Electrolizador de agua para hidrógeno

La electrólisis es una opción prometedora para la producción de hidrógeno libre de carbono a partir de recursos renovables y nucleares. La electrólisis es el proceso de utilizar electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. Esta reacción tiene lugar en una unidad llamada electrolizador. Los electrolizadores pueden variar en tamaño, desde equipos pequeños, del tamaño de un electrodoméstico, muy adecuados para la producción distribuida de hidrógeno a pequeña escala, hasta instalaciones de producción centrales a gran escala que podrían vincularse directamente a formas de energía renovables u otras que no emiten gases de efecto invernadero. la producción de electricidad.

Como funciona
Al igual que las pilas de combustible, los electrolizadores constan de un ánodo y un cátodo separados por un electrolito. Los diferentes electrolizadores funcionan de diferentes maneras, principalmente debido al diferente tipo de material electrolítico involucrado y las especies iónicas que conduce.

Electrolizadores de membrana de electrolito polimérico
En un electrolizador de membrana de electrolito polimérico (PEM), el electrolito es un material plástico sólido especial.

El agua reacciona en el ánodo para formar oxígeno e iones de hidrógeno cargados positivamente (protones).
Los electrones fluyen a través de un circuito externo y los iones de hidrógeno se mueven selectivamente a través del PEM hasta el cátodo.
En el cátodo, los iones de hidrógeno se combinan con los electrones del circuito externo para formar gas hidrógeno. Reacción anódica: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Reacción catódica: 4H+ + 4e- → 2H2

Electrolizadores alcalinos
Los electrolizadores alcalinos funcionan mediante el transporte de iones de hidróxido (OH-) a través del electrolito desde el cátodo al ánodo y se genera hidrógeno en el lado del cátodo. Los electrolizadores que utilizan una solución alcalina líquida de hidróxido de sodio o potasio como electrolito han estado disponibles comercialmente durante muchos años. Los enfoques más nuevos que utilizan membranas sólidas de intercambio alcalino (AEM) como electrolito se muestran prometedores a escala de laboratorio.

Electrolizadores de óxido sólido
Los electrolizadores de óxido sólido, que utilizan un material cerámico sólido como electrolito que conduce selectivamente iones de oxígeno cargados negativamente (O2-) a temperaturas elevadas, generan hidrógeno de una manera ligeramente diferente.
El vapor en el cátodo se combina con los electrones del circuito externo para formar gas hidrógeno e iones de oxígeno cargados negativamente.
Los iones de oxígeno pasan a través de la membrana cerámica sólida y reaccionan en el ánodo para formar oxígeno gaseoso y generar electrones para el circuito externo.
Los electrolizadores de óxido sólido deben funcionar a temperaturas lo suficientemente altas para que las membranas de óxido sólido funcionen correctamente (entre 700 y 800 grados, en comparación con los electrolizadores PEM, que funcionan entre 70 y 90 grados, y los electrolizadores alcalinos comerciales, que normalmente funcionan a menos de 100 grados). Los electrolizadores avanzados de óxido sólido a escala de laboratorio basados ​​en electrolitos cerámicos conductores de protones se muestran prometedores para reducir la temperatura de funcionamiento a 500 grados –600 grados. Los electrolizadores de óxido sólido pueden utilizar eficazmente el calor disponible a estas temperaturas elevadas (de diversas fuentes, incluida la energía nuclear) para disminuir la cantidad de energía eléctrica necesaria para producir hidrógeno a partir del agua.

¿Por qué se está considerando esta vía?
La electrólisis es una vía líder en la producción de hidrógeno para lograr el objetivo de Hydrogen Energy Earthshot de reducir el costo del hidrógeno limpio en un 80 % a 1 dólar por kilogramo en 1 década ("1 1 1"). El hidrógeno producido mediante electrólisis puede generar cero emisiones de gases de efecto invernadero, dependiendo de la fuente de electricidad utilizada. La fuente de la electricidad requerida, incluidos su costo y eficiencia, así como las emisiones resultantes de la generación de electricidad, debe considerarse al evaluar los beneficios y la viabilidad económica de la producción de hidrógeno mediante electrólisis. En muchas regiones del país, la red eléctrica actual no es ideal para suministrar la electricidad necesaria para la electrólisis debido a los gases de efecto invernadero liberados y la cantidad de combustible necesaria debido a la baja eficiencia del proceso de generación de electricidad. Se está buscando la producción de hidrógeno mediante electrólisis para opciones de energía renovable (eólica, solar, hidráulica, geotérmica) y nuclear. Estas vías de producción de hidrógeno dan como resultado prácticamente cero emisiones de gases de efecto invernadero y contaminantes criterio; sin embargo, es necesario reducir significativamente el costo de producción para ser competitivo con vías más maduras basadas en el carbono, como el reformado del gas natural.

Potencial de sinergia con la generación de energía renovable
La producción de hidrógeno mediante electrólisis puede ofrecer oportunidades de sinergia con la generación de energía dinámica e intermitente, que es característica de algunas tecnologías de energía renovable. Por ejemplo, aunque el costo de la energía eólica ha seguido bajando, la variabilidad inherente del viento es un impedimento para su uso eficaz. El combustible de hidrógeno y la generación de energía eléctrica podrían integrarse en un parque eólico, lo que permitiría flexibilidad para cambiar la producción para adaptar mejor la disponibilidad de recursos a las necesidades operativas del sistema y los factores del mercado. Además, en tiempos de exceso de producción eléctrica procedente de parques eólicos, en lugar de recortar la electricidad como se hace habitualmente, es posible utilizar ese exceso de electricidad para producir hidrógeno mediante electrólisis.

Es importante tener en cuenta...
La red eléctrica actual no es la fuente ideal de electricidad para la electrólisis porque la mayor parte de la electricidad se genera utilizando tecnologías que generan emisiones de gases de efecto invernadero y consumen mucha energía. La generación de electricidad utilizando tecnologías de energía renovable o nuclear, ya sea separada de la red o como una parte cada vez mayor de la combinación de la red, es una posible opción para superar estas limitaciones para la producción de hidrógeno mediante electrólisis.

En un proceso de electrólisis tienen lugar al mismo tiempo dos procesos de ionización diferentes. En este caso compiten tanto el agua como el electrolito.

Un electrolito sufre el mismo proceso de ionización que el agua. La misma oxidación y reducción ocurriría en un electrolito.
Debido a que un anión del electrolito compite con los iones de hidróxido para ceder un electrón, y un catión compite con el ión de hidrógeno para reducirse al aceptar el electrón, se debe elegir un electrolito con cuidado.

El catión del electrolito debe tener un potencial de electrodo menor que el H+. Recuerde siempre que en cualquier electrólisis el potencial del electrodo del catión del electrolito debe ser menor que el potencial del electrodo del catión de la sustancia que se está electrolizando y el potencial del electrodo del anión del electrolito debe ser mayor que el potencial del electrodo del anión de la sustancia que se electroliza.

La producción de hidrógeno verde utilizando fuentes de energía renovables ha despertado suficiente interés en la electrólisis del agua para producir hidrógeno. La electrólisis del agua utilizando fuentes de energía renovables sin emisiones de CO2 se considera un método prometedor para aumentar la tasa de producción de hidrógeno. En 2020, se produjeron aproximadamente 87 millones de toneladas de hidrógeno en todo el mundo para diversos usos, incluido el refinado de petróleo, la producción de amoníaco (NH3) (mediante el proceso Haber) y metanol (CH3OH) (mediante la reducción de monóxido de carbono [CO]), y como un combustible para el transporte. Se espera que la demanda de hidrógeno alcance los 500-680 millones de toneladas en 2050. El mercado de producción de hidrógeno estuvo valorado en 130 mil millones de dólares entre 2020 y 2021 y se espera que crezca a una tasa anual del 9,2 % hasta 2030. Pero hay un problema: Más del 95% de la producción actual de hidrógeno se basa en combustibles fósiles, y muy pocos son "verdes". Hoy en día, la producción de hidrógeno consume el 6% del gas natural mundial y el 2% del carbón mundial. No obstante, las tecnologías de producción de hidrógeno verde están ganando popularidad.

La electrólisis es un proceso que utiliza electricidad para dividir el agua en H2 y O2. El flujo de electrones a través de un camino conductor, como un cable, es lo que es la electricidad. Este camino se conoce como circuito. Los electrones se mueven debido a la diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo. El ánodo tiene más electrones y es más inestable debido al hacinamiento de electrones. Los electrones quieren reordenarse para eliminar la diferencia. Los electrones se repelen entre sí e intentan moverse a un lugar con menos electrones. Eso es un cátodo.
Debido a que el agua pura no conduce la electricidad, la división del agua es una reacción redox lenta.

Química
En el electrolizador hay un cátodo y un ánodo conectados a una fuente de energía. Los electrones siempre fluyen del ánodo al cátodo pase lo que pase. El cátodo es siempre el lugar donde se produce la reducción, por lo que es necesario que haya electrones allí. La oxidación es la pérdida de electrones y la reducción es la ganancia de electrones.
Brevemente, en el cátodo cargado negativamente, tiene lugar una reacción de reducción, en la que los electrones (e-) del cátodo se transfieren a cationes de hidrógeno para formar gas hidrógeno.
Cátodo (reducción):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
En el ánodo cargado positivamente, se produce una reacción de oxidación, que genera oxígeno gaseoso y le da electrones al ánodo para completar el circuito.
Ánodo (oxidación): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Una combinación de estas reacciones produce:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
El H2 se produce en el cátodo y el O2 en el ánodo.
La electrólisis del agua requiere una diferencia de potencial mínima de 1,23 voltios, aunque a ese voltaje se requiere calor externo del medio ambiente.

Las pilas de celdas bipolares de electrólisis de agua están compuestas por muchas celdas electroquímicas individuales en serie eléctrica. En la práctica, las pilas de celdas de electrólisis de agua que acaban de detenerse pueden retener una carga eléctrica significativa debido al hidrógeno y oxígeno residuales que quedan dentro de cada celda. Si se deja solo, pueden pasar muchas horas hasta que esta carga electroquímica residual se disipe. El personal de servicio y mantenimiento del sistema debe tener extrema precaución si intenta reparar o reemplazar estas pilas de celdas poco después de la operación. Por ejemplo, una herramienta metálica, como una llave inglesa, podría cerrar inadvertidamente un espacio entre la placa terminal de corriente positiva de una pila de celdas y un marco de soporte metálico conectado a tierra, generando una gran corriente o un arco eléctrico con daños y lesiones como resultado no deseado. También corre riesgo el personal que no lleve el equipo de protección aislante adecuado.

La mejor práctica para el personal de mantenimiento y servicio es verificar que no quede ninguna carga eléctrica significativa en la pila de celdas antes de retirar las protecciones de seguridad y las conexiones eléctricas de la pila de celdas. Se recomienda al personal realizar una medición del voltaje de la pila de celdas para verificar que la pila de celdas esté descargada. En algunos casos, el personal de servicio también puede aplicar una herramienta de servicio diseñada adecuadamente y compuesta por una resistencia de cortocircuito de alta corriente a lo largo de la pila de celdas descargadas como protección adicional.

Los productos se venden en todas las regiones de China y se exportan a países de todo el mundo. Se han vendido en más de 20 países y regiones, incluidos Estados Unidos, Alemania, Marruecos, Kenia, Arabia Saudita, Vietnam, Argelia, India, Tanzania y Taiwán. Proporcionó con éxito empresas reconocidas como China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group y otras empresas reconocidas. Hay muchas estaciones de hidrogenación de hidrógeno verde, como Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc., que ofrecen proyectos ecológicos y de producción de hidrógeno.