Miglioramento dell'efficienza e della coerenza per elettrolizzatori alcalini alimentati da fonti di energia rinnovabile

Ingegneria delle comunicazioni volume 2, numero articolo: 22 (2023) Citare questo articolo

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L’elettrolisi dell’acqua alcalina a basso costo da fonti energetiche rinnovabili (RES) è adatta per la produzione di idrogeno su larga scala. Tuttavia, le FER fluttuanti portano a scarse prestazioni degli elettrolizzatori ad acqua alcalina (AWE) a bassi carichi. Qui esploriamo due problemi urgenti di prestazione: inefficienza e incoerenza. Attraverso un'analisi dettagliata del processo operativo degli AWE e il modello elettrico equivalente stabilito, riveliamo che i meccanismi di inefficienza e incoerenza degli AWE a basso carico sono legati alla struttura fisica e alle caratteristiche elettriche. Inoltre, proponiamo una strategia di conversione dell'elettrolisi auto-ottimizzazione multimodale per migliorare l'efficienza e la coerenza degli AWE. In particolare, rispetto a un alimentatore CC convenzionale, dimostriamo utilizzando un AWE su scala di laboratorio e disponibile in commercio su larga scala che l'efficienza massima può essere raddoppiata mentre il range operativo dell'elettrolizzatore può essere esteso dal 30–100% a 10– 100% del carico nominale. Il nostro metodo può essere facilmente generalizzato e può facilitare la produzione di idrogeno da fonti rinnovabili.

Al giorno d’oggi, l’idrogeno ha ricevuto grande attenzione a causa dei gravi problemi ambientali e climatici causati dalle energie fossili ad alta intensità di carbonio1,2. Grazie alle sue proprietà pulite, versatili e leggere, l’idrogeno è considerato la soluzione più promettente che può aiutare a ridurre le emissioni di carbonio dei trasporti3, della metallurgia4, dell’industria chimica5 e di altri settori6. Di conseguenza, la domanda di idrogeno è cresciuta in modo esponenziale, raggiungendo i 70 milioni di tonnellate nel 2018 e si prevede che raggiungerà i 545 milioni di tonnellate all’anno nel 20507. Tuttavia, la maggior parte dell’idrogeno mondiale è attualmente ottenuta dalla riformazione delle energie fossili, che consuma molta energia e fa sì che le emissioni globali di CO2 raggiungano più di 830 milioni di tonnellate all’anno7. Per uno sviluppo sostenibile, la produzione di idrogeno deve essere efficiente e rispettosa dell’ambiente. Pertanto, la tecnologia di produzione dell’idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua utilizzando l’energia fotovoltaica in eccesso, l’energia eolica e altra elettricità rinnovabile, vale a dire l’idrogeno verde, è diventata un argomento di ricerca caldo8,9.

Attualmente esistono tre metodi elettrolitici con idrogeno: elettrolizzatori a ossido solido (SOE), elettrolizzatori con membrana a scambio protonico (PEM) e AWE. Le SOE costituiscono un concetto avanzato che consente l'elettrolisi dell'acqua o del vapore ad alte temperature (600–900 °C)10, la cui efficienza è superiore rispetto agli elettrolizzatori PEM e agli AWE. Per quanto riguarda l’applicazione pratica, le aziende statali affrontano sfide notevoli per quanto riguarda la stabilità termica dei materiali, la miscela di gas e i problemi di tenuta. Pertanto, le imprese statali sono ancora nella fase di ricerca e sviluppo. Rispetto alle aziende statali, gli elettrolizzatori PEM e gli AWE sono disponibili in commercio. Gli elettrolizzatori PEM sono più efficienti e consentono densità di corrente più elevate rispetto agli AWE. Uno svantaggio evidente degli elettrolizzatori PEM è l’elevato costo di capitale dei loro componenti resistenti agli acidi come la membrana Nafion, le piastre bipolari in titanio e i nuovi catalizzatori metallici PT/C e IrO211. Inoltre, la loro durata di vita più breve rispetto agli AWE ne ha ostacolato l’applicazione in scenari power-to-gas su larga scala12. Al contrario, gli AWE sono una tecnologia relativamente matura sviluppata in oltre 100 anni. Per gli AWE commerciali, gli elettrocatalizzatori presenti sulla terra sono sufficientemente stabili da eseguire entrambe le semireazioni, la cui durata può arrivare fino a 15 anni. Pertanto, gli AWE sono molto adatti per progetti di idrogeno elettrolitico su larga scala13,14.

Sebbene esistano nella pratica progetti con AWE fino a 6 MW15, la flessibilità operativa degli AWE deve ancora essere migliorata, soprattutto quando sono alimentati da FER fluttuanti ad ampio raggio. Una sfida ampiamente preoccupante è il problema delle impurità che gli AWE a basso carico (solitamente il 25-45% del carico nominale) potrebbero potenzialmente portare al passaggio del gas tra il catodo e l'anodo. Questa impurità comporterà la formazione di una miscela di gas infiammabile16, soprattutto per l'anodo dove il 2% in volume di H2 in O2 corrisponde a circa il 50% del limite inferiore di esplosività. Pertanto, quando le FER fornite, come l'energia fotovoltaica, fluttuano frequentemente in un ampio intervallo, gli start-stop degli AWE vengono ovviamente aumentati per garantire la sicurezza del sistema. Questi frequenti arresti-avviamenti hanno una grande influenza sulla stabilità e sulla qualità dell'energia del sistema elettrico17,18; allo stesso tempo, le FER non possono essere completamente consumate a causa della riduzione del basso carico degli AWE. Inoltre, lo spegnimento a lungo termine causerà correnti inverse per gli AWE19,20,21, che influiranno negativamente sulla durata degli elettrodi. Vengono stabiliti modelli stazionari e dinamici delle impurità del gas causate dal crossover del gas, considerando diversi fattori di influenza. In sintesi, il problema delle impurità del gas è causato da due ragioni: il passaggio attraverso il diaframma per diffusione del gas22,23 e il passaggio attraverso la miscelazione dell'elettrolita circolante24,25. Per migliorare la purezza del gas per gli AWE a basso carico, vengono proposte anche diverse strategie. La membrana a scambio anionico26,27 e altre nuove strutture del diaframma sono state sviluppate per impedire il passaggio attraverso il diaframma mediante diffusione del gas. Sulla base dello stesso obiettivo, Qi et al. proporre una strategia di controllo della pressione per estendere l’intervallo di carico degli AWE28. D'altra parte, Schug regola la velocità di circolazione dell'elettrolita in modo adattivo per ridurre il crossover dovuto alla miscelazione dell'elettrolita circolato29. Per risolvere completamente il problema delle impurità del gas, è stato progettato un nuovo sistema di elettrolisi alcalina30, che separa lo sviluppo di idrogeno e ossigeno. Ma la sua affidabilità deve essere ulteriormente verificata.

15 A), there is an obvious linear relationship between the voltage and current, but with different slopes, the low-load equivalent resistance is much larger than the high-load equivalent resistance. That is, the system parameters or states are changed. (3) In the whole range, the relationship between the electrolytic voltage and electrolytic current does not meet the typical electrolysis hydrogen model presented in refs. 14,33,34./p> the reserve voltage 4.92 V. c 9 V > the reserve voltage 4.92 V. d 15 V > the reserve voltage 4.92 V./p>the reserve voltage of one cell \({U}_{o}\)(namely 1.23 V), the OER occurs on the solid–liquid interfaces of the positive electrode, and the HER occurs on the solid–liquid interfaces of the negative electrode. The hydroxide ions pass through the electrolyte channel and partial cell spaces, as shown in Fig. 4a, then the electrolytic current is generated, which is called the start-up current in this paper. This can explain the experimental results shown in Fig. 3a./p> N\cdot{U}_{o}\) does not mean that \({U}_{{IF}}\, > \,{U}_{o}\). That is, when \({U}_{z}\gg N\cdot{U}_{o}\) or \(I\) is very large, the middle plates produce electrolytic reactions. This can explain the experimental results shown in Fig. 3b,d./p> the reserve voltage 4.92 V./p> the reserve voltage 4.92 V./p>10 kHz) have been reported. However, since the natural mechanisms are not analyzed effectively, the related results about high-frequency pulse electrolysis are confused and cannot be unified38. In ref. 39,40,41,42, the magnitude or mean value of pulse voltages equal to the magnitude of dc voltages, it is concluded that high-frequency pulse can enhance the system efficiency from three possible aspects, namely, reactant concentration, bubble detachment, and electrical double layer. However, for the pulse power supply and dc power supply, the same magnitude or mean value of voltages does not mean the same electric power. Indeed, from the view of energy, high-frequency pulse electrolysis will introduce lots of voltage or current harmonics, which will not produce hydrogen and cause obvious efficiency loss43,44,45. For the proposed MMSOEC strategy, the motivation is totally different from that of ref. 39,40,41,42. The fundamental motivation is based on the macroscopic equivalent circuit; the choice of pulse parameters is well-founded and is greatly different from that of refs. 39,40,41,42./p>