Високоефективна технология за производство на водород - Високотемпературна електролитна клетка с твърд оксид

Високотемпературната електролиза на твърд оксид (SOEC) е високоефективно, бързо и гъвкаво устройство за преобразуване на енергия. Чрез въвеждане на различни суровини, тя може да произвежда различни продукти, което позволява разработването на многофункционални електрохимични синтезатори. Може да бъде свързана с чисти източници на енергия, като вятърна и фотоволтаична енергия. Най-често срещаното ѝ приложение е електролиза на пара за производство на водород. В сравнение с масовите технологии за електролиза на вода, като алкална (ALK) и... Протоннообменна мембрана (PEM) електролиза, SOEC предлага няколко предимства: по-висока ефективност (до 85%), обратимост и възможност за използване на висококачествена отпадъчна топлина от генерираните продукти. Електролизната клетка с твърд оксид (SOEC) преобразува електрическата и топлинната енергия в химическа енергия. По принцип SOEC работи като обратен процес на горивната клетка с твърд оксид (SOFC). Както е показано на Фигура 1, SOEC се състои от плътен електролитен слой в средата, порести електроди от двете страни и газови канали извън електродите за подаване на реагентни газове и отвеждане на продуктови газове, което позволява ефективен транспорт и разпределение на газа. Когато към електродите се приложи постоянен ток (DC) при високи температури (600–900°C), молекулите водни пари (H₂O) се разделят на катода на протони (H⁺) и кислородни йони (O²⁻). O²⁻ йоните мигрират през слоя електролит с твърд оксид към анода, където освобождават електрони (e⁻) и образуват кислородни молекули (O₂).

Електроните се провеждат през взаимовръзката към катода, където се комбинират с H⁺, за да образуват водородни молекули (H₂). Производството на водород чрез SOEC, т.е. производство на водород чрез електролиза на твърд оксид, е процес, който използва йонната проводимост на мембрани от твърд оксиден електролит, за да раздели водата на водород и кислород при високи температури. Продуктите могат да бъдат широко приложени в индустрии като стоманодобивни заводи, химически заводи и аерокосмическа индустрия. SOEC може също да бъде термично интегриран с редица процеси на химичен синтез, което позволява рециклирането на уловения въглероден диоксид и вода в синтетичен природен газ, бензин, метанол или амоняк. В сравнение с други технологии за електролиза на вода, SOEC предлага множество предимства, включително висока ефективност, ниска цена, възможност за ко-електролиза, обратимост и пригодност за различни сценарии. Работейки при високи температури (600–900°C), SOEC се възползва от благоприятна кинетика, което води до висока ефективност на електролизата. Повишената работна температура намалява консумацията на електрическа енергия, като общата ефективност на системата за производство на водород достига приблизително 85%. Това е около 1,5 пъти по-висока от ефективността на системата на PEM електролизата и два пъти по-висока от общата ефективност. електролиза на алкална водаПо отношение на приложенията, високотемпературните работни условия на SOEC го правят изключително съвместим със сценарии, включващи значително отделяне на отпадна топлина, като например химически заводи за въглища, металургия на стомана, синтез на амоняк и атомни електроцентрали. Интегрирането на отпадната топлина в работата на SOEC може да допълни консумацията на електрическа енергия, подобрявайки електрическата ефективност и намалявайки оперативните разходи. Освен това, отличителна черта на SOEC в сравнение с други технологии е неговата обратимост – той може гъвкаво да превключва между режим на електролиза (SOEC) и режим на горивна клетка (SOFC).

SOEC може да произвежда водород или сингаз за съхранение на енергия в режим на електролиза или да преобразува химическата енергия в електричество в режим на горивна клетка, създавайки синергична система за производство, съхранение на водород и производство на електроенергия („електричество-водород-електричество“). Това му дава значителен потенциал за съхранение на възобновяема енергия и намаляване на пиковите натоварвания на мрежата, допринасяйки за ефективното използване и балансиране на енергията. Като цяло, с непрекъснатия технологичен напредък и постепенното узряване на пазара, се очаква производството на водород от SOEC да играе жизненоважна роля в бъдещия енергиен пейзаж, допринасяйки за постигането на целите за глобална въглеродна неутралност.