Высокоэффективная технология производства водорода – высокотемпературный твердооксидный электролизер

Высокотемпературный твердооксидный электролизер (SOEC) — это высокоэффективное, быстрое и гибкое устройство для преобразования энергии. Используя различные виды сырья, он может производить различные продукты, что позволяет разрабатывать многофункциональные электрохимические синтезаторы. Его можно подключать к экологически чистым источникам энергии, таким как ветро- и фотоэлектрические электростанции. Его наиболее распространенное применение — электролиз пара для получения водорода. По сравнению с распространенными технологиями электролиза воды, такими как щелочной (ALK) и Протонообменная мембрана (PEM) электролиз, SOEC предлагает несколько преимуществ: более высокий КПД (до 85%), обратимость и возможность использования высококачественного отходящего тепла от полученных продуктов. Твердооксидный электролизер (SOEC) преобразует электрическую и тепловую энергию в химическую. В принципе, SOEC работает как обратный процесс твердооксидного топливного элемента (SOFC). Как показано на рисунке 1, SOEC состоит из плотного электролитного слоя в середине, пористых электродов с обеих сторон и газовых каналов снаружи электродов для подачи газов-реагентов и отвода газов-продуктов, что обеспечивает эффективный транспорт и распределение газа. При подаче постоянного тока (DC) на электроды при высоких температурах (600–900 °C) молекулы водяного пара (H₂O) расщепляются на катоде на протоны (H⁺) и ионы кислорода (O²⁻). Ионы O²⁻ мигрируют через слой твердого оксидного электролита к аноду, где они высвобождают электроны (e⁻) и образуют молекулы кислорода (O₂).

Электроны проводятся по межсоединению к катоду, где они соединяются с H⁺, образуя молекулы водорода (H₂). Производство водорода методом SOEC, то есть производство водорода с помощью твердооксидной электролизной ячейки, представляет собой процесс, использующий ионную проводимость твердооксидных электролитных мембран для расщепления воды на водород и кислород при высоких температурах. Продукция может широко применяться в таких отраслях, как сталелитейные заводы, химические заводы и аэрокосмическая промышленность. SOEC также может быть термически интегрирована с различными процессами химического синтеза, что позволяет перерабатывать уловленный диоксид углерода и воду в синтетический природный газ, бензин, метанол или аммиак. По сравнению с другими технологиями электролиза воды, SOEC обладает множеством преимуществ, включая высокую эффективность, низкую стоимость, возможность совместного электролиза, обратимость процесса и пригодность для различных сценариев. Работая при высоких температурах (600–900 °C), SOEC выигрывает от благоприятной кинетики, что приводит к высокой эффективности электролиза. Повышенная рабочая температура снижает потребление электроэнергии, при этом общий КПД системы для производства водорода достигает приблизительно 85%. Это примерно в 1,5 раза превышает эффективность системы электролиза ПЭМ и в два раза превышает общую эффективность электролиз щелочной водыЧто касается сфер применения, высокотемпературные условия работы SOEC делают его весьма совместимым со сценариями, предполагающими значительное количество отходящего тепла, такими как угольные химические заводы, сталелитейная промышленность, производство аммиака и атомные электростанции. Интеграция отходящего тепла в работу SOEC может компенсировать потребление электроэнергии, повышая электрическую эффективность и снижая эксплуатационные расходы. Кроме того, отличительной особенностью SOEC по сравнению с другими технологиями является его обратимость — он может гибко переключаться между режимом электролиза (SOEC) и режимом топливных элементов (SOFC).

SOEC может производить водород или синтез-газ для хранения энергии в режиме электролиза, а также преобразовывать химическую энергию в электричество в режиме топливных элементов, создавая синергетическую систему для производства, хранения и генерации водорода («электричество-водород-электричество»). Это открывает для неё значительный потенциал для хранения возобновляемой энергии и сглаживания пиковых нагрузок в сети, способствуя эффективному использованию энергии и балансу. В целом, благодаря постоянному технологическому прогрессу и постепенному развитию рынка, ожидается, что производство водорода SOEC будет играть важнейшую роль в будущем энергетическом ландшафте, способствуя достижению глобальных целей углеродной нейтральности.