אלקליזר אלקליין

הפחתת עלויות של מימן ירוק המיוצר על ידי אלקטרוליזה של מים רצויה מאוד כדי להפחית את העלויות של מעבר האנרגיה. זה דורש לא רק חשמל ירוק בעלות נמוכה, אלא גם עלויות הון נמוכות יותר. האחרון חשוב במיוחד, שכן מפעלי האלקטרוליזה העתידיים יופעלו על בסיס חשמל מתחדש משתנה (עודף) המגביל את מספר שעות הפעילות ומכאן מגדיל את התרומה היחסית של עלויות ההון. ישנן שלוש דרכים להוזיל את עלויות ההון: יתרונות לגודל, יתרונות של מספרים וחדשנות.
"כליות של קנה מידה" פירושו שמפעלים גדולים זולים יחסית. בתעשייה הכימית אופייני שמפעל שגדול פי עשרה הוא רק פי חמישה יקר יותר, מה שמרמז שעלויות ההון ליחידת מוצר מיוצרים נמוכות בפקטור שניים. השאלה היא האם קנה מידה זה יחול גם על מפעלי אלקטרוליזה, מכיוון שהאלקטרוליזרים אינם "מתקדמים היטב": בשל מגבלות בניהול החום, ערימות אלקליין זרם מוגבלות לגודל של כ-10 מגה-וואט ומספר זה לא צפוי לעלות הרבה ב- עתיד. משמעות הדבר היא שבמפעלים גדולים יותר, האלקטרוליזרים יצטרכו רק להיות "למעלה", מה שמרמז שיש יתרונות בקנה מידה מוגבלים לאלקטרוליזרים. יחד עם זאת, הערימות תורמות רק 10-20% מסך עלויות המפעל והשאר 80-90% מהעלויות מתרחבות היטב. לכן, אנו עדיין מצפים ליתרונות גודל טובים עבור מפעלי אלקטרוליזה מים, אם כי הם עשויים להיות מעט פחות נוחים מאשר עבור מפעלים כימיים רגילים.
"כלכלות של מספרים" פירושה שכאשר מיוצרות יותר יחידות מאותו מוצר, הן הופכות זולות יותר בגלל ייצור אוטומטי ואופטימיזציות אחרות של שרשרת האספקה. הדוגמה המוכרת ביותר היא פאנלים סולאריים שבהם הושגו הפחתות עצומות בעלויות בדרך זו. כמו כן, בתחום האלקטרוליזרים קיים פוטנציאל עצום ל"יתרונות של קנה מידה", שכן כיום רוב האלקטרוליזרים עדיין מיוצרים בצורה עתירת עבודה עם הרכבה ידנית של תאים לערימות. בשל הביקוש הגובר לאלקטרוליזרים אנו כבר רואים יצרנים מתחילים לפתח קווי ייצור אוטומטיים המובילים להוזלת עלויות משמעותית.
גם "כלכלות של קנה מידה" וגם "כלכלות של מספרים" יתרמו להפחתת עלויות, אבל יש גם פשרה ביניהם: ערימות ומודולים גדולים יותר (הכוללים בין היתר משאבות, מפרידי גז-נוזל ומחלפי חום) מרמזים על כך ש מספר היחידות יהיה נמוך יותר ולכן היתרונות של "כלכלות של מספרים" יהיו קטנים יותר. עם זאת, שוק האלקטרוליזרי המים יהיה כה גדול, שאפילו עם ערימות ומודולים גדולים עדיין יהיו "כלכלות של מספרים" משמעותיים. זה גורם לכך שלאלקטרוליזה של מים "כלכלות קנה מידה" ו"כלכלות של מספרים" יכולות להיות משלימות.
מניע מרכזי נוסף להפחתת עלויות יהיה חדשנות. למרות שטכנולוגיה אלקליין קיימת כבר למעלה מ-100 שנים, עדיין יש מקום רב לחידושים טכניים, במיוחד לגבי הצפיפות הנוכחית שבה הטכנולוגיה מופעלת. בהשוואה לטכנולוגיית אלקטרוליזה אלקלינית מסורתית, ניתן להגדיל את צפיפות הזרם ביותר מ-5 באמצעות חידושים בסרעפת, ציפוי האלקטרודות ועיצוב התא. איור 3 מציג ייצוג סכמטי של ערימת אלקטרוליזה אלקלית רעיונית שיכולה להיות בשוק בשנת 2030. טבלה 2 מציגה את מאפייני הביצועים המתאימים של אלקטרוליזר כזה, ומראה שתפוקת המימן של אלקטרוליזר כזה יכולה להיות גבוהה בפקטור עשר מהמסורתי אלקטרוליזרים אלקליין. זה מפחית למעשה את העלויות של המימן המיוצר, מכיוון שהערימה אינה יקרה פי עשרה מזו המסורתית.

ישנן דרכים רבות שבהן אלקטרוליזה של ייצור מימן יכולה להועיל לאנשים פרטיים כמו גם לעסקים. אולי היתרון העיקרי של טכניקה זו כרוך בייצור מימן ירוק לעומת הסתמכות על מימן כחול (מוצר המופק ממקורות דלק מאובנים מסורתיים כגון גז טבעי). במילים אחרות, אלקטרוליזר מציע אמצעי מתחדש להפקת אנרגיה.

לכן ברור לראות מדוע משתמשים באלקטרוליזר לעתים קרובות בתעשיית תאי הדלק המימן. ניתן לאסוף ולאחסן את הגז הזה כדי לטעון מחדש את התאים ברגע שהם מתרוקנים; מאריך באופן דרמטי את תוחלת החיים שלהם תוך הבטחת מקורות אנרגיה אמינים.

יישום מעניין נוסף הכולל אחסון מימן כולל כיצד ניתן לשלב אותו בטכנולוגיות ירוקות קיימות. לדוגמה, יכולים להיות מקרים שבהם טורבינות רוח אינן מסוגלות לייצר רמות מספיקות של חשמל בגלל תנאי מזג האוויר. ניתן להשתמש באלקטרוליזר באתר כמערכת מיותרת.

מקרה נוסף כרוך במצבים שבהם מייצרים כמות עודפת של חשמל מהרשת. בניגוד לצמצום הייצור, ניתן להפנות כוח זה לאלקטרוליזר; וכתוצאה מכך מאגרים נאותים יותר של מימן לשימוש עתידי.[9]

אלקטרוליזה אלקלינית של מים בולטת ביכולות המדרגיות יוצאות הדופן שלה, תוך התאמה ללא מאמץ לצרכי ייצור מימן מגוונים. הרבגוניות הזו הופכת אותו ליישום על פני קשת של תרחישים, מיוזמות בקנה מידה צנוע ועד לתהליכים תעשייתיים נרחבים. בנוסף, תוחלת החיים התפעולית המורחבת של אלקטרוליזה אלקלית מבטיחה אספקת מימן עקבית ובת קיימא לאורך זמן ממושך.
העלות-תועלת של אלקטרוליזה אלקליין היא יתרון בולט נוסף, כאשר הציוד שלה דורש חומרים פחות יקרים בהשוואה לשיטות ייצור מימן חלופיות. סבירות זו מרחיבה את הנגישות שלה, ומרחיבה את המשיכה שלה לבסיס משתמשים מגוון, כולל ארגונים קטנים ומוסדות מחקר.

הפשטות מגדירה את התחזוקה של מערכות אלקטרוליזה אלקליין. העיצוב הפשוט שלהם דורש תשומת לב ושירות מינימליים, ומבטל את הצורך במיומנויות מיוחדות או שגרות תחזוקה יקרות, ומבסס אותו כבחירה נוחה לייצור מימן.

הפעלה בטמפרטורות נמוכות יותר היא יתרון מרכזי של אלקטרוליזה אלקלית, התורמת לצריכת אנרגיה מופחתת ולהגברת היעילות הכוללת. תהליך יעיל באנרגיה זה מביא לחיסכון בעלויות ולטביעת רגל סביבתית מופחתת.
ייצור מימן בטוהר גבוה הוא יתרון נוסף של אלקטרוליזה אלקלית, חיוני במיוחד עבור יישומים בתעשיות כגון תאי דלק וכימיקלים. הבטחת הביצועים והאמינות ברמה הגבוהה ביותר במגזרים אלה מגבשת אלקטרוליזה אלקלית כשיטה מועדפת לייצור מימן.

לבסוף, הפוטנציאל הידידותי לסביבה של אלקטרוליזה אלקלית ראוי לציון. על ידי שילוב מקורות אנרגיה מתחדשים כמו אנרגיה סולארית או רוח, התהליך מצמצם משמעותית את פליטת הפחמן ומצמצם את ההסתמכות על דלקים מאובנים, תוך התאמה עם מטרת העל של טיפוח מערכת אנרגיה בת קיימא ומודעת לסביבה.

לסיכום, אלקטרוליזה אלקלית של מים מציעה מגוון רב של יתרונות לייצור מימן. המדרגיות שלו, העלות האפקטיבית, תכונות התחזוקה הנמוכות שלו, היכולת לפעול בטמפרטורות נמוכות יותר, תפוקת המימן בטוהר גבוה והמאפיינים הידידותיים לסביבה מציבים אותו כפתרון משכנע במגוון יישומים. בין אם נפרסת בפרויקטים בקנה מידה קטן או הגדרות תעשייתיות בקנה מידה גדול, אלקטרוליזה אלקלית של מים מופיעה כמקור אמין ובר קיימא למימן.

אלקטרוליזר אלקליין הוא מכשיר המשתמש בתמיסת אלקטרוליט, בדרך כלל אשלגן או נתרן הידרוקסיד, כדי לפצל מולקולות מים למימן וחמצן באמצעות תהליך הנקרא אלקטרוליזה. העיקרון הכימי מאחורי אלקטרוליזר אלקליין מבוסס על עקרונות האלקטרוכימיה. באלקטרוכימיה, תגובות כימיות מונעות על ידי העברת אלקטרונים מחומר אחד למשנהו. כאשר זרם חשמלי מופעל על תמיסת אלקטרוליט, הוא גורם לתמיסת האלקטרוליט לעבור תהליך הנקרא אלקטרוליזה. במהלך תהליך זה, הזרם החשמלי גורם לפיצול מולקולות המים לאטומים המרכיבים את מימן וחמצן.
באלקטרוליזר אלקליין התהליך מתאפשר בזכות הימצאות תמיסת האלקטרוליט, המכילה יוני הידרוקסיד (OH-) המקלים על העברת האלקטרונים בין האלקטרודות למולקולות המים. יוני ההידרוקסיד נמשכים לאנודה הטעונה חיובית (האלקטרודה המחוברת למסוף החיובי של מקור הכוח) ויוני המימן (H+) נמשכים לקתודה הטעונה שלילי (האלקטרודה המחוברת למסוף השלילי של מקור הכוח) .
באנודה, מולקולות מים מתחמצנות ליצירת גז חמצן ויוני מימן בעלי מטען חיובי: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
בקתודה, יוני מימן מצטמצמים ליצירת גז מימן: 4H+ + 4e- → 2H2
באופן כללי, ניתן לבטא את התגובה כ: 2H2O → 2H2 + O2
לתמיסת האלקטרוליטים תפקיד חשוב בתהליך על ידי מתן תווך מוליך לזרימת אלקטרונים בין האלקטרודות למולקולות המים. יוני ההידרוקסיד בתמיסת האלקטרוליט מסייעים גם הם בשמירה על רמת pH יציבה, החשובה לתפקוד יעיל של האלקטרוליזר.
לסיכום, אלקטרוליזר אלקליין פועל באמצעות תמיסת אלקטרוליט כדי להקל על העברת האלקטרונים בין האלקטרודות למולקולות המים, וכתוצאה מכך ייצור גז מימן וחמצן.

אלקטרוליזרים אלקליינים בנויים בדרך כלל באמצעות חומרים עמידים בפני קורוזיה ויכולים לעמוד בתנאים הקשים של תהליך האלקטרוליזה. החומרים העיקריים המשמשים באלקטרוליזרים אלקליין כוללים:

אלקטרודות:האלקטרודות באלקטרוליזרים אלקליין עשויות בדרך כלל מניקל, פלדה מצופה ניקל או טיטניום המצופה בסגסוגת על בסיס ניקל. חומרים אלו עמידים בפני קורוזיה ויכולים לעמוד בתנאים הקשים של תהליך האלקטרוליזה.

קְרוּם:אלקטרוליזרים אלקליינים משתמשים באלקטרוליט KOH נוזלי, ולכן הם אינם דורשים ממברנה.

רכיבי תא:רכיבי התא באלקטרוליזרים אלקליינים, כגון מסגרות תאים, מפרידים ומכלי לחץ, עשויים בדרך כלל מחומרים כגון נירוסטה, פלדת פחמן או סגסוגות ניקל. חומרים אלו עמידים בפני קורוזיה ויכולים לעמוד בתנאים הקשים של תהליך האלקטרוליזה.

אלקטרוליזרים אלקליינים הם אופציה חסכונית ויעילה לייצור מימן. יש להם מספר יתרונות על פני סוגים אחרים של אלקטרוליזרים, כולל יעילות אנרגיה גבוהה יותר, עלות נמוכה, ייצור מימן בטוהר גבוה וחוסן מכני. אלקטרוליזרים אלקליינים בנויים באמצעות חומרים עמידים בפני קורוזיה ויכולים לעמוד בתנאים הקשים של תהליך האלקטרוליזה, כגון ניקל, פלדה מצופה ניקל, טיטניום מצופה בסגסוגת על בסיס ניקל, נירוסטה, פלדת פחמן וסגסוגות ניקל. על ידי שימוש באלקטרוליזרים אלקליין, תעשיות יכולות לייצר מימן בטוהר גבוה ביעילות רבה יותר ובעלות נמוכה יותר, ולתרום לעתיד אנרגיה בר קיימא ונקייה יותר.

המוצרים נמכרים בכל אזורי סין ומיוצאים למדינות ברחבי העולם. הם נמכרו ביותר מ-20 מדינות ואזורים כולל ארצות הברית, גרמניה, מרוקו, קניה, ערב הסעודית, וייטנאם, אלג'יריה, הודו, טנזניה וטייוואן. סיפק בהצלחה ארגונים ידועים כמו China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group ומפעלים ידועים אחרים. ישנן תחנות הידרוגנציית מימן ירוקות רבות כגון Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming וכו' מספקות פרויקטים ירוקים ויצירת מימן.