорода и новый подход Verdagy к этой технологии.

 

Что такое электролиз водорода?

В настоящее время более 90% производства водорода осуществляется с помощью паровой конверсии метана (SMR), процесса, в результате которого в качестве побочного продукта образуется CO 2 . Вместо этого более новый и чистый метод производства водорода известен как электролиз водорода.

 

Общий обзор электролиза. Изображение предоставлено Фондом геотермальной энергии океана .

 

В своей самой простой форме электролиз использует электричество для расщепления соединений H 2 O (воды) на их составляющие: водород и кислород. Выполняя этот электролиз, мы можем создавать водород для использования в топливных элементах и ​​кислород, который высвобождается обратно в атмосферу.

В сочетании с возобновляемыми источниками энергии для производства электроэнергии электролиз водорода может снизить стоимость чистого водорода на 80% до 1 доллара США за один килограмм за одно десятилетие, что приведет к нулевому выбросу парниковых газов.

Теперь, когда общие основы электролиза водорода стали немного лучше понятны, важно рассмотреть, как проводить электролиз.

 

Электролизеры для электролиза

Для проведения электролиза необходимо использовать электролизер.

Электролизеры — это устройства, которые, как и батарея, состоят из катода, анода и электролита.

Существует несколько форм электролизеров, наиболее популярными из которых являются щелочные электролизеры и электролизеры с протонообменной мембраной (ПЭМ).

 

Реакции и схема электролизера PEM. Изображение предоставлено Кумаром и Химабинду

 

Щелочные электролизеры работают путем переноса ионов гидроксида (ОН-) через электролит от катода к аноду, при этом водород образуется на стороне катода.

Преимущества этих электролизеров в том, что их легко масштабировать до МВт, а их недостатки в том, что они очень энергоемки и не очень эффективны.

Однако в электролизерах с ФЭУ система опирается на внешнюю цепь, позволяющую электронам двигаться к катоду, где атомы водорода соединяются с электронами, образуя газообразный водород.

PEM, как правило, являются наиболее компактным, высокопроизводительным и энергоэффективным типом электролизера; однако они борются с невозможностью масштабирования до размеров MW.

 

Уникальный подход Verdagy на основе мембран

Надеясь не отставать от производства экологически чистого водорода, на прошлой неделе Verdagy объявила о выделении 25 миллионов долларов на поддержку своей новой технологии электролизера, которая, по их утверждению, сочетает в себе преимущества PEM и щелочных технологий.

Verdagy стремится создать новый мембранный подход к электролизу, в котором используются клетки с обширными активными областями.

Утверждается, что электролизеры

Verdagy обеспечивают в 10 раз большую плотность тока по сравнению с щелочными электролизерами и высокий динамический рабочий диапазон за счет использования ячеек с очень большой площадью и запатентованной ячейки с одноэлементной архитектурой.

Утверждается, что эта архитектура позволяет компании сочетать преимущества как щелочных электролизеров, так и электролизеров с ПОМ, достигая высокой эффективности и плотности энергии при масштабировании до диапазона МВт.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.