Как получить больше информации об электролизерах?

КРЕЙГ ГИФФОРД:
Добро пожаловать на серию «Задай вопрос Swagelok»! Меня зовут Крейг Гиффорд, и сегодня у нас в гостях Хассан Эль Гул, инженер по жидкостным и газовым системам в компании Swagelok Ontario, Канада. Мы продолжаем говорить о производстве водорода, и конкретно — электролизерах. Если среди наших зрителей есть те, кто мало знаком с данной тематикой, не могли бы вы пояснить, что такое электролизер?

ХАССАН ЭЛЬ ГУЛ:
Да, конечно. Электролизер представляет собой устройство, которое с помощью электрического тока разлагает воду на кислород и водород. Это его основная цель. При рабочих условиях нашего оборудования кислород и водород существуют в газообразной форме.

В электролизере предусмотрено два отсека. В каждом отсеке расположен электрод — катод с отрицательным зарядом и анод с положительным зарядом. В зависимости от типа электролизера, оба отсека разделены мембраной определенного типа. Это может быть пористая диафрагма или полимерная мембрана.

Существует очень много видов и конструкций. Наиболее широко применяются PEM (электролизеры с протонно-обменной мембраной) и щелочные электролизеры.

КРЕЙГ ГИФФОРД:
Вы сказали, что электролизеры бывают разных типов, и выделили два основных. Можете объяснить различия между ними?

ХАССАН ЭЛЬ ГУЛ:
Да, конечно. Сначала рассмотрим PEM-электролизер. Здесь используется полимерная мембрана, которая пропускает ион водорода — протон — из одного электродного отсека в другой под действием электрического тока. Водород образуется на катоде.

Особенности PEM: он работает при высокой плотности электрического тока, имеет высокое давление на выходе, что снижает необходимость в дополнительном сжатии. В электродах используются благородные металлы — платина, иридий, золото. У него высокая электрохимическая эффективность и устойчивость к изменениям рабочего режима, что делает его совместимым с возобновляемыми источниками энергии — ветровой и солнечной генерацией.

КРЕЙГ ГИФФОРД:
Класс! Ясно. Да-да. Теперь поговорим о щелочных электролизерах.

ХАССАН ЭЛЬ ГУЛ:
Здесь в качестве электролита используется жидкий раствор — гидроксид натрия или калия, то есть щелочь. Гидроксид-ион проходит через пористую диафрагму. По сравнению с PEM, щелочной электролизер использует меньшую плотность тока, что снижает эффективность. Давление на выходе низкое, поэтому газы необходимо дополнительно сжимать. Электроды выполнены из недорогой стали с никелевым покрытием. Такие электролизеры значительно дешевле, но уступают PEM в адаптивности к изменению нагрузки.

КРЕЙГ ГИФФОРД:
Ясно. Хассан, при запуске нового водородного производства все газовые и жидкостные системы проходят заводские приемочные испытания. Даже незначительные утечки ведут к неэффективности процессов и создают риски для безопасности. Не расскажете нам о проблемах, связанных с электролизерами и какие факторы их определяют?

ХАССАН ЭЛЬ ГУЛ:
Когда мы говорим об электролизных установках, как и о многих других водородных системах, мы должны помнить о двух главных аспектах: безопасность, которая всегда в приоритете, и эффективность.

Начнем с безопасности. Электролизеры производят два газа повышенной опасности. Первый — водород, горючий газ с нижним пределом воспламеняемости 4% в воздухе. Второй — кислород, который поддерживает горение. Это к вопросу безопасности.

Теперь об эффективности. В случае утечки газы попадают в атмосферу. Важно помнить, что на электролиз затрачено большое количество энергии. Более того, на сжатие газов мы расходуем ещё больше энергии. Утечка газов в атмосферу означает, что мы теряем затраченную энергию.

Таким образом, нам нужно продумать и внедрить надёжную технологию уплотнения. Здесь требуется особая, устойчивая система для низкомолекулярных газов. Абсолютно герметичная.

КРЕЙГ ГИФФОРД:
Совершенно верно. Размер предприятия напрямую влияет на электролизер с точки зрения его мощности и эффективности, а также на вопросы масштабируемости и экономической целесообразности. Как можно решить часть таких распространённых проблем?

ХАССАН ЭЛЬ ГУЛ:
Давайте начнём с факторов, которые влияют на эффективность (или КПД) электролизера, а затем поговорим о масштабируемости. Один из параметров — температура. Обычно повышение температуры ведёт к росту КПД. Другим важным фактором является материал электродов. Именно материалы в значительной степени определяют эффективность процесса. Также необходимо учитывать плотность тока. При её увеличении повышаются как производство водорода, так и КПД установки. И, наконец, концентрация электролита — чем выше, тем выше электропроводность и КПД.

Теперь рассмотрим основные проблемы масштабирования. Прежде всего, высокие капитальные затраты. Электролизеры недешевы, особенно PEM, где используются благородные металлы. Необходим серьёзный объём вложений. Кроме того, электролизер — это не отдельное устройство, а часть инфраструктуры. Нужно продумать вопросы сжатия газов, организовать заправочные станции, места хранения, виртуальные трубопроводы. Это комплексная система.

Мы говорили об эффективности — она уступает другим методам получения водорода, таким как паровой риформинг метана. Отдельная тема — конкуренция. Мы имеем дело с жёсткой конкуренцией, ведь электролиз сопоставляется с более традиционными методами. Обеспечить привлекательность на высоких объёмах крайне сложно.

КРЕЙГ ГИФФОРД:
Хассан, скажите, какие ещё аспекты должны учитывать разработчики при создании инфраструктуры для электролизеров?

ХАССАН ЭЛЬ ГУЛ:
Им необходимо учитывать вспомогательные системы и общую рабочую схему потоков. Например, размерность линий — нужно ли увеличивать диаметр? Мы нередко сталкиваемся с понятием «эрозионные скорости». Это приводит к увеличению размеров, снижает эффективность, увеличивает стоимость, габариты, занимаемую площадь.

Можно учесть системы рекуперации тепла, размеры трубопроводной арматуры, вспомогательные системы подготовки водорода перед сжатием. Также разгрузочные и предохранительные клапаны — с точки зрения безопасности. Варианты схемы отвода газов. Существуют стандарты, например CGA 5.5. Можно предусмотреть продувку и обязательно контроль качества.

Нам необходимо проверять качество водорода. Он может использоваться в топливных элементах, которые очень чувствительны к качеству газа.

КРЕЙГ ГИФФОРД:
Именно здесь применяется отбор лабораторных проб?

ХАССАН ЭЛЬ ГУЛ:
Совершенно верно. Да, это один из методов, но можно применить и онлайн-анализатор.

КРЕЙГ ГИФФОРД:
Хассан, благодарю за такую полезную информацию об электролизерах. Спасибо за встречу! И спасибо за просмотр нашего видео.