Анализ развитости технологии получения водорода методом электролиза воды

Водород является одним из наиболее перспективных веществ в мире. В настоящее время он широко используется в различных областях, таких как производство электроэнергии, металлургия, авиация, космические промышленности и многих других областях. Этот универсальный газ также является одним из наиболее важных элементов в переходе к экологически чистой, устойчивой и экономически эффективной энергетической системе. В этой статье мы рассмотрим процесс получения водорода методом электролиза воды, а также перспективы дальнейшего развития данной технологии.

Повышение эффективности процесса получения водорода связано с тремя факторами; Первое большой запас сырьевой базы; второе неэффективность электролиза; экологичность. Для наглядности определим энергетическую эффективность электролиза воды по методу [4].

Уравнение реакции:

2Н2О + 2е + Ме^Н2 + НО- + Ме

В результате разряда гидроксильных ионов на аноде происходит выделение кислорода. Уравнение реакции:

Н2О - 2е ^ (|)О2 + 2Н+

Расход электроэнергии на производства 1 м3 водорода считаем по формуле 3:

(Р * t)

Э =      * ЕЕ * СЕ = 6,7 кВт*ч/м3

где Э - энергетические затраты на производство водорода (в кВт*ч/м ³ ), P - мощность источника тока (в кВт), t - время электролиза (в часах), V -объем произведенного водорода (в м3), EE - электрическая эффективность конверсии (в %), CE - химическая эффективность конверсии (в %).

Переводим на килограмм водорода ^^ = 75,2кВт * ч где 0,089 плотность водорода при нормальных условиях. Находим тепловую энергию реакции по формуле 4:

q4 = 75,2 * 3600 = 271011 кДж (4)

Будем считать, что электрическую энергию для реакции получаем с помощью атомной электростанции, тогда принимаем КПД согласно формуле 5.

П = ПаэПпгПэгПмПтрэ = 0,258 (5)

Где п_аэ КПД с графитоводным реактором - около 40%, р_ПГ КПД парогенератора 90%, П эГ КПД электрогенератора 90%, р_М КПД механический 96%,р_ТР э КПД транспортировка электроэнергии по сетям 0,83 %.

Находим отношения теплоты сгорания суммарного топлива к теплоте сгорания водорода по формуле 6.

q4   271011

д=q;=12150Ю = 2,24

Из формулы 5, что тепловая энергия 1 кг водорода в 2,24 раза меньше теплоты сгорания условного топлива, что безусловно энергетически не выгодно. Проанализировав работу [4], принимаем что для производства 1 кг водорода потребуется в 27 раз больше килограмм условного топлива. При этом из анализа работы [3] видно, что электролиз воды самый дорогостоящий способ получения водорода, не считая атомного термоэлектромза.

Для решения этой проблемы авторы работы [1] предлагают использовать высокочастотный генератор звуковых волн для разрушения водородных связей и схлопыванию пузырьков газа на поверхности электродов, что способствует образованию свободных молекул и уменьшению сопротивления электрического тока в электролизере. По утверждению авторов работы [1] при неизменном напряжении плотность тока увеличивается в 14 раз, что позволяет экономить около 27 % электроэнергии при той же производительности водорода.

Еще один способ повышения эффективности электролиза воды представлены в работе [2]. В работе используют лазерную абляцию совместно с ультразвуковыми волнами для снятия оксидной пленки с алюминиевого анода и катода, что в свою очередь и провоцирует реакцию электролиза. Главным плюсом данного способа является получения водорода непосредственно из воды без выделения загрязняющих окружавшую среду побочных продуктов.

В данной работе рассмотрены новейшие технологии усовершенствования технологии электролиза воды. При перерасчете стоимости водорода из работы [3] с учетом процента экономии энергии из работы [1], можно с уверенностью сказать, что на дистанции цена водорода полученного электролизом воды сможет составить конкуренцию традиционным способам получения водорода не только в экономическом плане но и в экологическом.