Водород при сотнях градусов - реальность или фантастика?

Высокотемпературный электролиз (также известен как электролиз водяного пара) – технология производства водорода и/или угарного газа из воды и/или углекислого газа с побочным продуктом в виде кислорода.

КПД

С экономической точки зрения высокотемпературный электролиз гораздо эффективнее, чем традиционный электролиз при комнатной температуре, так как некоторая часть энергии подается в виде тепла, более дешевого по сравнению с электричеством, а также потому, что реакция электролиза гораздо продуктивнее протекает при высоких температурах. Фактически при 2500C электрический ток не требуется, потому что вода распадается на водород и кислород путем термолиза. Подобные температуры являются практически нецелесообразными; предлагаемые ВТЭ работают в диапазоне 100-850C.

Увеличение КПД высокотемпературного электролиза лучше всего произойдет за счет оценки количества используемого электричества, поступающего из теплового двигателя, а затем – учета количества тепловой энергии, нужной для производства одного килограмма водорода (141,86 МДж), как во время самого процесса электролиза, так и во время производства электричества. При 100C требуется 350 МДж тепловой энергии (КПД – 41 %). При 850C требуется 225 МДж тепловой энергии (КПД – 64 %).

Материалы

Крайне важен подбор материалов для электродов и электролита в твердом оксидном электролизном элементе. Один из вариантов – диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия в качестве электролита, никель-керметовые электроды для водяного пара или водорода, и смесь оксидов лантана, стронция и кобальта для кислородных электродов.

Экономический потенциал

Даже с использованием этой технологии электролиз является откровенно невыгодным способом хранения энергии. Серьезные потери энергии при преобразовании происходят как во время процесса электролиза, так и во время преобразования полученного водорода обратно в энергию.

При текущих ценах на углеводороды ВТЭ не может конкурировать с пиролизом углеводородов, как экономическим источником водорода.

ВТЭ представляет собой интерес, как гораздо более эффективный способ производства водорода, при условии использования безуглеродного топлива и стандартных схем хранения энергии. Это может стать экономически выгодным, если дешевые альтернативные источники тепловой энергии (сконцентрированная солнечная, ядерная, геотермальная) можно будет использовать в связке с альтернативными источниками электроэнергии (солнечная, ветряная, водная, ядерная).

Возможными источниками дешевой высокотемпературной тепловой энергии будут исключительно нехимические виды, в том числе – ядерные реакторы, коллекторы, собирающие солнечное тепло, и геотермальные источники. В лабораторных условиях высокотемпературный электролиз показал затраты в 108 кДж для производства одного грамма водорода. В коммерческих условиях он себя не проявлял. К 2030 году ожидается постройка первых коммерческих реакторов четвертого поколения.

Рынок производства водорода

При обеспечении дешевыми источниками тепла высокой температуры возможны и другие способы производства водорода. В частности, стоит обратить внимание на термохимический серно-йодный цикл. Термохимическое производство может быть эффективнее, чем ВТЭ из-за отсутствия потребности в тепловом двигателе. Однако промышленное термохимическое производство потребует новых передовых материалов, которые смогут выдерживать высокие температуру, давление и коррозию.

Рынок для водорода – велик (50 миллионов метрических тонн/год в 2004 году, стоимость – около 135 миллиардов долларов/год) и растет примерно на 10 % в год. Этот рынок связан с пиролизом углеводородов для получения водорода, что приводит к выбросам углекислого газа. Два главных потребителя – нефтеперерабатывающие заводы и производители удобрений (каждый из них получит примерно половину всего производства). Автомобили на водороде должны распространиться повсеместно, их потребление вырастет, что поможет увеличить потребность в водороде при приходе водородной энергетики.

Электролиз и термодинамика

Во время электролиза объем электроэнергии, который необходимо добавить, равен сумме изменения энергии Гиббса в реакции и потерь системы. Теоретически потери могут быть сколь угодно близки к нулю, поэтому максимальный термодинамический КПД любого электрохимического процесса равен 100%. На практике КПД равен полученной работе электричества, разделенному на изменение энергии Гиббса во время реакции.

В большинстве случаев, как и при обычном электролизе воды, потребляемая мощность больше, чем изменение теплосодержания в реакции, поэтому некоторое количество энергии высвобождается в виде сбросного тепла. В случае электролиза водяного пара на водород и кислород при высокой температуре верно обратное. Тепло поглощается из окружающей среды, и удельная теплота сгорания производимого водорода выше потребляемой мощности. В этом случае отношение КПД к потребляемой мощности, можно сказать, превышает 100%. Максимально возможный в теории КПД топливного элемента противоположен КПД при электролизе. Из этого следует невозможность создания вечного двигателя путем сочетания этих двух процессов.

Эксперимент «MARS ISRU»

Высокотемпературный электролиз с твердыми оксидными электролизными элементами также предлагался для производства кислорода на Марсе из атмосферного углекислого газа с использованием циркониевых электролизных устройств.