إنتاج الهيدروجين من الماء عن طريق التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب

إنتاج الهيدروجين من الماء عن طريق التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب

خلية التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب (SOEC) هي تقنية تحليل كهربائي للمياه ذات درجة حرارة عالية تستخدم YSZ ومواد أخرى كإلكتروليتات لإنتاج الهيدروجين من خلال تفاعلات الأنود والكاثود. إنها تتميز بمزايا استهلاك الطاقة المنخفض والكفاءة العالية، وهي مناسبة لاستعادة الحرارة المهدرة، ولكنها تواجه تحديات عالية التكلفة والاستقرار.

التحليل الكهربائي للأكسيد الصلب للمياه لإنتاج الهيدروجين هو تقنية التحليل الكهربائي للمياه ذات درجة الحرارة العالية. من حيث المبدأ الفني، يمكن تقسيم SOEC إلى SOEC لتوصيل أيون الأكسجين وتوصيل البروتون SOEC.

(مبدأ عمل التوصيل الأيوني للأكسجين SOEC)

(مبدأ عمل SOEC الموصل للبروتون)

يستخدم أيون الأكسجين الموصل SOEC أكسيدًا صلبًا كإلكتروليت، وتحدث التفاعلات الكيميائية التالية عند الأنود والكاثود على التوالي:
الأنود: 2O²ˉ=O2+ 4e-
الكاثود: 2H2O+4e-=2H2+2O²ˉ

تشتمل المكونات الأساسية لـ SOEC على إلكتروليت كثيف وإلكترود مسامي، حيث يكون الإلكتروليت عادة عبارة عن مادة زركونيا (YSZ) مثبتة في الإيتريا. في درجات حرارة عالية تتراوح من 600 إلى 1000 درجة مئوية، يتمتع YSZ بموصلية أيونية ممتازة واستقرار كيميائي حراري، مما يجعله مادة الإلكتروليت المفضلة لشركة SOEC.

بالإضافة إلى YSZ، يتم أيضًا استخدام بعض المواد الأخرى على نطاق واسع في إلكتروليتات SOEC. على سبيل المثال، الزركونيا المستقرة (ScSZ) والإلكتروليتات المعتمدة على أكسيد السيريوم، تظهر هذه المواد أيضًا أداءً جيدًا في ظل ظروف معينة. بالإضافة إلى ذلك، فإن الإلكتروليتات المعتمدة على اللانثانوم جالات تكتسب الاهتمام تدريجيًا، ويوفر تطبيق هذه المواد مجموعة متنوعة من الخيارات لإلكتروليتات SOEC.

فيما يتعلق بمواد الأقطاب الكهربائية، تستخدم أقطاب الهيدروجين عادة مركبات السيراميك المعدنية Ni-YSZ، والتي لا تتمتع بموصلية جيدة فحسب، ولكنها توفر أيضًا نشاطًا حفازًا كافيًا لتعزيز توليد الهيدروجين. تستخدم أقطاب الأكسجين في الغالب مركبات من اللانثانم المخدر بالسترونتيوم (LSM) وYSZ، والتي يمكنها تحفيز توليد الأكسجين بشكل فعال والحفاظ على الاستقرار في درجات الحرارة المرتفعة.

ينقسم هيكل SOEC بشكل أساسي إلى نوعين: أنبوبي ومسطح. يعتبر أنبوبي SOEC هو النوع الأقدم الذي تمت دراسته. ميزتها الرئيسية هي أنها لا تتطلب مواد مانعة للتسرب إضافية وأن طريقة الاتصال بسيطة نسبيًا. ومع ذلك، فإن SOEC الأنبوبي له أيضًا عيوب مثل التكلفة العالية وانخفاض كثافة الطاقة. في المقابل، تتمتع SOEC المسطحة بمزايا كثافة الطاقة العالية والتكلفة المنخفضة، لذلك أصبحت نقطة ساخنة في الأبحاث الحالية. ومع ذلك، تواجه SOEC المسطحة تحديات كبيرة في الختم، ومن الضروري التغلب على استقرار مواد الختم في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة.

تصل درجة حرارة تشغيل SOEC عادة إلى 600 إلى 1000 درجة مئوية، ويكون المحتوى الحراري لبخار الماء ذو درجة الحرارة العالية مرتفعًا، وبالتالي فإن جهد التحليل الكهربائي لـ SOEC يمكن أن يصل إلى 1.3 فولت، في حين أن جهد التحليل الكهربائي للتحليل الكهربائي القلوي أو البروتون عادة ما يكون التحليل الكهربائي لغشاء التبادل (PEM) أعلى من 1.8 فولت. ولذلك، تتمتع شركة SOEC بمزايا واضحة في استهلاك الطاقة. في ظل ظروف الحد الأدنى من استهلاك الطاقة، يمكن أن تنتج 3 كيلووات ساعة من الكهرباء 1 متر مكعب قياسي من الهيدروجين. ومع ذلك، تتطلب شركة SOEC استهلاكًا إضافيًا للطاقة لإنتاج بخار ماء عالي الحرارة، والذي يتمتع بمزايا فريدة في بعض سيناريوهات التطبيقات الخاصة، مثل إنتاج الهيدروجين بالطاقة النووية.

على الرغم من أن شركة SOEC تتمتع بمزايا واضحة في استهلاك الطاقة وكفاءتها، إلا أن درجة حرارة التشغيل المرتفعة تجلب أيضًا بعض التحديات والمشاكل. الأول هو مسألة التكلفة. تكلفة المواد عالية الحرارة وعمليات التصنيع مرتفعة. والثاني هو وقت البدء والإغلاق الطويل. نظرًا لأن شركة SOEC تحتاج إلى الوصول إلى درجة حرارة عالية لتتمكن من العمل، فإن عملية بدء التشغيل وإيقاف التشغيل تكون بطيئة نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، تعد دورة الحياة أيضًا مشكلة رئيسية تحتاج إلى حل. في ظل ظروف التشغيل ذات درجات الحرارة العالية، يواجه استقرار المادة ومتانتها تحديات.

في الوقت الحاضر، لا تزال تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء بأكسيد صلب في مرحلة العرض والتحقق، ولم يتم تنفيذها بعد في التطبيقات التجارية واسعة النطاق. على الرغم من التحديات العديدة، أظهرت تكنولوجيا SOEC إمكانات كبيرة في مجالات محددة. على سبيل المثال، عند استخدام الحرارة المهدرة من محطات الطاقة النووية واسترداد الحرارة المهدرة الصناعية ذات درجة الحرارة العالية، يمكن لتكنولوجيا SOEC تحويل مصادر الحرارة ذات درجة الحرارة العالية هذه بشكل فعال إلى هيدروجين، وبالتالي تحقيق الاستخدام الفعال وتحويل الطاقة.

في المستقبل، ومع التقدم المستمر في علوم المواد وعمليات التصنيع، من المتوقع أن تتغلب تكنولوجيا SOEC على الاختناقات التقنية الحالية وتحقق كفاءة أعلى وتكاليف أقل. وسيركز المزيد من البحث والتطوير على تحسين أداء مواد الإلكتروليت والأقطاب الكهربائية، وإطالة عمر خدمة المعدات، وتحسين التصميم العام ومعلمات التشغيل للنظام. من خلال التحسينات والابتكارات متعددة الأوجه، من المتوقع أن تحتل تكنولوجيا SOEC مكانة مهمة في اقتصاد الهيدروجين المستقبلي وتصبح وسيلة مهمة لاستخدام الطاقة المتجددة وإنتاج الهيدروجين.