Получение водорода электролизом воды — технология и оборудование
Водород представляет собой ключевой элемент на пути к обезуглероживанию энергетических секторов: электроэнергетики, промышленности, транспорта и зданий. С одной стороны, водород служит вторичным энергоносителем и накопителем, с другой стороны, он используется в качестве сырья для замены ископаемых углеводородов, например, в производстве стали.
Ожидаемые огромные количества водорода требуют крупномасштабного хранения, предпочтительно в геологических недрах. Они служат для согласования колебаний выработки ветровой и солнечной энергии с фактическим спросом и в качестве буфера для бесперебойного снабжения непрерывных промышленных процессов.
Электролизом воды называется физико-химический процесс, при котором под действием постоянного электрического тока вода разлагается на кислород и водород. Постоянное напряжение для ячейки получается, как правило, выпрямлением трехфазного переменного тока.
В электролитической ячейке дистиллированная вода подвергается электролизу, при этом химическая реакция идет по следующей известной схеме: 2Н2O + энергия —> 2H2+O2.
В результате разделения на части молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше чем кислорода. Перед использованием газы в установке обезвоживаются и охлаждаются. Выходные трубопроводы установки всегда защищены возвратными клапанами для предотвращения возгораний.
Непосредственно каркас конструкции изготавливается из стальных труб и толстых листов стали, что придает всей конструкции высокую жесткость и механическую прочность. Газовые резервуары обязательно тестируются под давлением.
Электронный блок устройства контролирует все стадии процесса производства, и позволяет оператору следить за параметрами на панели и на манометрах, чем обеспечивает безопасность. Эффективность электролиза такова, что из 500 мл воды получается около кубометра обоих газов с затратами около 4 квт/ч электрической энергии.
По сравнению с прочими методами получения водорода, электролиз воды отличается целым рядом преимуществ. Во-первых, в ход идет доступное сырье — деминерализованная вода и электроэнергия. Во-вторых, во время производства отсутствуют загрязняющие выбросы. В-третьих, процесс целиком автоматизирован. Наконец, на выходе получается достаточно чистый (99,99%) продукт.
Поэтому электролизные установки и получаемый на них водород, находят сегодня применение во многих отраслях: в химическом синтезе, в термической обработке металлов, в производстве растительных масел, в стекольной промышленности, в электронике, в системах охлаждения в энергетике и т. д.
Установка для электролиза устроена следующим образом. Снаружи расположена панель управления генератором водорода. Далее установлены выпрямитель, трансформатор, распределительное устройство, система деминерализованной воды и блок для ее пополнения.
В электролитической ячейке на стороне катодной пластины получается водород, а на стороне анодной — кислород. Здесь газы покидают ячейку. Они разделяются и подаются в сепаратор, затем охлаждаются деминерализованной водой, после чего отделяются под действием гравитации от жидкой фазы. Водород направляется в промыватель, где из газа удаляются капли щелока и происходит охлаждение в змеевике.
Наконец, водород проходит фильтрацию (фильтр на верху сепаратора), где капельки воды полностью устраняются, и поступает в сушильную камеру. Кислород обычно направляется в атмосферу. Деминерализованная вода подается в промыватель насосом.
Щелок используют здесь для повышения электропроводности воды. Если эксплуатация электролизера идет штатно, то щелок пополняют единожды в год в небольшом количестве. Твердое едкое кали кладется в резервуар для щелока, заполненный на две трети деминерализованной водой, после чего насос перемешивает его в раствор.
Система водяного охлаждения электролизера служит двум целям: охлаждает щелок до 80-90°C и охлаждает полученные газы до 40°C.
Система анализа газа принимает пробы водорода. Капли щелока в сепараторе отделяются, газ подается к анализатору, давление понижается, проверяется содержание в водороде кислорода. Прежде чем водород будет направлен в резервуар, во влагомере будет измерена точка росы. Сигнал будет подан оператору или на ПК, чтобы решить, подходит ли полученный водород для направления в накопительный резервуар, соответствует ли газ условиям приема.
Рабочее давление установки регулируется при помощи системы автоматического контроля. Датчик получает информацию о давлении внутри электролизера, затем данные направляются на ПК, где сравниваются с заданными параметрами. Далее результат преобразуется в сигнал порядка 10 мА, и рабочее давление удерживается на заданном уровне.
Рабочая температура установки регулируется пневматическим мембранным клапаном. Компьютер аналогичным образом сравнит температуру с заданной, и разница будет преобразована в соответствующий сигнал для ПЛК.
Безопасность работы электролизера обеспечивается системой блокировки и сигнализации. В случае утечки водорода, обнаружение происходит автоматически детекторами. Программа при этом сразу отключает генерацию и запускает вентилятор для проветривания помещения. Переносной детектор утечки находится обязательно у оператора. Все эти меры позволяют достичь высокой степени безопасности при эксплуатации электролизеров.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Водород из воды: просто и дешево
Российский исследователь сконструировал электролизер, позволяющий получать водород из воды, затрачивая на это очень мало энергии.
Российский исследователь сконструировал электролизер, позволяющий получать водород из воды, затрачивая на это очень мало энергии.
Водород — экологически чистый энергоноситель, к тому же практически неисчерпаемый. Согласно расчетам, из 1 л воды можно получить 1234, 44 л водорода. Однако переход энергетики на водородное топливо тормозят большие затраты энергии, необходимые для получения водорода из воды. Процесс электролиза идет при напряжении 1,6—2,0 В и силе тока в десятки и сотни ампер. Самые современные электролизеры расходуют на получение кубометра водорода больше энергии, чем можно получить при его сжигании (4 и 3,55 кВт.ч соответственно). Проблему уменьшения затрат энергии на получение водорода из воды решают многие лаборатории мира, но существенных результатов достичь пока не удалось. Однако в природе существует экономный процесс разложения молекул воды на водород и кислород. Протекает он при фотосинтезе. При этом атомы водорода участвуют в формировании органических молекул, а кислород уходит в атмосферу. Ячейка электролизера, разработанная Ф.Канаревым из Кубанского государственного аграрного университета, моделирует этот процесс.
Сходство с фотосинтезом заключается в том, что ячейка потребляет очень мало энергии. Фактически устройство использует напряжение всего в 0,062 В при силе тока 0,02 А. Ф.Канарев сконструировал две лабораторные модели электролизера: с коническими и цилиндрическими стальными электродами. По замыслу своего создателя, они моделируют годовые кольца ствола дерева. Даже при полном отсутствии электролита на электродах ячейки появляется разность потенциалов около 0,1В. После заливки раствора разность потенциалов возрастает. При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, отрицательный — на нижнем. Ячейка низкоамперного электролизера представляет собой конденсатор. Вначале он заряжается при напряжении 1,5-2 В и силе тока, значительно большей 0,02 А, а затем постепенно разряжается под действием происходящих в нем электролитических процессов. И в это время устройство потребляет совсем немного энергии, которую тратит на подзарядку конденсатора. Даже в отключенном от сети приборе электролиз идет еще пять часов, о чем свидетельствует интенсивное бульканье пузырьков газа.
Обе модели электролизера, и с коническими, и с цилиндрическими электродами, работают с одинаковой энергетической эффективностью. Показатель этой эффективности еще предстоит уточнять. Но уже сейчас ясно, что затраты энергии на получение водорода из воды при низкоамперном электролизе уменьшаются в 12 раз, а по самым смелым подсчетам — почти в 2000 раз (т.е. составляют всего от 0,407 до 0,0023 кВт.ч на кубометр водорода). По мнению Ф.Канарева, предложенный им метод получения дешевого водорода из воды можно будет использовать для создания промышленных электролизеров, которые найдут применение в будущей водородной энергетике.
Российские ученые разработали способ получения водорода, который затрачивает вдвое меньше энергии, чем электролиз
Химикам УУХ СО РАН удалось в 2 раза сократить энергозатраты на получение водорода с помощью разложения воды.
Источник: ФИЦ угля и углехимии СО РАН (Кемерово)
Кемерово, 23 мая — ИА Neftegaz.RU. Ученые ФИЦ угля и углехимии СО РАН (Кемерово) разработали технологию получения водорода окислением частиц алюминия в воде под воздействием лазерного излучения.
Об этом сообщила пресс-служба Центра НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики».
Расчеты показали, что эта технология затрачивает в 2 раза меньше энергии, чем классический способ синтеза «зеленого» водорода — электролиз.
Зеленый водород — самый чистый, его получают методом электролиза, т.е. путем разложения воды на водород и кислород с помощью электрического тока, который используют от возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Главный недостаток этой технологии — высокая стоимость.
Удельные затраты электроэнергии на производство водорода достигают 40 кВт·ч/кг.
Во многом из-за этого доля «зеленого» водорода не превышает 5% мирового объема производства.
Технология получения водорода окислением частиц алюминия в воде под воздействием лазерного излучения
Источник фото: ФИЦ угля и углехимии СО РАН
Химикам ФИЦ УУХ СО РАН удалось в 2 раза сократить энергозатраты на получение водорода с помощью разложения воды.
В качестве сырья они использовали суспензию из воды и нанопорошка алюминия, которую облучали лазером.
Водород получался под действием лазерных импульсов (1064 нм, 14 нс, 10 Гц, 0,5–6 Дж/см 2 ) на суспензию, содержащую 0,03 мас. % алюминия (100 нм) в воде.
Наночастицы алюминия поглощают энергию лазера и нагреваются.
В результате нагрева непрерывность оксидной пленки нарушается, и металлический алюминий вступает в реакцию с водой.
Происходит полное превращение алюминия в продукты (гиббсит, бемит, байерит).
Максимальный выход водорода V m = 8,4 мл не зависит от плотности энергии лазерного излучения.
Время достижения V м уменьшается по гиперболическому закону с увеличением плотности энергии лазерного излучения, достигая 3,5 мин при плотности энергии 6 Дж/см 2 .
- преимущество технологии в том, что лазерное излучение поглощается только частицами алюминия, а вода оптически прозрачна;
- частицы алюминия покрыты оксидной оболочкой — облучение разрушает ее, вода контактирует с металлическим ядром и происходит химическая реакция с выделением водорода;
- благодаря простоте процесса, выбранным компонентам и инструментам мы можем сократить затраты электроэнергии до 15–17 кВт·ч на 1 кг водорода.
Побочный продукт процесса — оксид алюминия, который можно использовать для производства адсорбентов и керамических материалов, а также в качестве носителя катализаторов.
Технология с учетом выведения на промышленный уровень также может оказаться доступнее электролиза.
- наш лазер исследовательского класса и характеристики его излучения даже избыточны для промышленного получения водорода данным методом;
- предлагаемую технологию можно масштабировать, используя доступные коммерческие полупроводниковые лазеры;
- наши расчеты показывают, что производительность модуля с использованием одного источника лазерного излучения составит 2,5-3 м 3 /час водорода;
- если их объединить в кластер, то можно достичь показателей промышленного электролизера, только система получится более компактной и дешевой.
Преимущества новой технологии
- более выгодна, чем получение водорода путем лазерной абляции металлов, поскольку здесь используются более низкие плотности лазерной энергии при одинаковых скоростях реакции;
- повышенная плотность энергии позволит получить более высокие скорости реакции при 100% превращении металла в продукты без нагревания всей суспензии;
- в предлагаемой технологии получения водорода сырье представлено только наночастицами алюминия и водой:
- водная суспензия наночастиц алюминия не содержит дополнительных химических соединений,
- легирования наночастиц алюминия или их специальной обработки не требуется,
- новая технология технически проста,
- применение недорогих и широко распространенных полупроводниковых лазеров позволит снизить себестоимость производимого водорода,
- в состав продуктов реакции входит не только водород, но и наноструктурированные частицы гидроксида алюминия. Эти продукты, полученные при нагревании гидроксида алюминия, могут значительно компенсировать стоимость исходного материала.
- сложное масштабирование технологического процесса.
ФИЦ угля и углехимии СО РАН
- доведение уровня готовности предлагаемых технических решений до высокой стадии УГТ5 и УГТ6, что повысит вероятность их внедрения;
- формирование инфраструктуры и научно-технологической базы для развития водородных технологий;
- разработки в области водородных технологий системы полного цикла (школа — ВУЗ — НИИ/предприятие).
- оптимизация процессов разработки угольных месторождений;
- фундаментальные основы глубокой переработки сырья:
- создание новых углеродных материалов, композитов и сорбентов,
- получение водорода из угля и метана угольных пластов (МУП).
Кто есть кто?
- Центр НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики» по направлению «Водородные технологии» на базе Института катализа СО РАН. Адрес: 630 090, Россия, Новосибирск, пр-т Академика Лаврентьева 5, Руководитель Центра, завотделом гетерогенного катализа Института катализа СО РАН, д.х.н. Снытников П. В. — на сайте которого анонсирована новость про новую технологию производства водорода;
- Федеральное государственное бюджетное научное учреждение (ФГБНУ) «Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского отделения Российской академии наук» (ФИЦ УУХ СО РАН). Адрес: 650000, Россия, Кемеровская область, г. Кемерово, пр-т Советский, 18, Директор — Кочетков В. Н. ФИЦ УУХ СО РАН входит в консорциум Центра компетенций НТИ «Водород как основа низкоуглеродной экономики».
- оптимизация процессов разработки угольных месторождений;
- фундаментальные основы глубокой переработки сырья:
- создание новых углеродных материалов, композитов и сорбентов,
- получение водорода из угляи метана угольных пластов (МУП).
Электролиз воды в промышленных генераторах водорода
это окислительно-восстановительная реакция, которая протекает только под действием электричества. В промышленных генераторах водорода для получения водорода и кислорода проводят электролиз воды. Для протекания реакции необходимо поместить в электролит два электрода, подключенных к источнику питания постоянного тока:
- Анод — электрод к которому подключен положительный проводник;
- Катод — электрод к которому подключен отрицательный проводник.
ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ
Под действием электрического тока вода разделяется на составляющие ее молекулы: водород и кислород. Отрицательно заряженный катод притягивает катионы водорода а положительно заряженный анод — анионы ОН — .
Деминерализованная вода, используемая в промышленных электролизных установках сама по себе является слабым электролитом, поэтому в нее добавляют сильные электролиты для увеличения проводимости электрического тока. Зачастую выбирают электролиты с меньшим катионным потенциалом, чтобы исключить конкуренцию с катионами водорода : KOH или NaOH. Электрохимическая реакция протекающая на электродах выглядит следующим образом:
- Реакция на аноде: 2H2O → O2 + 4H + + 4e − — выделение кислорода;
- Реакция на катоде: 2H2O + 2e − → H2 + 2OH − — выделение водорода.
Далее, чтобы получить чистый водород и кислород, требуется разделить газы образующиеся на электродах, и для этого применяют разделительные ионно-обменные мембраны (см. рисунок). Количество получаемого водорода в два раза больше получаемого кислорода и поэтому давление в водородной полости поднимается в два раза быстрее. Для уравнивания давления в полостях применяют уравнивающую давление мембрану на выходе из электролизера, которая предотвращает передавливание водорода в полость кислорода через каналы предназначенные для циркуляции электролита.
Данный метод является наиболее применяемым методом в промышленности и позволяет получать газообразный водород с КПД от 50 до 70% производительностью до 500 м 3 /час при удельных энергозатратах 4,5-5,5 Н2м 3 /кВт-ч.
ЭЛЕКТРОЛИЗ НА ТПЭ
В настоящий момент к наиболее эффективным методом разделения можно отнести электролиз с применением твердо-полимерных электролитов на основе перфторированной ионно обменной мембраны.
Данный тип электролизеров позволяет получать водород с КПД до 90% и является наиболее экологичным. Электролизеры с ТПЭ дороже щелочных в 6-7 раз и поэтому пока не получили свое распространение в промышленности.