Eletrolisador de água para hidrogênio

A eletrólise é uma opção promissora para a produção de hidrogénio sem carbono a partir de recursos renováveis ​​e nucleares. Eletrólise é o processo de usar eletricidade para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. Essa reação ocorre em uma unidade chamada eletrolisador. Os eletrolisadores podem variar em tamanho, desde equipamentos pequenos, do tamanho de eletrodomésticos, adequados para a produção distribuída de hidrogênio em pequena escala, até instalações de produção central em grande escala que podem ser vinculadas diretamente a fontes renováveis ​​ou outras formas de energia não emissoras de gases de efeito estufa. produção de eletricidade.

Como funciona
Assim como as células a combustível, os eletrolisadores consistem em um ânodo e um cátodo separados por um eletrólito. Diferentes eletrolisadores funcionam de maneiras diferentes, principalmente devido aos diferentes tipos de material eletrolítico envolvido e às espécies iônicas que ele conduz.

Eletrolisadores de membrana eletrolítica de polímero
Em um eletrólito de membrana eletrolítica polimérica (PEM), o eletrólito é um material plástico especial sólido.

A água reage no ânodo para formar oxigênio e íons de hidrogênio carregados positivamente (prótons).
Os elétrons fluem através de um circuito externo e os íons de hidrogênio movem-se seletivamente através do PEM até o cátodo.
No cátodo, os íons hidrogênio se combinam com os elétrons do circuito externo para formar gás hidrogênio. Reação do ânodo: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Reação do cátodo: 4H+ + 4e- → 2H2

Eletrolisadores Alcalinos
Os eletrolisadores alcalinos operam através do transporte de íons hidróxido (OH-) através do eletrólito do cátodo para o ânodo, com hidrogênio sendo gerado no lado do cátodo. Eletrolisadores que utilizam uma solução líquida alcalina de hidróxido de sódio ou potássio como eletrólito estão disponíveis comercialmente há muitos anos. Abordagens mais recentes usando membranas sólidas de troca alcalina (AEM) como eletrólito estão se mostrando promissoras em escala laboratorial.

Eletrolisadores de óxido sólido
Eletrolisadores de óxido sólido, que usam um material cerâmico sólido como eletrólito que conduz seletivamente íons de oxigênio carregados negativamente (O2-) em temperaturas elevadas, geram hidrogênio de uma maneira ligeiramente diferente.
O vapor no cátodo combina-se com os elétrons do circuito externo para formar gás hidrogênio e íons de oxigênio carregados negativamente.
Os íons de oxigênio passam através da membrana cerâmica sólida e reagem no ânodo para formar gás oxigênio e gerar elétrons para o circuito externo.
Os eletrolisadores de óxido sólido devem operar em temperaturas altas o suficiente para que as membranas de óxido sólido funcionem adequadamente (cerca de 700 graus –800 graus, em comparação com os eletrolisadores PEM, que operam a 70 graus –90 graus, e os eletrolisadores alcalinos comerciais, que normalmente operam a menos de 100 graus). Eletrolisadores avançados de óxido sólido em escala de laboratório baseados em eletrólitos cerâmicos condutores de prótons estão se mostrando promissores para reduzir a temperatura operacional para 500 graus –600 graus. Os eletrolisadores de óxido sólido podem efetivamente usar o calor disponível nessas temperaturas elevadas (de várias fontes, incluindo energia nuclear) para diminuir a quantidade de energia elétrica necessária para produzir hidrogênio a partir da água.

Por que esse caminho está sendo considerado
A eletrólise é um caminho líder de produção de hidrogênio para atingir a meta da Hydrogen Energy Earthshot de reduzir o custo do hidrogênio limpo em 80%, para US$ 1 por 1 quilograma, em 1 década ("1 1 1"). O hidrogénio produzido por eletrólise pode resultar em zero emissões de gases com efeito de estufa, dependendo da fonte de eletricidade utilizada. A fonte da electricidade necessária – incluindo o seu custo e eficiência, bem como as emissões resultantes da produção de electricidade – deve ser considerada ao avaliar os benefícios e a viabilidade económica da produção de hidrogénio através da electrólise. Em muitas regiões do país, a rede eléctrica actual não é ideal para fornecer a electricidade necessária para a electrólise devido aos gases com efeito de estufa libertados e à quantidade de combustível necessária devido à baixa eficiência do processo de geração de electricidade. A produção de hidrogénio através de eletrólise está a ser procurada para opções de energia renovável (eólica, solar, hídrica, geotérmica) e nuclear. Estas vias de produção de hidrogénio resultam em emissões praticamente nulas de gases com efeito de estufa e de poluentes criteriosos; no entanto, o custo de produção precisa de ser reduzido significativamente para ser competitivo com vias mais maduras baseadas no carbono, como a reforma do gás natural.

Potencial de sinergia com geração de energia renovável
A produção de hidrogénio através da eletrólise pode oferecer oportunidades de sinergia com a geração de energia dinâmica e intermitente, que é característica de algumas tecnologias de energias renováveis. Por exemplo, embora o custo da energia eólica tenha continuado a diminuir, a variabilidade inerente do vento é um impedimento à utilização eficaz da energia eólica. A geração de combustível de hidrogénio e de energia eléctrica poderia ser integrada num parque eólico, permitindo flexibilidade para mudar a produção para melhor combinar a disponibilidade de recursos com as necessidades operacionais do sistema e os factores de mercado. Além disso, em tempos de excesso de produção de electricidade a partir de parques eólicos, em vez de reduzir a electricidade como é habitualmente feito, é possível utilizar este excesso de electricidade para produzir hidrogénio através de electrólise.

É importante observar...
A electricidade da rede actual não é a fonte ideal de electricidade para electrólise porque a maior parte da electricidade é gerada através de tecnologias que resultam em emissões de gases com efeito de estufa e que consomem muita energia. A produção de electricidade utilizando tecnologias de energia renovável ou nuclear, quer separada da rede, quer como uma parte crescente do mix da rede, é uma opção possível para superar estas limitações para a produção de hidrogénio através da electrólise.

Num processo de eletrólise, dois processos de ionização diferentes ocorrem ao mesmo tempo. Tanto a água quanto o eletrólito estão competindo neste caso.

Um eletrólito sofre o mesmo processo de ionização que a água. A mesma oxidação e redução ocorreriam em um eletrólito.
Como um ânion do eletrólito compete com os íons hidróxido para ceder um elétron, e um cátion compete com o íon hidrogênio para ser reduzido ao aceitar o elétron, um eletrólito deve ser escolhido com cuidado.

O cátion do eletrólito deve ter um potencial de eletrodo menor que o H+. Lembre-se sempre de que em qualquer eletrólise o potencial do eletrodo do cátion do eletrólito deve ser menor que o potencial do eletrodo do cátion da substância que está sendo eletrolisada e o potencial do eletrodo do ânion do eletrólito deve ser maior que o potencial do eletrodo do ânion do eletrólito. a substância que está sendo eletrolisada.

A produção de hidrogénio verde utilizando fontes de energia renováveis ​​despertou interesse suficiente na eletrólise da água para produzir hidrogénio. A eletrólise da água utilizando fontes de energia renováveis ​​sem emissões de CO2 é vista como um método promissor para aumentar a taxa de produção de hidrogénio. Em 2020, aproximadamente 87 milhões de toneladas de hidrogênio foram produzidas em todo o mundo para diversos usos, incluindo refino de petróleo, produção de amônia (NH3) (através do processo Haber) e metanol (CH3OH) (através da redução de monóxido de carbono [CO]), e como um combustível de transporte. Espera-se que a procura de hidrogénio atinja 500-680 milhões de toneladas métricas até 2050. O mercado de produção de hidrogénio foi avaliado em 130 mil milhões de dólares entre 2020 e 2021 e deverá crescer a uma taxa anual de 9,2% até 2030. Mas há um problema: mais de 95% da produção atual de hidrogénio baseia-se em combustíveis fósseis, sendo muito pouco “verde”. Hoje, a produção de hidrogénio consome 6% do gás natural global e 2% do carvão global. No entanto, as tecnologias de produção de hidrogénio verde estão a ganhar popularidade.

A eletrólise é um processo que usa eletricidade para dividir a água em H2 e O2. O fluxo de elétrons através de um caminho condutor, como um fio, é o que é a eletricidade. Este caminho é conhecido como circuito. Os elétrons se movem devido à diferença de potencial elétrico entre o ânodo e o cátodo. O ânodo tem mais elétrons e é mais instável devido ao apinhamento de elétrons. Os elétrons querem se reorganizar para eliminar a diferença. Os elétrons se repelem e tentam se mover para um local com menos elétrons. Isso é um cátodo.
Como a água pura não conduz eletricidade, a divisão da água é uma reação redox lenta.

Química
No eletrolisador, há um cátodo e um ânodo conectados a uma fonte de energia. Os elétrons sempre fluem do ânodo para o cátodo, não importa o que aconteça. O cátodo é sempre onde ocorre a redução, portanto os elétrons precisam estar lá. A oxidação é a perda de elétrons e a redução é o ganho de elétrons.
Resumidamente, no cátodo carregado negativamente, ocorre uma reação de redução, com elétrons (e−) do cátodo sendo dados a cátions hidrogênio para formar gás hidrogênio.
Cátodo (redução):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
No ânodo carregado positivamente, ocorre uma reação de oxidação, gerando gás oxigênio e dando elétrons ao ânodo para completar o circuito.
Ânodo (oxidação): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Uma combinação dessas reações produz:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 é produzido no cátodo e O2 no ânodo.
A eletrólise da água requer uma diferença de potencial mínima de 1,23 volts, embora nessa tensão seja necessário calor externo do ambiente.

As pilhas bipolares de eletrólise de água são compostas por muitas células eletroquímicas individuais em séries elétricas. Na prática, as pilhas de células de eletrólise de água que acabaram de ser interrompidas podem reter uma carga elétrica significativa devido ao hidrogênio e oxigênio residuais remanescentes dentro de cada célula. Deixada sozinha, pode levar muitas horas para que essa carga eletroquímica residual se dissipe. O pessoal de serviço e manutenção do sistema deve ter extremo cuidado ao tentar consertar ou substituir essas pilhas de células logo após a operação. Por exemplo, uma ferramenta de metal, como uma chave inglesa, pode inadvertidamente preencher uma lacuna entre uma placa terminal de corrente positiva de pilha de células e uma estrutura de suporte de metal aterrada, atraindo uma grande corrente ou um arco elétrico com danos e ferimentos como resultado indesejado. O pessoal que não usa equipamento de proteção isolante adequado também corre risco.

A melhor prática para o pessoal de manutenção e serviço é verificar se nenhuma carga elétrica significativa permanece na pilha de células antes de remover as proteções de segurança e as conexões elétricas da pilha de células. O pessoal é aconselhado a realizar uma medição de tensão da pilha de células para verificar se a pilha de células está descarregada. Em alguns casos, o pessoal de serviço também pode aplicar uma ferramenta de serviço adequadamente projetada, composta por um resistor de curto-circuito de alta corrente através da pilha de células descarregadas, como proteção adicional.

Os produtos são vendidos em todas as regiões da China e exportados para países ao redor do mundo. Eles foram vendidos em mais de 20 países e regiões, incluindo Estados Unidos, Alemanha, Marrocos, Quênia, Arábia Saudita, Vietnã, Argélia, Índia, Tanzânia e Taiwan. Forneceu com sucesso empresas conhecidas, como China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Speciality, Tony Electronics, Zheng Energy Group e outras empresas conhecidas. Existem muitas estações de hidrogenação de hidrogênio verde, como Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc., que fornecem projetos verdes e de produção de hidrogênio.