XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Электролиз воды  одна из физико-химических реакций, в процессе которой под воздействием постоянной подачи электрического тока дистиллированная вода расщепляется на анионы кислорода и катионы водорода. После электрохимической поляризации молекул воды, водорода по объему получается вдвое больше, чем кислорода.

Для протекания процесса требуется поместить в ёмкость с дистиллированной водой два электрода и подвести напряжение к ним, под действием электричества электрод, присоединённый к отрицательному полюсу становится катодом, а электрод, присоединённый с положительным полюсом, превращается в анод. Катод и анод притягивают противоположные ионы: к катоду направляются положительно заряженные катионы, к аноду – отрицательно заряженные анионы.

Электролиз воды в общем виде:

Ионизация воды:

Катодная реакция:

Общая реакция:

Рис.1  Электролиз воды. Общий вид научного способа.

Промышленный электролиз воды

Дистиллированная вода, используемая в промышленных электролизных установках, является слабым электролитом, поэтому в нее добавляют сильные электролиты для увеличения проводимости электрического тока. Чтобы исключить конкуренцию с катионами водорода выбирают электролиты с меньшим катионным потенциалом, такие как: KOH или NaOH.

Далее, чтобы получить чистый водород и кислород, требуется разделить газы, образующиеся на электродах, и для этого применяют разделительные ионно-обменные мембраны (см. рис.2).  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. 

Рис.2  Принципиальная схема промышленного щелочного электролизера.

Способ хранения при помощи водорода.

Водород рассматривают как один из эффективных способов хранения излишков электроэнергии. Когда электроэнергии больше, чем требуется, цены на нее снижаются. Эту дешевую энергию можно будет использовать для рентабельного производства водорода путем электролиза. Полученный водород будет храниться под землей в наземных резервуарах либо в подземных соляных кавернах. Также можно будет задействовать выработанные газовые или нефтяные пласты.

Одна из проблем заключается в том, что при низкой загрузке мощностей стоимость получения водорода посредством электролиза растет. Таким образом, необходимо провести тщательный анализ экономики производства, чтобы оценить экономическую целесообразность процесса. В подземных хранилищах можно размещать гораздо больше объемов на длительный период времени.

В этом отношении водород может конкурировать с аккумуляторами. Водород из хранилищ можно смешивать с природным газом для выработки энергии либо непосредственно сжигать его на электростанциях в периоды высоких цен на электроэнергию.

Коммерциализация твердооксидных топливных элементов, благодаря которым можно также получать пригодное для использования тепло, позволила бы эффективно использовать водород из хранилищ и облегчить работу систем распределенной электрогенерации. Помимо прочего, топливные элементы эффективнее газовых турбин комбинированного цикла (CCGT). Потери при выработке и использовании энергии, получаемой при сжигании водорода в CCGT, больше, чем в процессе потребления водорода топливными элементами.

Декарбонизация электростанций на природном газе с помощью водорода

Для декарбонизации действующих электростанций, использующих природный газ водород может создать подходящие условия. В прошлом году выработка энергии на электростанциях, работающих на газе, составила около 1 900 ГВт. Использовать смесь природного газа и водорода могут большинство существующих CCGT. Вместе с тем доля водорода, которую можно добавить в такую смесь, варьируется в зависимости от модели и даты выпуска турбины.

Помимо ограничений, связанных с характеристиками турбины, инфраструктура также может влиять на максимальное содержание водорода в смеси с природным газом. К примеру, имеющиеся газовые трубопроводы иногда можно использовать лишь при условии низкой концентрации водорода в смеси с природным газом. При высоком содержании водорода потребуется специальный трубопровод.

Для обеспечения надлежащего контроля над смесью водорода с газом, а также соблюдения требований безопасности водород, вероятно, придется поставлять на электростанцию отдельно от природного газа. В связи с этим возникает необходимость в создании системы смешивания топлива. Все эти условия могут увеличить стоимость выработки электроэнергии, зато будут способствовать декарбонизации электростанций.

Если на некоторых электростанциях декарбонизация возможна при помощи улавливания, использования и хранения соединений углерода (CCUS), то на других электростанциях использование смесей с водородом может оказаться единственным вариантом. Следовательно, установленная в нескольких странах задача по достижению нулевых выбросов может способствовать использованию водорода в электрогенерации.

Производители турбин разрабатывают проекты электростанций, полностью работающих на водороде, если такая электростанция будет получать зеленый водород. В таком случае выбросы будут нулевыми. Подобные турбины, как ожидается, поступят на рынок к концу этого десятилетия.

Новый дизайн турбин, а также материалы для их изготовления помогут решить проблемы, связанные с более высокой температурой горения водорода, более высокой скоростью ламинарного пламени и меньшей задержкой воспламенения по сравнению с природным газом. Власти могут сделать выбор в пользу строительства таких электростанций, поскольку они позволяют минимизировать выбросы парниковых газов, увеличивать диверсификацию топлива и стимулировать технологический прогресс.

Декарбонизация электростанций на угле при помощи водорода

Водород также может помочь в декарбонизации электростанций, использующих уголь. В Японии проводятся испытания, которые позволят оценить технико-экономическую целесообразность сжигания вместе с углем аммиака как носителя водорода. В 2020 г. генерирующие мощности, работающие на угле, составляли 2 150 ГВт. Сжигание угля вместе с аммиаком (до 20% по энергоемкости) позволило бы сократить выбросы углекислого газа на этих электростанциях примерно на 1,7 млрд т/год CO2 при условии использования зеленого аммиака. В принципе, благодаря спросу на зеленый аммиак с целью его сжигания вместе с углем мировая торговля аммиаком с перевозкой на морских танкерах увеличилась бы в разы с текущих 20 млн т/год. Однако для этого потребуются инвестиции в развитие соответствующей инфраструктуры.

Сжигание аммиака позволило бы сохранить генерирующие мощности, работающие на угле, поскольку выбросы здесь были бы уже ограниченны. В то же время такие электростанции во всем мире находятся под давлением либо со стороны рыночных факторов, либо со стороны правительства: возникает необходимость закрывать их раньше, чем предполагает срок их эксплуатации. Таким образом, аммиак с углем может стать переходным топливом.

Список литературы:

Ткачек, З. А. Электролиз воды / З.А. Ткачек. - М.: ЁЁ Медиа, 2012. - 291c.

Рассел, Джесси Электролиз / Джесси Рассел. - М.: VSD, 2012. -284c

https://www.argusmedia.com/ru

https://agse.ru/info

https://bigenc.ru/chemistry/text/1922269

https://obrazovaka.ru