Electroliza la temperaturi ridicate
L 'electroliză la temperatură ridicată (de asemenea , HTE, electroliză la temperatură ridicată sau electroliză cu abur) este o metodă de producere a hidrogenului din apă cu oxigen ca produs secundar care este în curs de studiu.
Eficienţă
Electroliza la temperaturi ridicate este mai eficientă din punct de vedere economic decât electroliza tradițională, la temperatura camerei, deoarece o parte din energie este furnizată sub formă de căldură, care este mai ieftină decât electricitatea și deoarece reacția electrolitică este mai eficientă la temperaturi ridicate. De fapt, la 2500 ° C , electricitatea nu mai este necesară, deoarece apa se descompune în hidrogen și oxigen prin termoliză . Cu toate acestea, aceste temperaturi sunt impracticabile; sistemele HTE propuse funcționează cu temperaturi cuprinse între 100 ° C și 850 ° C.
Îmbunătățirea eficienței în acest tip de electroliză este cea mai apreciată dacă energia electrică utilizată provine de la un motor termic și apoi luând în considerare cantitatea de căldură necesară pentru a produce un kg de hidrogen (141,86 mega jouli ), ambele în același proces. temperaturi ridicate, atât în producția de energie electrică uzată. La 100 ° C ai nevoie de 350 megajuli de energie termică (41% eficiență), în timp ce la 850 ° C ai nevoie de 225 megajuli (cu o eficiență de 64%). [1]
Materiale
Alegerea materialelor pentru electrozi și electrolit este esențială. O opțiune în curs de examinare pentru utilizarea procesului de electroliți zirconiu stabilizați cu oxid de itriu (YZS, „Yttria-Stabilized Zirconia”), electrozi pentru abur / hidrogen în nichel - cermet și electrozi pentru oxigen, realizate cu un amestec de oxid de lantan , stronțiu și cobalt . [2]
Potențial economic
Electroliza la temperaturi ridicate nu oferă mijloace de evitare a ineficienței inerente motoarelor termice, producând hidrogen care este apoi transformat înapoi în electricitate într-o celulă de combustibil. Deci, orice beneficiu economic care poate fi obținut din utilizarea HTE trebuie să provină din furnizarea de procese chimice care acumulează hidrogen și nu îl utilizează ca sursă de energie (ca în industria petrochimică sau a îngrășămintelor) sau procese locomotive pentru care hidrogenul este o formă de transport de energie mai bun decât electricitatea (de exemplu rachete, curând mașini).
Electroliza la temperaturi ridicate nu poate concura cu conversia chimică a energiei din hidrocarburi sau cărbune în hidrogen , deoarece niciuna dintre aceste conversii nu este limitată de eficiența motorului termic. Deci, posibilele surse de căldură ieftină la temperaturi ridicate pentru HTE sunt toate non-chimice, inclusiv reactoare nucleare , colectoare solare termice și surse de energie geotermală .
Piața producției de hidrogen
Având în vedere o sursă de căldură la temperatură înaltă ieftină, sunt posibile și alte metode de producere a hidrogenului. În special, a se vedea ciclul termochimic sulf-iod . Producția termochimică ar putea obține o eficiență mai mare decât HTE, deoarece nu este necesar un motor termic. Cu toate acestea, producția termochimică pe scară largă ar necesita progrese semnificative în materialele care pot rezista la temperaturi ridicate, presiuni ridicate și medii extrem de corozive.
Piața hidrogenului este mare (50 de milioane de tone în anul 2004 , cu o valoare de aproximativ 135 miliarde de dolari pe an) și crește cu aproximativ 10% pe an [3] . În prezent, cei mai mari doi consumatori sunt rafinării de petrol și fabricile de îngrășăminte (fiecare consumând aproape jumătate din toată producția). Dacă s-ar răspândi utilizarea mașinilor cu hidrogen, consumul lor ar crește foarte mult cererea de hidrogen.
Electroliză și termodinamică
În timpul electrolizei, cantitatea de energie electrică care trebuie adăugată este egală cu modificarea energiei libere Gibbs a reacției plus pierderile din sistem. Pierderile (teoretic) pot fi în mod arbitrar aproape de zero, deci eficiența termodinamică maximă a oricărui proces electrochimic este egală cu 100%. În practică, eficiența este dată de munca electrică efectuată împărțită la schimbarea energiei libere Gibbs în reacție.
În majoritatea cazurilor, la fel ca în electroliza la temperatura camerei, energia electrică furnizată este mai mare decât schimbarea de entalpie a reacției, astfel încât o parte din energie este eliberată sub formă de căldură. Cu toate acestea, în alte cazuri, cum ar fi electroliza vaporilor la temperaturi ridicate în hidrogen și oxigen , este adevărat opusul. Căldura este absorbită din mediu și puterea calorică a hidrogenului produs este mai mare decât energia electrică furnizată. În acest caz, se poate spune că eficiența energiei furnizate este cu 100% mai mare. Eficiența teoretică maximă pentru o celulă de combustibil este inversă cu cea a electrolizei. Prin urmare, este imposibil să creezi o mașină de mișcare perpetuă prin combinarea celor două procese.
ISRU pe Marte
S-a propus, de asemenea, electroliza la temperaturi ridicate pentru a produce oxigen pe Marte din dioxidul de carbon atmosferic, folosind instrumente electrolitice din zircon . (Vezi Utilizarea resurselor in situ .)
Notă
- ^ O scurtă explicație privind calcularea eficienței unei celule electrolitice HTE este disponibilă pe site-ul web Solid Cell Inc. aici [ link rupt ]
- ^ Kazuya Yamada, Shinichi Makino, Kiyoshi Ono, Kentaro Matsunaga, Masato Yoshino, Takashi Ogawa, Shigeo Kasai, Seiji Fujiwara și Hiroyuki Yamauchi "Electroliză la temperatură înaltă pentru producerea hidrogenului utilizând unitatea de asamblare a celulelor tubulare electrolitice cu oxid solid", prezentată la reuniunea anuală AICHE în San Francisco () California în noiembrie 2006. rezumat
- ^ Vezi Hydrogen Economics
linkuri externe
- US DOE electroliza la temperatură înaltă ( PDF ), la www1.eere.energy.gov .
