אלקטרוליזר מים למימן

אלקטרוליזה היא אפשרות מבטיחה לייצור מימן נטול פחמן ממשאבים מתחדשים וגרעיניים. אלקטרוליזה היא תהליך של שימוש בחשמל לפיצול מים למימן וחמצן. תגובה זו מתרחשת ביחידה הנקראת אלקטרוליזר. אלקטרוליזרים יכולים לנוע בגודל מציוד קטן בגודל מכשיר המתאים היטב לייצור מימן מבוזר בקנה מידה קטן ועד מתקני ייצור מרכזיים בקנה מידה גדול שיכול להיות קשור ישירות לצורות מתחדשות או אחרות שאינן פולטות גזי חממה של ייצור חשמל.

איך זה עובד
כמו תאי דלק, אלקטרוליזרים מורכבים מאנודה וקתודה המופרדים על ידי אלקטרוליט. אלקטרוליזרים שונים פועלים בדרכים שונות, בעיקר בשל הסוג השונה של חומר האלקטרוליט המעורב והמינים היוניים שהוא מוליך.

פולימר אלקטרוליטים אלקטרוליטרים
באלקטרוליזר של קרום אלקטרוליט פולימרי (PEM), האלקטרוליט הוא חומר פלסטי מיוחד ומוצק.

מים מגיבים באנודה ליצירת חמצן ויוני מימן בעלי מטען חיובי (פרוטונים).
האלקטרונים זורמים דרך מעגל חיצוני ויוני המימן נעים באופן סלקטיבי על פני ה-PEM אל הקתודה.
בקתודה, יוני מימן מתחברים עם אלקטרונים מהמעגל החיצוני ויוצרים גז מימן. תגובת האנודה: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- תגובת קתודה: 4H+ + 4e- → 2H2

אלקטרוליזרים אלקליינים
אלקטרוליזרים אלקליינים פועלים באמצעות הובלה של יוני הידרוקסיד (OH-) דרך האלקטרוליט מהקתודה לאנודה כאשר מימן נוצר בצד הקתודה. אלקטרוליזרים המשתמשים בתמיסה אלקלית נוזלית של נתרן או אשלגן הידרוקסיד כאלקטרוליט היו זמינים מסחרית במשך שנים רבות. גישות חדשות יותר באמצעות ממברנות חילוף אלקליין מוצקות (AEM) כמו האלקטרוליט מראות הבטחה בסולם המעבדה.

אלקטרוליזרי תחמוצת מוצק
אלקטרוליזרי תחמוצת מוצקים, המשתמשים בחומר קרמי מוצק כאלקטרוליט המוליך באופן סלקטיבי יוני חמצן טעונים שליליים (O2-) בטמפרטורות גבוהות, מייצרים מימן בצורה מעט שונה.
קיטור בקתודה מתחבר עם אלקטרונים מהמעגל החיצוני ויוצרים גז מימן ויוני חמצן בעלי מטען שלילי.
יוני החמצן עוברים דרך הממברנה הקרמית המוצקה ומגיבים באנודה ליצירת גז חמצן ויצירת אלקטרונים עבור המעגל החיצוני.
אלקטרוליזרי תחמוצת מוצקים חייבים לפעול בטמפרטורות גבוהות מספיק כדי שממברנות התחמוצת המוצקות יתפקדו כראוי (בערך 700 מעלות -800 מעלות, בהשוואה לאלקטרוליזרי PEM, הפועלים ב-70 מעלות -90 מעלות, ואלקטרוליזרים בסיסיים מסחריים, אשר פועלים בדרך כלל בפחות מ- 100 מעלות). אלקטרוליזרי תחמוצת מוצקים מתקדמים בקנה מידה מעבדה המבוססים על אלקטרוליטים קרמיים מוליכים פרוטונים מראים הבטחה להורדת טמפרטורת הפעולה ל-500 מעלות -600 מעלות. האלקטרוליזרים של תחמוצת מוצק יכולים להשתמש ביעילות בחום הזמין בטמפרטורות גבוהות אלו (ממקורות שונים, כולל אנרגיה גרעינית) כדי להפחית את כמות האנרגיה החשמלית הדרושה להפקת מימן ממים.

מדוע נתיב זה נחשב
אלקטרוליזה היא מסלול ייצור מימן מוביל להשגת היעד Hydrogen Energy Earthshot של הפחתת עלות המימן הנקי ב-80% ל-$1 לכל קילוגרם בעשור אחד ("1 1 1"). מימן המופק באמצעות אלקטרוליזה עלול לגרום לפליטת גזי חממה אפסית, בהתאם למקור החשמל המשמש. יש לקחת בחשבון את מקור החשמל הנדרש - לרבות עלותו ויעילותו, כמו גם פליטות הנובעות מייצור חשמל - בעת הערכת היתרונות והכדאיות הכלכלית של ייצור מימן באמצעות אלקטרוליזה. באזורים רבים בארץ, רשת החשמל של היום אינה אידיאלית לאספקת החשמל הנדרש לאלקטרוליזה בגלל גזי החממה המשתחררים וכמות הדלק הנדרשת בשל היעילות הנמוכה של תהליך ייצור החשמל. ייצור מימן באמצעות אלקטרוליזה נמשך עבור אפשרויות אנרגיה מתחדשת (רוח, שמש, הידרו, גיאותרמית) וגרעיניות. מסלולי ייצור מימן אלו מביאים למעשה לאפס פליטת גזי חממה וקריטריונים של מזהמים; עם זאת, יש להפחית את עלות הייצור באופן משמעותי כדי להיות תחרותי עם מסלולים בוגרים יותר מבוססי פחמן כמו רפורמה בגז טבעי.

פוטנציאל לסינרגיה עם ייצור חשמל באנרגיה מתחדשת
ייצור מימן באמצעות אלקטרוליזה עשוי להציע הזדמנויות לסינרגיה עם ייצור חשמל דינמי ולסירוגין, שאופייני לכמה טכנולוגיות אנרגיה מתחדשת. לדוגמה, למרות שעלות כוח הרוח המשיכה לרדת, השונות המובנית של הרוח היא מכשול לשימוש יעיל בכוח הרוח. ניתן לשלב דלק מימן וייצור חשמל בחוות רוח, מה שמאפשר גמישות להעביר את הייצור כדי להתאים בצורה הטובה ביותר את זמינות המשאבים לצרכים התפעוליים של המערכת ולגורמי שוק. כמו כן, בזמנים של עודף ייצור חשמל מחוות רוח, במקום לצמצם את החשמל כפי שנהוג לעשות, ניתן להשתמש בעודף חשמל זה להפקת מימן באמצעות אלקטרוליזה.

חשוב לציין...
החשמל ברשת כיום אינו מקור החשמל האידיאלי לאלקטרוליזה מכיוון שרוב החשמל מופק באמצעות טכנולוגיות המביאות לפליטת גזי חממה והן אינטנסיבית באנרגיה. ייצור חשמל באמצעות טכנולוגיות אנרגיה מתחדשת או גרעינית, בנפרד מהרשת, או כחלק הולך וגדל מתמהיל הרשת, הוא אפשרות אפשרית להתגבר על מגבלות אלו לייצור מימן באמצעות אלקטרוליזה.

בתהליך אלקטרוליזה מתרחשים בו זמנית שני תהליכי יינון שונים. גם מים וגם אלקטרוליט מתחרים במקרה הזה.

אלקטרוליט עובר את אותו תהליך יינון כמו מים. אותו חמצון והפחתה יתרחשו באלקטרוליט.
מכיוון שאניון מהאלקטרוליט מתחרה עם יוני ההידרוקסיד כדי לוותר על אלקטרון, וקטיון מתחרה עם יון המימן כדי להצטמצם על ידי קבלת האלקטרון, יש לבחור אלקטרוליט בזהירות.

הקטיון של האלקטרוליט חייב להיות בעל פוטנציאל אלקטרודה נמוך יותר מ-H+. זכור תמיד בכל אלקטרוליזה פוטנציאל האלקטרודה של הקטיון של האלקטרוליט צריך להיות קטן מפוטנציאל האלקטרודה של הקטיון של החומר המועבר אלקטרוליזה ופוטנציאל האלקטרודה של האניון של האלקטרוליט צריך להיות יותר מפוטנציאל האלקטרודה של האניון של החומר עובר אלקטרוליזה.

ייצור מימן ירוק באמצעות מקורות אנרגיה מתחדשים עורר מספיק עניין באלקטרוליזה של מים כדי לייצר מימן. אלקטרוליזה של מים באמצעות מקורות אנרגיה מתחדשים ללא פליטת CO2 נתפסת כשיטה מבטיחה להגברת קצב ייצור המימן. בשנת 2020 הופקו ברחבי העולם כ-87 מיליון טונות של מימן לשימושים שונים, כולל זיקוק נפט, ייצור אמוניה (NH3) (באמצעות תהליך הבר) ומתנול (CH3OH) (באמצעות הפחתת פחמן חד חמצני [CO]), וכפי דלק לתחבורה. הביקוש למימן צפוי להגיע ל-500-680 מיליון MT עד 2050. שוק ייצור המימן הוערך ב-130 מיליארד דולר מ-2020 עד 2021 וצפוי לצמוח בקצב שנתי של 9.2% עד 2030. אבל יש מלכוד: מעל 95% מייצור המימן הנוכחי מבוסס על דלקים מאובנים, כאשר מעט מאוד הוא "ירוק". כיום, הפקת מימן צורכת 6% מהגז הטבעי העולמי ו-2% מהפחם העולמי. עם זאת, טכנולוגיות ייצור מימן ירוק צוברות פופולריות.

אלקטרוליזה היא תהליך המשתמש בחשמל לפיצול מים ל-H2 ו-O2. זרימת האלקטרונים דרך נתיב מוליך, כגון חוט, הוא החשמל. נתיב זה ידוע כמעגל. האלקטרונים נעים עקב הפרש הפוטנציאל החשמלי בין האנודה לקתודה. לאנודה יש ​​יותר אלקטרונים והיא לא יציבה יותר בגלל צפיפות אלקטרונים. האלקטרונים רוצים לסדר את עצמם מחדש כדי לבטל את ההבדל. אלקטרונים דוחים זה את זה ומנסים לעבור למקום עם פחות אלקטרונים. זו קתודה.
מכיוון שמים טהורים אינם מוליכים חשמל, פיצול מים הוא תגובת חיזור איטית.

כִּימִיָה
באלקטרוליזר יש קתודה אחת ואנודה אחת המחוברות למקור מתח. אלקטרונים תמיד זורמים מאנודה לקתודה לא משנה מה. הקתודה היא תמיד המקום שבו מתרחשת ההפחתה ולכן אלקטרונים צריכים להיות שם. חמצון הוא אובדן של אלקטרונים והפחתה היא רווח של אלקטרונים.
בקצרה, בקתודה בעלת המטען השלילי מתרחשת תגובת הפחתה, כאשר אלקטרונים (e−) מהקתודה ניתנים לקטיוני מימן ליצירת גז מימן
קתודה (הפחתה):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
באנודה הטעונה חיובית, מתרחשת תגובת חמצון, היוצרת גז חמצן ונותנת אלקטרונים לאנודה כדי להשלים את המעגל
אנודה (חמצון): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
שילוב של תגובות אלה מייצר:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 מיוצר בקתודה ו-O2 באנודה.
אלקטרוליזה של מים דורשת הפרש פוטנציאל מינימלי של 1.23 וולט, אם כי במתח זה נדרש חום חיצוני מהסביבה.

ערימות תאים דו-קוטביות של אלקטרוליזה במים מורכבות מתאי אלקטרוכימיים בודדים רבים בסדרות חשמליות. בפועל, ערימות תאי אלקטרוליזה במים שזה עתה הופסקו יכולות לשמור על מטען חשמלי משמעותי עקב שאריות מימן וחמצן שנותרו בתוך כל תא. אם נשאר לבד, ייתכן שיחלפו שעות רבות עד שהמטען האלקטרוכימי השיורי הזה יתפוגג. צוות שירות ותחזוקה של המערכת חייב לנקוט משנה זהירות אם מנסים לטפל או להחליף את ערימות התאים הללו זמן קצר לאחר הפעולה. לדוגמה, כלי מתכת כגון מפתח ברגים עלול לגשר בטעות על פער בין לוחית מסוף זרם חיובי של ערימת התא לבין מסגרת תמיכה מתכתית מוארקת, למשוך זרם גדול או קשת חשמלית עם נזק ופציעה כתוצאה לא רצויה. גם אנשים שאינם לובשים ציוד מגן מבודד מתאים נמצאים בסיכון.

השיטה הטובה ביותר עבור אנשי תחזוקה ושירות היא לוודא שלא נשאר מטען חשמלי משמעותי בערימת התאים לפני הסרת מגיני בטיחות וחיבורים חשמליים מערימת התאים. מומלץ לצוות לבצע מדידת מתח ערימת תאים כדי לוודא שערימת התאים פרוקה. במקרים מסוימים, אנשי שירות עשויים גם ליישם כלי שירות שתוכנן כהלכה המורכב מנגד קצר בזרם גבוה על פני ערימת התאים המשוחררים כאמצעי הגנה נוסף.

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.