Какво представлява производството на водород от морска вода? Защо толкова внимание? Какви са техническите затруднения?

Защо успехът на пилотния тест за производство на водород чрез директна електролиза на морска вода привлече толкова много внимание? Колко трудно е това? Какви са техническите трудности, които трябва да бъдат преодолени, за да се произведе водород чрез електролиза на морска вода?

01

Производство на водород от морска вода

Производството на водород чрез водна електролиза се счита за много важна технология за получаване на зелен водород. Понастоящем комерсиализираната технология за електролиза на вода използва прясна вода като електролит. Както всички знаем, глобалните ресурси на прясна вода са изключително ограничени, с широкомащабното приложение на водноелектрическа енергия за производство на водород, което несъмнено влошава недостига на ресурси на прясна вода. За разлика от тях, морската вода е богата на ресурси, което поражда идеята за „производство на водород от морска вода“.

За разлика от прясната вода, която представлява 96,5 процента от общия воден обем на Земята, морската вода има сложен състав, включващ повече от 90 химикала и елемента. Голям брой йони, микроорганизми и частици, съдържащи се в морската вода, могат да доведат до проблеми като конкуренция на странични реакции, инактивиране на катализатора и блокиране на диафрагмата по време на производството на водород.

За тази цел технологията за производство на водород, използваща морска вода като суровина, формира два различни маршрута. Първо, директното производство на водород от морска вода, тоест въз основа на естествена морска вода, се произвежда главно чрез електролиза или фотолиза. Второ, косвеното производство на водород от морска вода е обезсоляване и премахване на примесите от морската вода, обезсоляване на морската вода, за да се образува първо прясна вода с висока чистота и след това да се произвежда водород.

02

Две основни предимства

Офшорните платформи за производство на водород могат да се използват като дългосрочно съхранение на енергия или производствени обекти за фини химикали, което позволява зелената енергия да бъде тясно интегрирана със системите за химическо производство.

Офшорната платформа за производство на водород може да реши проблема с потреблението на широкообхватна морска възобновяема електроенергия, а използването на възобновяема електроенергия за производство на водород и зелен амоняк на място може да се превърне в основния метод за приложение на широкообхватна морска възобновяема енергия в бъдеще.

03

Техническа трудност

Техническа трудност 1: Много примеси в морската вода влияят върху появата на катодно отделяне на водород

В процеса на електролитна вода H2 се утаява от катода, за катодната реакция на отделяне на водород най-предизвикателният проблем е, че има различни разтворени катиони в естествената морска вода, като Na+, Mg2+, Ca2+ и др., в допълнение, има разнообразие от бактерии, микроорганизми и малки частици.

Тези примеси ще запушат електрода с напредването на електролизата на морска вода и след това ще отровят или ускорят стареенето на електрода/катализатора в електролитната система, което ще доведе до лоша издръжливост.

Техническа трудност 2: хлоридните йони причиняват анодна корозия и влияят на анодната реакция на отделяне на кислород

В процеса на електролиза на водата O2 обикновено се утаява от анода. Въпреки това, наличието на голям брой хлоридни йони (Cl-) в морската вода ще причини сериозна корозия на анодния материал, което ще доведе до повреда на електрода и високо напрежение, като по този начин ще прекрати ефективната реакция на отделяне на кислород. В допълнение, високата концентрация на хлоридни йони също ще възникне в реакцията на окисление на анодния хлор, заемайки активното място на катализатора, като по този начин намалява ефективността на реакцията на отделяне на анодния кислород.

Техническа трудност 3: Конкуренция между анодната реакция на отделяне на кислород и реакцията на хлориране на кислород

В процеса на електролиза на морска вода анодът ще претърпи две реакции, а именно: реакция на отделяне на кислород (OER) и реакция на хлориране на кислород (ClOR). Реакция на отделяне на кислород: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1,23V (срещу RHE)

Реакция на окисляване на хлор: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1,71V (спрямо RHE)

Може да се види, че E0 на двете е сходно, което ще доведе до конкурентни отношения, което значително ограничава работното напрежение на електролизера. В допълнение, както ClOR реакцията, така и образуването на хипохлорит са реакции с два електрона, а ClOR реакцията е по-лесна за кинетично изпълнение от OER реакцията с четири електрона, така че OER свръхпотенциалът обикновено се наблюдава като по-висок от този на ClOR.

04

Състояние на изследването

Понастоящем производството на водород от морска вода все още е в ранен етап на изследване и тестване и все още е изправено пред много предизвикателства, но изследванията и развитието на производството на водород от електролиза на морска вода са постигнали известен напредък. През 2022 г. екипът на академик Xie Heping направи голям оригинален пробив в областта на директното производство на водород от морска вода и иновативно установи нов принцип и технология за директно производство на водород от морска вода без обезсоляване, движено от фазов преход и миграция. Има много демонстрационни проекти за производство на водород от морска вода у нас и в чужбина, но те все още са пилотни в малък мащаб и повечето от тях са в процес на изграждане или се предлагат.

Въпреки че производството на водород чрез електролиза на морска вода трябва да измине дълъг път от малки и пилотни тестове до крайното промишлено широко приложение. Въпреки това, ние вярваме, че в следата на трилиони нива на водородната енергия, ако тази технология в крайна сметка бъде приложена, тя ще остави най-дълбокото мастило по пътя на „декарбонизацията“!