Водород и алтернативни източници на енергия Инженерна експертиза от първа ръка

Като цяло, електролизерът е устройство за разделяне, разграждане и трансформиране на материал или молекула (редокс реакция) с помощта на електрическа енергия. Във воден електролизер водните молекули (H₂O) се превръщат във водородни молекули (H₂) и кислородни молекули (O₂).

Действителната реакция протича в електрохимични клетки при напрежения от прибл. 1,4 V. От съображения за практичност някои от тези клетки (последователно електрическо свързване) са натрупани в стекове. Цялото периферно оборудване около електромеханичните клетки попада под термина „Баланс на централата“.

Баланс на централата(BOP) е термин, който обикновено се използва във връзка с енергийните технологии. Отнася се за всички поддържащи компоненти и спомагателни системи, необходими за преобразуването на енергия – с изключение на самия агрегат за генериране или преобразуване.

При електролизери това включва управление на енергията (трансформатори, инвертори, контролери на мощността и др.), управление на течности и газове (кондициониране на вода, разделяне на фази на течност и газ, изсушаване на газ, компресиране на газ) и управление на топлината (охлаждащи системи за силова електроника, стек и кондензационно сушене).

Горивната клетка се състои от два електрода – анод (водородна страна) и катод (въздушна страна). Двата електрода са разделени от електролит. В горивната клетка PEM това е полупропусклива мембрана, която е пропусклива само за протони.

Водородът се подава към анода. След това се разделя на протони и електрони с помощта на катализатор (обикновено платина). След това протоните мигрират през мембраната към катода. Електроните преминават към катода през електрически консуматор и се подава електрическа енергия. На катода протоните и електродите се комбинират с кислорода от околния въздух, за да образуват вода.

Терминът „електромеханична клетка“ е общ термин за различни видове клетки като електролизни клетки, акумулаторни клетки, батерийни клетки или галванични клетки. Тези видове клетки понякога могат да бъдат обратими, като акумулаторните клетки. Те могат да се зареждат и разреждат – това означава, че могат да преобразуват електрическата енергия в химическа енергия и да я освобождават отново като електрическа енергия. В допълнение, някои видове електролизни клетки могат да работят като горивни клетки. Това означава, че превръщането на водород и кислород във вода освобождава електрическа енергия и топлина.

Електролизните клетки и горивните клетки се състоят от биполярни плочи, електроди и, в зависимост от технологията, газодифузионни слоеве (GDL) и мембрани. Когато се използват „протоно/анионобменни мембрани“ (PEM/AEM), те често се свързват директно към електродите и се наричат „мембранен електроден възел“ (MEA).

Мембранният електроден възел (MEA) може да се тълкува по повече от един начин. В някои случаи се разбира, че това означава само мембраната с покритите върху нея слоеве катализатор (от едната страна за катодната реакция; от другата страна за анодната реакция). Често обаче газодифузионният(те) слой(ове) е(са) включен(и), тъй като той(те) също трябва да бъде(т) електропроводим(и).

В зависимост от технологията, мембраната се състои от различни полимери или керамика, всеки от които може избирателно да транспортира протони, аниони (напр. хидроксидни аниони = ОН) или кислород. Газодифузионните слоеве служат за възможно най-хомогенно транспортиране на произведените газове (електролиза) и по-специално на използваните газове (горивни клетки) от или към реакционните места (катализаторни слоеве). Тези газове се извеждат от или в електрохимичните клетки през канали в биполярните пластини.

Биполярните пластини, които са монтирани в конфигурация с множество клетки или стек, са преди всичко отговорни за физическото и електрическо свързване на анода от една клетка с катода на съседната клетка. Биполярните пластини в горивните клетки също са отговорни за отвеждането на реакционните газове към реакционната зона. За целта в пластините от двете страни се фрезоват или пресоват профили на потока (полета на потока), през които от едната страна протича водород, а от другата се подава въздух.

Биполярната пластина се състои от двата полюса на една горивна клетка: носещата водород анодна пластина (отрицателния (-) полюс) и катодната пластина (положителния (+) полюс) за подаване на реакционния въздух. Пластините също така регулират отстраняването на водните пари и изхода на топлинна и електрическа енергия. В електролизните клетки те се използват главно за охлаждане на електролизера, подаване на реакционни газове към анодната страна и отстраняване на водорода и газовете, произведени в реакцията.

В технологията на електролизата и горивните клетки стекът е купчина от електрохимични клетки, свързани последователно, включително корпуса/рамката/затягащите елементи. Серийното свързване позволява да се увеличи захранващото напрежение и да се намали токът при същата консумация на мощност съгласно P=U*I. Независимо от това, последователното свързване в стек също опростява цялостния дизайн на системата.

Газообразният водород може да се съхранява в резервоар след компресиране при високо налягане. В транспорта например е установено ниво на налягане от 350 бара за търговски превозни средства и 700 бара за леки автомобили. При 700 бара плътността е прибл. 40 kg/m³ (24 kg/m³ при 350 бара). Акумулаторите за високо налягане предлагат евтино решение за малки количества за съхранение и затова се използват главно в мобилни приложения като автомобили и товарни превозни средства.
В момента на пазара има четири различни вида съдове под налягане:

• Тип 1:Съдът под налягане се състои само от метална (обикновено стоманена) стена. Номиналното налягане е от порядъка на 200 бара.
• Тип 2:В допълнение към металната стена, съдовете под налягане имат кожух, изработен от импрегнирано със смола стъкло или въглеродни влакна с номинално налягане до 1000 бара.
• Тип 3:Резервоарите имат обшивка, изработена от метал (обикновено алуминий) и кожух, изработен от въглеродни влакна около целия резервоар. Номиналното налягане обикновено е 350 или 700 бара.
• Тип 4:Акумулаторите имат обшивка, изработена от пластмаса (обикновено полиамид или полиетилен), а кожухът обикновено е направен от въглеродни влакна, както при съдовете тип 3. Номиналното налягане обикновено е 350, 500 или 700 бара.

В сравнение със съхранението на газообразен водород, течният водород като гориво предлага предимства по отношение на енергийната плътност (71 kg/m³). Налягането в резервоара също може да се поддържа ниско. Това има положителен ефект върху резервоарната система по отношение на теглото на резервоара за съхранение и изискванията за пространство, разходите (особено за големи обеми за съхранение) и безопасността.

Разходите за производство на криогенен водород (-253 °C) обаче не са незначителни. Водородът също се нагрява, ако не се охлажда постоянно. Това води до повишаване на налягането в резервоара. Това може да доведе до загуби от „изваряване“. С други думи, газообразният водород се изпуска в околната среда.

Водородният двигател е газов двигател, който работи с газообразен водород вместо с течно гориво (като дизел и бензин). Има двигатели с чист водород, които се задвижват с чист водород. Има и двугоривни водородни двигатели, които се задвижват от горивна смес от водород и други газове (като метан и природен газ).

Водородният двигател се счита за алтернатива на горивната клетка, тъй като съществуващите двигатели с вътрешно горене могат да бъдат преобразувани с относително малко технически усилия. Проучванията обаче показват, че предимството в цената ще намалее значително с нарастването на горивните клетки. В допълнение, водородните двигатели се борят с по-ниска ефективност, по-високи изисквания за поддръжка и етикета, че не са 100% въглеродно неутрални.

„Електрическите превозни средства с горивни клетки“ (FCEV) се задвижват изключително от електрически двигател, точно както при „електрическите превозни средства с батерии“ (BEV).

За разлика от BEV, необходимата електрическа енергия не се осигурява от голяма задвижваща батерия (известна като тягова батерия). Вместо това, тя се предоставя чрез преобразуване на химическата енергия от алтернативния енергиен източник в електрическа енергия – възможно благодарение на горивната клетка.

В момента горивните клетки все още не са проектирани за толкова бързи и дълготрайни промени в натоварването, както са двигателите с вътрешно горене. Поради тази причина е монтирана и (малка) задвижваща батерия, която се захранва, когато натоварването е ниско, и доставя допълнителна енергия, когато натоварването е високо. Това позволява горивната клетка да работи при относително постоянно натоварване, когато FCEV се задвижва.

Електроцентралите с горивни клетки (FCPP), комбинираното производство на топлина и електроенергия (CHP) и централите за комбинирано производство на топлинна и електрическа енергия с горивни клетки (FC-CHPPP) впечатляват с високото си общо ниво на ефективност. В зависимост от използваната технология за горивни клетки, електрическата ефективност в момента е около 30-60%. Общата ефективност може да бъде над 95%, тъй като електричеството и топлината се генерират директно от електромеханичната реакция без допълнителни стъпки на преобразуване.

Електроцентралите с горивни клетки досега са разработени предимно в диапазона на мощност от 10 kw до 3 MW. През последните години обаче развитието в диапазона на по-ниската мощност все повече върви в посока на микро и нано горивни клетки, комбинирани топлинни и електрически централи с 0,3-1,5 kW електрическа мощност и 0,6-2,0 kW топлинна мощност за самостоятелни и полу-самостоятелни къщи. В горния диапазон на мощност вече са постигнати електроцентрали с около 80 MW и това ще бъде увеличено допълнително през следващите години чрез модулни проекти.

Power-to-X (наричан още PtX или P2X) се отнася до използването на излишъци от електроенергия от променливи възобновяеми енергийни източници за подпомагане на всички видове технологии. Например, тези излишъци могат да се съхраняват директно в батерии (мощност към мощност), преобразувани в топлина (електричество към топлина) или използвани за производство на химически източници на енергия (електричество към газ, енергия към течност).

Ако излишъкът от електроенергия се използва за производство на химически енергийни източници, често се прави допълнителна диференциация (напр. енергия към водород, енергия към синтетичен газ, енергия към амоняк, енергия към гориво).

Амонякът (NH3) е химично съединение на азот и водород, което присъства в газообразна форма при нормални условия. От разработването на азотното торене от Юстус Либих (около 1840 г.), той е един от най-важните основни химикали. Но едва след като процесът на Haber-Bosch беше използван в индустриален мащаб в BASF в Лудвигсхафен около 1913 г., беше възможно значително увеличение на годишното производство. Днес амонякът е един от най-произвежданите химикали (146,5 милиона тона през 2021 г., 80% от които за торове) и основата за производството на всички други азотни съединения.

С оглед на развиващата се устойчива водородна икономика може да се очаква допълнително увеличение на годишното производство на амоняк. Причината: той е по-подходящ за транспортиране и съхранение от чистия водород.

Поради доста високата точка на кипене от -33 °C, е много по-лесно и по-евтино да се втечни амоняк в сравнение с водорода (точка на кипене -252 °C). По-високата обемна енергийна стойност на амоняка в сравнение с водорода (3,2 kWh/l в сравнение с 2,8 kWh/l) също е от голямо значение, особено за транспортната логистика.