Elettrolizzatore ad acqua per idrogeno

L’elettrolisi è un’opzione promettente per la produzione di idrogeno privo di carbonio da risorse rinnovabili e nucleari. L’elettrolisi è il processo che utilizza l’elettricità per dividere l’acqua in idrogeno e ossigeno. Questa reazione avviene in un'unità chiamata elettrolizzatore. Le dimensioni degli elettrolizzatori possono variare da apparecchiature di piccole dimensioni, adatte alla produzione distribuita di idrogeno su piccola scala, a impianti di produzione centralizzati su larga scala che potrebbero essere collegati direttamente a fonti rinnovabili o ad altre forme di idrogeno che non emettono gas serra. produzione di energia elettrica.

Come funziona
Come le celle a combustibile, gli elettrolizzatori sono costituiti da un anodo e un catodo separati da un elettrolita. Diversi elettrolizzatori funzionano in modi diversi, principalmente a causa del diverso tipo di materiale elettrolitico coinvolto e delle specie ioniche che conduce.

Elettrolizzatori a membrana elettrolitica polimerica
In un elettrolizzatore a membrana elettrolitica polimerica (PEM), l'elettrolita è un materiale plastico speciale solido.

L'acqua reagisce all'anodo per formare ossigeno e ioni idrogeno caricati positivamente (protoni).
Gli elettroni fluiscono attraverso un circuito esterno e gli ioni idrogeno si muovono selettivamente attraverso il PEM fino al catodo.
Al catodo, gli ioni idrogeno si combinano con gli elettroni del circuito esterno per formare idrogeno gassoso. Reazione anodica: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Reazione catodica: 4H+ + 4e- → 2H2

Elettrolizzatori alcalini
Gli elettrolizzatori alcalini funzionano tramite il trasporto di ioni idrossido (OH-) attraverso l'elettrolita dal catodo all'anodo con la generazione di idrogeno sul lato del catodo. Elettrolizzatori che utilizzano una soluzione alcalina liquida di idrossido di sodio o di potassio come elettrolita sono disponibili in commercio da molti anni. Gli approcci più recenti che utilizzano membrane solide a scambio alcalino (AEM) come elettrolita si stanno rivelando promettenti su scala di laboratorio.

Elettrolizzatori a ossido solido
Gli elettrolizzatori a ossido solido, che utilizzano un materiale ceramico solido come elettrolita che conduce selettivamente ioni di ossigeno caricati negativamente (O2-) a temperature elevate, generano idrogeno in un modo leggermente diverso.
Il vapore al catodo si combina con gli elettroni del circuito esterno per formare gas idrogeno e ioni di ossigeno caricati negativamente.
Gli ioni di ossigeno passano attraverso la solida membrana ceramica e reagiscono all'anodo per formare ossigeno gassoso e generare elettroni per il circuito esterno.
Gli elettrolizzatori a ossido solido devono funzionare a temperature sufficientemente elevate affinché le membrane a ossido solido funzionino correttamente (circa 700 gradi –800 gradi, rispetto agli elettrolizzatori PEM, che funzionano a 70 gradi –90 gradi, e agli elettrolizzatori alcalini commerciali, che tipicamente funzionano a meno di 100 gradi). Gli elettrolizzatori avanzati a ossido solido su scala di laboratorio basati su elettroliti ceramici a conduzione protonica si stanno dimostrando promettenti per abbassare la temperatura operativa a 500 –600 gradi. Gli elettrolizzatori a ossido solido possono utilizzare efficacemente il calore disponibile a queste temperature elevate (da varie fonti, inclusa l’energia nucleare) per ridurre la quantità di energia elettrica necessaria per produrre idrogeno dall’acqua.

Perché viene preso in considerazione questo percorso
L'elettrolisi è un percorso leader nella produzione di idrogeno per raggiungere l'obiettivo Earthshot di Hydrogen Energy di ridurre il costo dell'idrogeno pulito dell'80% a 1 dollaro per 1 chilogrammo in 1 decennio ("1 1 1"). L’idrogeno prodotto tramite elettrolisi può comportare zero emissioni di gas serra, a seconda della fonte di elettricità utilizzata. Quando si valutano i benefici e la fattibilità economica della produzione di idrogeno tramite elettrolisi, è necessario considerare la fonte dell’elettricità necessaria, compresi i suoi costi e la sua efficienza, nonché le emissioni derivanti dalla produzione di elettricità. In molte regioni del Paese, la rete elettrica odierna non è ideale per fornire l'elettricità necessaria per l'elettrolisi a causa dei gas serra rilasciati e della quantità di carburante necessaria a causa della bassa efficienza del processo di generazione di elettricità. La produzione di idrogeno tramite elettrolisi viene perseguita per le opzioni di energia rinnovabile (eolica, solare, idroelettrica, geotermica) e nucleare. Questi percorsi di produzione dell’idrogeno comportano praticamente zero emissioni di gas serra e inquinanti; tuttavia, il costo di produzione deve essere ridotto in modo significativo per essere competitivi con percorsi più maturi basati sul carbonio come il reforming del gas naturale.

Potenziale di sinergia con la produzione di energia da fonti rinnovabili
La produzione di idrogeno tramite elettrolisi può offrire opportunità di sinergia con la generazione di energia dinamica e intermittente, caratteristica di alcune tecnologie di energia rinnovabile. Ad esempio, sebbene il costo dell’energia eolica abbia continuato a diminuire, la variabilità intrinseca del vento costituisce un ostacolo all’uso efficace dell’energia eolica. La produzione di idrogeno e energia elettrica potrebbe essere integrata in un parco eolico, consentendo la flessibilità di spostare la produzione per abbinare al meglio la disponibilità delle risorse con le esigenze operative del sistema e i fattori di mercato. Inoltre, in tempi di produzione di elettricità in eccesso da parte dei parchi eolici, invece di ridurre l’elettricità come si fa comunemente, è possibile utilizzare questa elettricità in eccesso per produrre idrogeno attraverso l’elettrolisi.

È importante notare...
L'elettricità della rete odierna non è la fonte ideale di elettricità per l'elettrolisi perché la maggior parte dell'elettricità viene generata utilizzando tecnologie che comportano emissioni di gas serra e comportano un elevato consumo di energia. La generazione di elettricità utilizzando tecnologie di energia rinnovabile o nucleare, separatamente dalla rete o come parte crescente del mix di rete, è un’opzione possibile per superare queste limitazioni per la produzione di idrogeno tramite elettrolisi.

In un processo di elettrolisi hanno luogo contemporaneamente due diversi processi di ionizzazione. In questo caso sono in competizione sia l’acqua che l’elettrolita.

Un elettrolita subisce lo stesso processo di ionizzazione dell'acqua. La stessa ossidazione e riduzione si verificherebbe in un elettrolita.
Poiché un anione dell'elettrolita compete con gli ioni idrossido per cedere un elettrone e un catione compete con lo ione idrogeno per ridursi accettando l'elettrone, l'elettrolita deve essere scelto con cura.

Il catione dell'elettrolita deve avere un potenziale dell'elettrodo inferiore a H+. Ricordare sempre che in qualsiasi elettrolisi il potenziale dell'elettrodo del catione dell'elettrolita dovrebbe essere inferiore al potenziale dell'elettrodo del catione della sostanza da elettrolizzare e il potenziale dell'elettrodo dell'anione dell'elettrolita dovrebbe essere superiore al potenziale dell'elettrodo dell'anione dell'elettrolita. la sostanza da elettrolizzare.

La produzione di idrogeno verde utilizzando fonti energetiche rinnovabili ha suscitato abbastanza interesse per l’elettrolisi dell’acqua per produrre idrogeno. L’elettrolisi dell’acqua utilizzando fonti energetiche rinnovabili senza emissioni di CO2 è considerata un metodo promettente per aumentare il tasso di produzione dell’idrogeno. Nel 2020, circa 87 milioni di tonnellate di idrogeno sono state prodotte in tutto il mondo per vari usi, tra cui la raffinazione del petrolio, la produzione di ammoniaca (NH3) (tramite il processo Haber) e metanolo (CH3OH) (tramite riduzione del monossido di carbonio [CO]) e, come un carburante per i trasporti. Si prevede che la domanda di idrogeno raggiungerà i 500-680 milioni di tonnellate entro il 2050. Il mercato della produzione di idrogeno è stato valutato a 130 miliardi di dollari dal 2020 al 2021 e si prevede che crescerà a un tasso annuo del 9,2% fino al 2030. Ma c'è un problema: oltre il 95% dell’attuale produzione di idrogeno è basata su combustibili fossili, e ben poco è “verde”. Oggi, la produzione di idrogeno consuma il 6% del gas naturale globale e il 2% del carbone globale. Tuttavia, le tecnologie di produzione dell’idrogeno verde stanno guadagnando popolarità.

L’elettrolisi è un processo che utilizza l’elettricità per dividere l’acqua in H2 e O2. L'elettricità è il flusso di elettroni attraverso un percorso conduttivo, come un filo. Questo percorso è noto come circuito. Gli elettroni si muovono a causa della differenza di potenziale elettrico tra l'anodo e il catodo. L'anodo ha più elettroni ed è più instabile a causa dell'affollamento degli elettroni. Gli elettroni vogliono riorganizzarsi per eliminare la differenza. Gli elettroni si respingono e cercano di spostarsi in un luogo con meno elettroni. Questo è un catodo.
Poiché l’acqua pura non conduce elettricità, la scissione dell’acqua è una lenta reazione redox.

Chimica
Nell'elettrolizzatore sono presenti un catodo e un anodo collegati a una fonte di alimentazione. Gli elettroni fluiscono sempre dall'anodo al catodo, qualunque cosa accada. Il catodo è sempre il luogo in cui avviene la riduzione, quindi è necessario che gli elettroni siano presenti. L’ossidazione è la perdita di elettroni mentre la riduzione è l’acquisto di elettroni.
In breve, sul catodo carico negativamente ha luogo una reazione di riduzione, in cui gli elettroni (e−) provenienti dal catodo vengono ceduti ai cationi idrogeno per formare idrogeno gassoso
Catodo (riduzione):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Sull'anodo carico positivamente avviene una reazione di ossidazione, che genera ossigeno gassoso e fornisce elettroni all'anodo per completare il circuito
Anodo (ossidazione): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Una combinazione di queste reazioni produce:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
Al catodo viene prodotto H2 e all'anodo O2.
L'elettrolisi dell'acqua richiede una differenza di potenziale minima di 1,23 volt, sebbene a quella tensione sia richiesto calore esterno dall'ambiente.

Gli stack di celle bipolari per elettrolisi dell'acqua sono composti da molte singole celle elettrochimiche in serie elettriche. In pratica, le pile di celle per l'elettrolisi dell'acqua che sono state appena fermate possono conservare una carica elettrica significativa a causa dell'idrogeno e dell'ossigeno residui rimasti all'interno di ciascuna cella. Se lasciata sola, potrebbero essere necessarie molte ore prima che questa carica elettrochimica residua si dissipi. Il personale addetto all'assistenza e alla manutenzione del sistema deve prestare la massima attenzione se tenta di riparare o sostituire questi gruppi di celle subito dopo l'uso. Ad esempio, uno strumento metallico come una chiave inglese potrebbe inavvertitamente colmare uno spazio tra la piastra terminale di corrente positiva di una pila di celle e un telaio di supporto metallico messo a terra, attirando una corrente elevata o un arco elettrico con danni e lesioni come risultato indesiderato. Anche il personale che non indossa adeguati dispositivi di protezione isolante è a rischio.

La migliore pratica per il personale di manutenzione e assistenza consiste nel verificare che non rimanga alcuna carica elettrica significativa nella pila di celle prima di rimuovere le protezioni di sicurezza e i collegamenti elettrici dalla pila di celle. Si consiglia al personale di eseguire una misurazione della tensione della pila di celle per verificare che la pila di celle sia scarica. In alcuni casi, il personale di servizio può anche applicare uno strumento di servizio adeguatamente progettato composto da un resistore di cortocircuito ad alta corrente attraverso la pila di celle scariche come protezione aggiuntiva.

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