Электролизер воды для получения водорода: Электролиз воды в промышленных генераторах водорода – Статьи компании «АГС»

Содержание

Вода для производства водорода | Экодар

Водород — газ, который используется в различных сферах промышленности. Одним из способов его получения является электролиз. Этот процесс подразумевает пропускание через воду электрического тока, в результате чего молекулы воды разлагаются на водород и кислород.

Для электролиза важна чистота и химический состав воды. Поэтому предприятия химической промышленности должны предварительно фильтровать воду для производства водорода и нормализовать ее химический состав в соответствии с установленными требованиями.

Особенности технологии электролиза

Получение водорода методом электролиза — наиболее экономичная и простая технология. Она требует небольших энергозатрат и позволяет получать большие объемы альтернативного газа. Водород можно добывать из любой воды, но перед этим она должна проходить очистку от посторонних примесей. Электролиз проводится в деминерализованной воде, чтобы исключить влияние растворенных и нерастворенных веществ на процесс.

При пропускании через воду электрического тока молекула воды распадается на два атома — водорода и кислорода. Причем первого получается в 2 раза больше, чем второго (из-за количества атомов). Таким образом, при обработке 0,5 литра воды можно получить около кубометра обоеих газов. Затраты электричества на разложение молекул составят 4 квт/ч.

Электролиз воды для получения водорода имеет такие преимущества:

Сырье для производства газа всегда доступно. Воду можно получать из скважин, естественных водоемов или водопровода. Но перед этим она должна пройти фильтрацию на установках обратного осмоса или другом подобном оборудовании.
При производстве водорода не образуется загрязняющих веществ. Под действием электрического тока вода разлагается на водород и кислород. Дополнительных компонентов в жидкости нет, так как перед этим она пропускается через молекулярную мембрану.

Процесс электролиза полностью автоматизирован. Не нужно привлекать большое количество персонала для поддержания работы электрических установок.

Полученный методом электролиза воды водород можно использовать в таких сферах:

Предприятия химической промышленности для получения других соединений органического происхождения;
На фабриках по производству продуктов питания для гидрогенизации жиров;
На производстве электронных компонентов для получения кремния в восстановительных химических реакциях;
На нефтехимическом производстве для улучшения качества топлива и нефтепродуктов;
На металлургических заводах для восстановления цветных металлов и получения тугоплавких сплавов;

В качестве хладагента в охладительных установках электрогенераторов;
Для получения горючего газа при сваривании металлов;
Для изготовления ракетного топлива.

Преимущества использования обратного осмоса

Для комплексной очистки воды от различных примесей и дальнейшего ее применения можно использовать установки обратного осмоса. Эти фильтры отличаются тем, что позволяют удалить из жидкости до 99,9% загрязнений. Таким образом можно упростить, ускорить и удешевить процесс водоподготовки на производстве.

Технически установка обратного осмоса представляет собой мембрану, через которую под определенным давлением просачивается вода. Мембрана имеет сетчатую структуру. Но размер ячеек настолько мал, что через них могут просочиться только молекулы воды. Остальные компоненты остаются и сбрасываются в канализацию.

Для создания обратноосмотического давления используются специальные насосы, которые являются частью промышленной установки водоочистки.

Обратный осмос может удалить из воды такие загрязнения:

Любые микроскопические вещества, которые находятся в воде в коллоидном состоянии. Более крупные частицы обычно очищаются до подачи в обратный осмос с помощью седиментных фильтров. В противном случае ресурс мембраны быстро исчерпается.
Любые растворенные вещества. Обратный осмос может умягчить воду и удалить из нее двухвалентное железо, марганец. Таким образом никакие вещества не будут мешать протеканию электролиза и выделению водорода с кислородом из воды.

Обратный осмос может иметь высокую производительность. Специалисты компании Экодар выполняют необходимые расчеты и собирают установки водоочистки, которые позволяют получать большие объемы воды для крупных предприятий.

Установки для очистки воды от компании Экодар

Производственное предприятие Экодар предлагает установки для очистки воды различного назначения и производительности. В каталоге на сайте можно найти устройства для индивидуального применения, для использования на общественных и производственных объектах.

Компания предлагает различные виды установок обратного осмоса. Они отличаются друг от друга производительностью, наличием дополнительных аксессуаров для комфортного использования, сферой применения.

Примеры доступных для заказа устройств:

Осмос 400 – готовое к использованию решение для водоподготовки. Состоит из фильтра обратного осмоса и дополнительных модулей, обеспечивающих его работу. Оборудование имеет компактные размеры и легко интегрируются в систему водопровода. Производительность составляет до 1500 литров в сутки (400 галлонов). Подходит для производства водорода в небольших количествах.

Осмос 800S — это фильтр обратного осмоса, собранный на компактной раме. Для подключения достаточно врезать систему в водопровод. Картридж предварительной фильтрации и угольный уже входят в комплект. Эту установку можно использовать для очистки воды с целью получения водорода. Одна из особенностей модели с индексом S — наличие накопительного бака, в котором хранится запас очищенной воды. Производительность модели — 3000 литров или 800 галлонов в сутки.
Промышленная установка обратного осмоса — оборудование с высокой производительностью, длительным сроком службы и надежностью. С помощью промышленной системы можно максимально очистить воду от примесей в непрерывном режиме.

Для получения консультаций и оформления заказа обратитесь к менеджерам отдела по работе с клиентами.

Перейти в каталог

Химики собрали дешевый электролизер на солнечных батареях

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.

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Электролизеры и вода: экономия воды, обеспечение мира зеленым водородом

Производство зеленого водорода не только не содержит углерода, но и может быть независимым от энергосистемы.

д-р Томас И. Вальдес, главный инженер отдела главного технического директора

Энергия, создаваемая с использованием воды, которая не выделяет углерод и не зависит от электрической сети, кажется надуманной. Это возможно с водородом. Однако некоторые люди задаются вопросом, является ли производство водорода эффективным использованием нашей воды, особенно в засушливых частях мира.

Если мы хотим помочь миру бороться с изменением климата, производство водорода — это эффективное использование воды. Вода это жизнь; как таковое, обеспечение доступа сообществ к воде для питья и жизни имеет первостепенное значение. Вода используется во многих различных отраслях промышленности — для выращивания продуктов питания, производства бензина, производства стали и других продуктов. Процесс, который мы используем для производства водорода, называемый электролизом, происходит в электролизере и использует воду. Однако электролизеры не увеличивают потребление воды, они вытесняют другие технологии, которые в долгосрочной перспективе могут использовать больше воды.

Что такое электролизер и как он работает?

Электролизер представляет собой электрохимическую машину, которая превращает воду в газообразный водород и кислород. Вода и электричество подаются в электролизер, и в зависимости от типа используемого электролизера вода затем преобразуется в протоны, ионы гидроксида или ионы кислорода посредством электрохимических реакций. Когда протоны, ионы гидроксида или ионы кислорода завершают свои соответствующие электрохимические реакции, они высвобождают водород и газообразный кислород из воды. Электролизеры не используют химикаты, только воду и электричество. При использовании возобновляемой энергии не выбрасывается углекислый газ или твердые частицы для производства водорода и кислорода посредством электролиза.

Как показано на рис. 1, водород улавливается, транспортируется и хранится для использования в любой отрасли, стремящейся уменьшить свой углеродный след. Образовавшийся кислород выбрасывается в воздух. Предполагается, что электролизеры скоро будут производить гигатонны зеленого водорода, поскольку мы переходим от ископаемого топлива к возобновляемому.

Рисунок 1: Зеленая водородная экосистема Plug’s

Откуда берется вода?

В процессе электролиза для производства водорода могут использоваться различные источники воды. Промышленная вода, которая может включать городскую воду или подземные воды, является наиболее распространенным источником воды, используемой в электролизе. По данным Геологической службы США, в отличие от питьевой воды, техническая вода используется во многих отраслях промышленности, включая металлургические предприятия, нефтеперерабатывающие заводы и предприятия по производству продуктов питания, бумаги и химикатов.

Перед использованием в процессе электролиза техническая вода проходит несколько этапов фильтрации для обеспечения максимальной чистоты. Представьте себе фильтр для воды Brita®, который вы можете использовать дома для очистки водопроводной воды. Процесс фильтрации воды подобен сложному фильтру для воды Brita®, где вода очищается в несколько этапов — удаляются ионы, такие как кальций, магний и другие минералы, которые нельзя использовать при электролизе. Схема такого фильтра для воды показана на рисунке 2.

Рисунок 2: Электролизерная система очистки воды.

«Вода, которую мы используем для производства водорода, должна быть максимально чистой, — сказал Тим Кортес, технический директор Plug. «После того, как водород произведен, любая избыточная вода затем перерабатывается для других нужд, обеспечивая процесс электролиза с минимальным потреблением воды».

По воде

Каждые девять литров ( 2,4 галлона ) воды содержат один килограмм водорода и восемь килограммов кислорода. Если учесть очистку воды и потерю некоторого количества водяного пара с выделением кислорода, фактическое количество составляет около 12 литров (9).0003 3 галлона ) воды на каждый килограмм водорода, полученного в результате электролиза.

Использование воды на электролизной установке

Производственная площадка Plug’s STAMP Green Hydrogen в Нью-Йорке будет производить 75 000 кг водорода в день. Он использует около 908 500 литров ( 240 000 галлонов ) воды для производства такого количества водорода. В самые жаркие дни года в процессе электролиза также используется вода для охлаждения. На заводе по производству водорода, таком как STAMP, потребуется в среднем 53 000 дополнительных литров ( 14 000 галлонов ) воды в день в самые жаркие дни года. Таким образом, максимальное ежедневное потребление воды на заводе по производству зеленого водорода STAMP компании Plug составит 961 500 литров ( 254 000 галлонов ). Это примерно то же количество воды, которое могла бы использовать большая молочная ферма, но меньше, чем для других сельскохозяйственных целей, таких как производство люцерны и миндаля. Типичное использование промышленной воды показано на Рис. 3.

Рис. 3: Типичное промышленное использование воды.

Использование воды на электростанциях

По сравнению с другими электростанциями водородная электростанция потребляет меньше воды. Атомная электростанция, например, использует 4,2 литра ( 1,1 галлона ) воды на каждый киловатт-час произведенной энергии. Точно так же угольная электростанция будет использовать 3,8 литра ( 1 галлон ) воды на каждый киловатт-час произведенной энергии. Однако электростанция, работающая на водороде, будет использовать 0,97 литра ( 0,225 галлона ) для обеспечения такой же энергии, по данным Monarch Partnership, консалтинговой фирмы по энергетике. См. рис. 4 ниже, чтобы сравнить использование воды на различных электростанциях.

Рисунок 4: Потребление воды на электростанциях

Использование воды в легковых автомобилях

Вода также используется в нефтегазовой промышленности для очистки нефтепродуктов. Для очистки трех миллиардов литров ( 800 миллионов галлонов ) нефтепродуктов каждый день в Соединенных Штатах мы используем от 3,8 до 7,6 миллиардов литров ( 1 до 2 миллиардов галлонов ) воды, по оценкам Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли. Нефтепродукты, такие как бензин, могут потреблять до 22,7 л ( 6 галлонов ) воды для производства 3,8 литров ( 1 галлон ) топлива. В лучшем случае 3,8 литра ( 1 галлон ) воды потребуется для производства бензина, достаточного для того, чтобы вы могли проехать:

7 миль в обычном внедорожнике
10,7 миль в типичном легковом автомобиле
18 миль в самые эффективные гибридные автомобили

С другой стороны, 3,8 литра ( 1 галлон ) воды могут произвести достаточное количество водорода для автомобиля на водородных топливных элементах, чтобы проехать 23,2 мили. Это подчеркивает большую эффективность электромобилей на топливных элементах по сравнению с традиционными бензиновыми автомобилями. Электромобили на топливных элементах могут извлекать больше энергии из водорода, чем бензиновые автомобили из бензина. Кроме того, для производства водорода требуется меньше воды, чем для производства бензина с эквивалентной энергией. Таким образом, автомобили на топливных элементах лучше используют воду как ресурс. Использование воды для производства топлива, используемого в потребительских транспортных средствах, лучше всего показано на рисунке 59.0005 Рисунок 5: Мили, пройденные на 3,8 литра ( 1 галлон ) воды, используемой для производства топлива.

Plug CTO Кортес и другие эксперты также согласны с тем, что рост доступности водорода будет означать, что такие отрасли, как производители стали и цемента, смогут сократить свой углеродный след.

Однако большая часть используемого сегодня водорода производится в процессе, называемом паровым риформингом метана. При паровой конверсии метана пар используется для преобразования природного газа в водород и углекислый газ. Исследование, проведенное Немецким энергетическим агентством в 2020 году, показало, что для парового риформинга метана требуется от 6 до 13 литров воды.0003 от 1,6 до 3,4 галлона ) воды на каждый килограмм произведенного водорода. Это похоже на воду, необходимую для электролиза. Однако установка паровой конверсии метана также будет выделять примерно 9 килограммов углекислого газа на каждый килограмм произведенного водорода в соответствии с Министерством энергетики (модель GREET). Таким образом, производственная площадка STAMP Green Hydrogen компании Plug может ежедневно предотвращать попадание в нашу атмосферу более 675 000 кг углекислого газа.

«Доказано, что метод электролиза является более экологически чистым способом производства водорода при использовании возобновляемых источников энергии», — сказал Кортес.

Обязательства компании Plug

Компания Plug активно ищет методы снижения потребления воды при производстве водорода. К ним относятся методы сухого охлаждения, высокоэффективные технологии очистки воды и строительство водоочистных сооружений, таких как водоочистное сооружение, которое Plug строит в Калифорнии. Plug ориентирован на создание комплексной зеленой водородной экосистемы, чтобы помочь предприятиям обезуглероживать свою деятельность, уменьшая выбросы углекислого газа и воды. Электролизеры являются важнейшим компонентом этой экосистемы, и понимание использования воды является ключом к их пользе.

Крупномасштабное производство водорода электролизом воды: технико-экономическая и экологическая оценка

Крупномасштабное производство водорода

посредством электролиза воды : технико-экономическая и экологическая оценка†

Том Терлоу, * ^аб христианин Бауэр, * ^и Рассел МакКенна ^CD и Марко Маццотти ^б

Принадлежности автора

* Соответствующие авторы

^и Группа оценки технологий, Лаборатория анализа энергетических систем, Институт Пауля Шеррера, 5232 Villigen PSI, Швейцария
Электронная почта: tom. [email protected], [email protected]

^б Институт энергетики и технологических процессов, ETH Zürich, Цюрих 8092, Швейцария

^с Кафедра анализа энергетических систем, факультет машиностроения и технологического проектирования, ETH Zürich, Цюрих 8092, Швейцария

^д Лаборатория анализа энергетических систем, 5232 Villigen PSI, Швейцария

Аннотация

rsc.org/schema/rscart38″> Низкоуглеродистый (зеленый) водород может быть получен посредством электролиза воды с использованием фотогальванической, ветровой, гидроэнергии или электричества из обезуглероженной сети. В этой работе количественно оцениваются текущие и будущие затраты, а также воздействие на окружающую среду крупномасштабных систем производства водорода на географических островах, которые демонстрируют высокий потенциал возобновляемых источников энергии и могут выступать в качестве центров экспорта водорода. Рассматриваются различные конфигурации производства водорода с учетом ежедневной производительности водорода 10 тонн, затрат на производство водорода, выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла, использования материалов и преобразования земли. Результаты показывают, что затраты на производство электролитического водорода составляют 3,7 евро за кг H 9 .0167 ₂ доступны уже сегодня, и что снижение до 2 евро за кг H ₂ в 2040 году вероятно, что, следовательно, приближается к паритету затрат с водородом из риформинга природного газа даже при применении «исторических» цен на природный газ. Недавний скачок цен на природный газ показывает, что паритет стоимости между зеленым и серым водородом может быть достигнут уже сегодня. Производство водорода с помощью электролиза воды с низкими затратами и низким уровнем выбросов парниковых газов в настоящее время возможно только в очень определенных местах. Гибридные конфигурации с использованием различных вариантов электроснабжения демонстрируют наилучшие экономические показатели в сочетании с низкой нагрузкой на окружающую среду. Автономные системы производства водорода особенно эффективны для производства низкоуглеродного водорода, хотя производство компонентов системы большего размера может привести к значительным экологическим нагрузкам и инвестициям. Некоторые материалы (особенно иридий) и доступность земли могут быть ограничивающими факторами при расширении производства зеленого водорода с помощью электролизеров с мембраной из полимерного электролита (ПЭМ). Это означает, что лица, принимающие решения, должны учитывать аспекты, помимо затрат и выбросов парниковых газов, при проектировании крупномасштабных систем производства водорода, чтобы избежать рисков, связанных, например, с поставкой дефицитных материалов.