محلل الماء الكهربائي للهيدروجين

يعد التحليل الكهربائي خيارًا واعدًا لإنتاج الهيدروجين الخالي من الكربون من الموارد المتجددة والنووية. التحليل الكهربائي هو عملية استخدام الكهرباء لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. يحدث هذا التفاعل في وحدة تسمى المحلل الكهربائي. يمكن أن يتراوح حجم المحللات الكهربية من معدات صغيرة بحجم الأجهزة مناسبة تمامًا لإنتاج الهيدروجين الموزع على نطاق صغير إلى مرافق إنتاج مركزية واسعة النطاق يمكن ربطها مباشرة بأشكال الطاقة المتجددة أو غيرها من أشكال الطاقة التي لا تنبعث منها غازات الدفيئة. إنتاج الكهرباء.

كيف يعمل
مثل خلايا الوقود، تتكون المحللات الكهربية من أنود وكاثود مفصولين بمحلول كهربائي. تعمل المحللات الكهربية المختلفة بطرق مختلفة، ويرجع ذلك أساسًا إلى اختلاف نوع مادة الإلكتروليت المعنية والأنواع الأيونية التي تقوم بتوصيلها.

المحلل الكهربائي بغشاء البوليمر بالكهرباء
في المحلل الكهربي بغشاء البوليمر بالكهرباء (PEM)، يكون الإلكتروليت عبارة عن مادة بلاستيكية متخصصة صلبة.

يتفاعل الماء عند الأنود ليشكل الأكسجين وأيونات الهيدروجين الموجبة الشحنة (البروتونات).
تتدفق الإلكترونات عبر دائرة خارجية وتتحرك أيونات الهيدروجين بشكل انتقائي عبر PEM إلى الكاثود.
عند الكاثود، تتحد أيونات الهيدروجين مع إلكترونات الدائرة الخارجية لتكوين غاز الهيدروجين. تفاعل الأنود: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- تفاعل الكاثود: 4H+ + 4e- → 2H2

المحللات الكهربائية القلوية
تعمل المحللات الكهربائية القلوية عن طريق نقل أيونات الهيدروكسيد (OH-) عبر المنحل بالكهرباء من الكاثود إلى الأنود مع توليد الهيدروجين على جانب الكاثود. المحللات الكهربية التي تستخدم محلول قلوي سائل من هيدروكسيد الصوديوم أو البوتاسيوم مثل المنحل بالكهرباء كانت متاحة تجاريًا لسنوات عديدة. إن الأساليب الأحدث التي تستخدم أغشية التبادل القلوي الصلبة (AEM) باعتبارها المنحل بالكهرباء تظهر نتائج واعدة على نطاق المختبر.

المحلل الكهربائي للأكسيد الصلب
تعمل المحللات الكهربية للأكسيد الصلب، والتي تستخدم مادة سيراميكية صلبة مثل المنحل بالكهرباء الذي يقوم بشكل انتقائي بتوصيل أيونات الأكسجين سالبة الشحنة (O2-) عند درجات حرارة مرتفعة، على توليد الهيدروجين بطريقة مختلفة قليلاً.
يتحد البخار الموجود عند الكاثود مع إلكترونات من الدائرة الخارجية لتكوين غاز الهيدروجين وأيونات الأكسجين سالبة الشحنة.
تمر أيونات الأكسجين عبر الغشاء الخزفي الصلب وتتفاعل عند الأنود لتكوين غاز الأكسجين وتوليد إلكترونات للدائرة الخارجية.
يجب أن تعمل المحللات الكهربائية للأكسيد الصلب عند درجات حرارة عالية بما يكفي لكي تعمل أغشية الأكسيد الصلب بشكل صحيح (حوالي 700 درجة -800 درجة، مقارنة بالمحللات الكهربائية PEM، التي تعمل عند درجة حرارة 70 درجة -90 درجة، والمحللات الكهربائية القلوية التجارية، والتي تعمل عادةً عند درجة حرارة أقل من 100 درجة). تُظهر المحللات الكهربية المتقدمة للأكسيد الصلب على نطاق المختبر والتي تعتمد على إلكتروليتات السيراميك الموصلة للبروتون نتائج واعدة لخفض درجة حرارة التشغيل إلى 500 درجة -600 درجة. يمكن للمحللات الكهربائية للأكسيد الصلب أن تستخدم الحرارة المتوفرة في درجات الحرارة المرتفعة هذه بشكل فعال (من مصادر مختلفة، بما في ذلك الطاقة النووية) لتقليل كمية الطاقة الكهربائية اللازمة لإنتاج الهيدروجين من الماء.

لماذا يتم النظر في هذا المسار
يعد التحليل الكهربائي مسارًا رائدًا لإنتاج الهيدروجين لتحقيق هدف Hydrogen Energy Earthshot المتمثل في تقليل تكلفة الهيدروجين النظيف بنسبة 80% إلى 1 دولار لكل كيلوغرام في عقد واحد ("1 1 1"). يمكن أن يؤدي إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي إلى عدم انبعاث الغازات الدفيئة، اعتمادًا على مصدر الكهرباء المستخدمة. ويجب أخذ مصدر الكهرباء المطلوبة - بما في ذلك تكلفتها وكفاءتها، وكذلك الانبعاثات الناتجة عن توليد الكهرباء - في الاعتبار عند تقييم الفوائد والجدوى الاقتصادية لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي. في العديد من مناطق البلاد، شبكة الطاقة اليوم ليست مثالية لتوفير الكهرباء اللازمة للتحليل الكهربائي بسبب الغازات الدفيئة المنبعثة وكمية الوقود المطلوبة بسبب انخفاض كفاءة عملية توليد الكهرباء. تتم متابعة إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي لخيارات الطاقة المتجددة (طاقة الرياح والطاقة الشمسية والطاقة المائية والطاقة الحرارية الأرضية) والطاقة النووية. تؤدي مسارات إنتاج الهيدروجين هذه إلى انعدام غازات الدفيئة تقريبًا وانبعاثات الملوثات المعيارية؛ ومع ذلك، يجب تخفيض تكلفة الإنتاج بشكل كبير حتى تتمكن من المنافسة مع المسارات الأكثر نضجًا المعتمدة على الكربون مثل إصلاح الغاز الطبيعي.

إمكانية التآزر مع توليد الطاقة من الطاقة المتجددة
قد يوفر إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي فرصًا للتآزر مع توليد الطاقة الديناميكي والمتقطع، وهو ما يميز بعض تقنيات الطاقة المتجددة. على سبيل المثال، على الرغم من استمرار انخفاض تكلفة طاقة الرياح، فإن التقلب المتأصل في طاقة الرياح يشكل عائقا أمام الاستخدام الفعال لطاقة الرياح. يمكن دمج وقود الهيدروجين وتوليد الطاقة الكهربائية في مزرعة الرياح، مما يسمح بالمرونة في تحويل الإنتاج ليتناسب بشكل أفضل مع توفر الموارد مع الاحتياجات التشغيلية للنظام وعوامل السوق. أيضًا، في أوقات الإنتاج الزائد للكهرباء من مزارع الرياح، بدلًا من تقليل الكهرباء كما هو شائع، من الممكن استخدام هذه الكهرباء الزائدة لإنتاج الهيدروجين من خلال التحليل الكهربائي.

ومن المهم ملاحظة...
لا تعد شبكة الكهرباء اليوم المصدر المثالي للكهرباء لأغراض التحليل الكهربائي، لأن معظم الكهرباء يتم توليدها باستخدام تقنيات تؤدي إلى انبعاثات غازات الدفيئة وتستهلك الكثير من الطاقة. يعد توليد الكهرباء باستخدام تقنيات الطاقة المتجددة أو النووية، إما منفصلة عن الشبكة، أو كجزء متزايد من مزيج الشبكة، خيارًا ممكنًا للتغلب على هذه القيود لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي.

في عملية التحليل الكهربائي، تحدث عمليتان تأين مختلفتان في نفس الوقت. يتنافس كل من الماء والكهارل في هذه الحالة.

يخضع المنحل بالكهرباء لنفس عملية التأين مثل الماء. سيحدث نفس الأكسدة والاختزال في المنحل بالكهرباء.
نظرًا لأن أنيونًا من الإلكتروليت يتنافس مع أيونات الهيدروكسيد للتخلي عن إلكترون، ويتنافس الكاتيون مع أيون الهيدروجين ليتم اختزاله عن طريق قبول الإلكترون، يجب اختيار الإلكتروليت بعناية.

يجب أن يكون لكاتيون الإلكتروليت جهد إلكترود أقل من H+. تذكر دائمًا في أي تحليل كهربي أن جهد القطب لكاتيون المحلول بالكهرباء يجب أن يكون أقل من جهد القطب لكاتيون المادة التي يتم تحليلها كهربيًا ويجب أن يكون جهد القطب لأنيون المحلول بالكهرباء أكبر من جهد القطب لأنيون المحلول المادة التي يتم تحليلها كهربائيا.

أثار إنتاج الهيدروجين الأخضر باستخدام مصادر الطاقة المتجددة اهتمامًا كافيًا بالتحليل الكهربائي للمياه لإنتاج الهيدروجين. يعتبر التحليل الكهربائي للمياه باستخدام مصادر الطاقة المتجددة مع عدم وجود انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وسيلة واعدة لزيادة معدل إنتاج الهيدروجين. في عام 2020، تم إنتاج ما يقرب من 87 مليون طن من الهيدروجين في جميع أنحاء العالم لاستخدامات مختلفة، بما في ذلك تكرير النفط، وإنتاج الأمونيا (NH3) (عبر عملية هابر) والميثانول (CH3OH) (عن طريق تخفيض أول أكسيد الكربون [CO])، وكما وقود النقل. من المتوقع أن يصل الطلب على الهيدروجين إلى 500-680 مليون طن متري بحلول عام 2050. وقدرت قيمة سوق إنتاج الهيدروجين بمبلغ 130 مليار دولار في الفترة من 2020 إلى 2021، ومن المتوقع أن ينمو بمعدل سنوي 9.2% حتى عام 2030. ولكن هناك مشكلة: يعتمد أكثر من 95% من إنتاج الهيدروجين الحالي على الوقود الأحفوري، مع القليل جدًا من الهيدروجين "الأخضر". واليوم، يستهلك إنتاج الهيدروجين 6% من الغاز الطبيعي العالمي و2% من الفحم العالمي. ومع ذلك، تكتسب تقنيات إنتاج الهيدروجين الأخضر شعبية.

التحليل الكهربائي هو عملية تستخدم الكهرباء لتقسيم الماء إلى H2 وO2. إن تدفق الإلكترونات عبر مسار موصل، مثل السلك، هو ما هي الكهرباء. يُعرف هذا المسار بالدائرة. تتحرك الإلكترونات بسبب فرق الجهد الكهربائي بين الأنود والكاثود. يحتوي الأنود على عدد أكبر من الإلكترونات وهو غير مستقر أكثر بسبب ازدحام الإلكترونات. تريد الإلكترونات إعادة ترتيب نفسها من أجل إزالة الفرق. تتنافر الإلكترونات مع بعضها البعض وتحاول الانتقال إلى موقع به عدد أقل من الإلكترونات. هذا هو الكاثود.
نظرًا لأن الماء النقي لا يوصل الكهرباء، فإن تقسيم الماء هو تفاعل أكسدة واختزال بطيء.

كيمياء
يوجد في المحلل الكهربائي كاثود واحد وأنود واحد متصلان بمصدر الطاقة. تتدفق الإلكترونات دائمًا من الأنود إلى الكاثود مهما حدث. الكاثود هو دائمًا مكان حدوث الاختزال، لذلك يجب أن تكون الإلكترونات هناك. الأكسدة هي فقدان الإلكترونات والاختزال هو اكتساب الإلكترونات.
باختصار، عند الكاثود سالب الشحنة، يحدث تفاعل اختزال، حيث يتم إعطاء الإلكترونات (e−) من الكاثود إلى كاتيونات الهيدروجين لتكوين غاز الهيدروجين
الكاثود (الاختزال):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
عند الأنود المشحون بشحنة موجبة، يحدث تفاعل أكسدة، مما يؤدي إلى توليد غاز الأكسجين وإعطاء إلكترونات إلى الأنود لإكمال الدائرة
الأنود (الأكسدة): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
مزيج من هذه التفاعلات ينتج:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
يتم إنتاج H2 عند الكاثود و O2 عند الأنود.
يتطلب التحليل الكهربي للماء حدًا أدنى لفرق الجهد قدره 1.23 فولت، على الرغم من أن هذا الجهد يتطلب حرارة خارجية من البيئة.

تتكون مجموعات الخلايا ثنائية القطب للتحليل الكهربائي للماء من العديد من الخلايا الكهروكيميائية الفردية في السلسلة الكهربائية. من الناحية العملية، يمكن لمجموعات خلايا التحليل الكهربائي للماء التي تم إيقافها للتو أن تحتفظ بشحنة كهربائية كبيرة بسبب بقاء الهيدروجين والأكسجين داخل كل خلية. إذا تركت هذه الشحنة الكهروكيميائية المتبقية بمفردها، فقد يستغرق الأمر عدة ساعات حتى تتبدد. يجب على موظفي خدمة النظام وصيانته توخي الحذر الشديد في حالة محاولة خدمة مجموعات الخلايا هذه أو استبدالها بعد التشغيل مباشرة. على سبيل المثال، يمكن لأداة معدنية مثل مفتاح الربط أن تقوم عن غير قصد بسد فجوة بين لوحة طرفية للتيار الموجب لمجموعة الخلايا وإطار دعم معدني مؤرض بالأرض، مما يؤدي إلى سحب تيار كبير أو قوس كهربائي مع حدوث ضرر وإصابة كنتيجة غير مرغوب فيها. الأفراد الذين لا يرتدون معدات الحماية العازلة المناسبة معرضون للخطر أيضًا.

أفضل ممارسة لموظفي الصيانة والخدمة هي التحقق من عدم بقاء أي شحنة كهربائية كبيرة في مجموعة الخلايا قبل إزالة واقيات الأمان والتوصيلات الكهربائية من مجموعة الخلايا. يُنصح الموظفون بإجراء قياس الجهد الكهربي لمكدس الخلية للتحقق من تفريغ مكدس الخلية. في بعض الحالات، قد يقوم موظفو الخدمة أيضًا بتطبيق أداة خدمة مصممة بشكل صحيح تتكون من مقاومة قصر عالية التيار عبر مجموعة الخلايا المفرغة كإجراء وقائي إضافي.

تباع المنتجات في جميع مناطق الصين ويتم تصديرها إلى دول العالم. لقد تم بيعها في أكثر من 20 دولة ومنطقة بما في ذلك الولايات المتحدة، ألمانيا، المغرب، كينيا، المملكة العربية السعودية، فيتنام، الجزائر، الهند، تنزانيا، وتايوان. نجحت في توفير شركات معروفة مثل China Aerospace، وPetroChina، وChina Nuclear Group، وBYD، وJiuli Specialty، وTony Electronics، وZheng Energy Group وغيرها من الشركات المعروفة. هناك العديد من محطات هدرجة الهيدروجين الأخضر مثل وولانشابو، وهايكو، وهاينان، وهاينان هايكو، ويوننان كونمينغ، وما إلى ذلك توفر مشاريع خضراء وصناعية للهيدروجين.