Melhoria de eficiência e consistência para eletrolisadores alcalinos movidos por fontes de energia renováveis

Engenharia de Comunicações volume 2, Artigo número: 22 (2023) Citar este artigo

2356 Acessos

1 Altmétrico

Detalhes das métricas

A eletrólise de água alcalina de baixo custo a partir de fontes de energia renováveis (FERs) é adequada para a produção de hidrogênio em larga escala. No entanto, a flutuação dos RESs leva ao baixo desempenho dos eletrolisadores de água alcalina (AWEs) em baixas cargas. Aqui exploramos duas questões urgentes de desempenho: ineficiência e inconsistência. Através da análise detalhada do processo de operação dos AWEs e do modelo elétrico equivalente estabelecido, revelamos que os mecanismos de ineficiência e inconsistência dos AWEs de baixa carga estão relacionados à estrutura física e às características elétricas. Além disso, propomos uma estratégia de conversão de eletrólise de auto-otimização multimodo para melhorar a eficiência e consistência dos AWEs. Em particular, em comparação com uma fonte de alimentação CC convencional, demonstramos usando um AWE comercialmente disponível em escala de laboratório e em grande escala que a eficiência máxima pode ser duplicada enquanto a faixa de operação do eletrolisador pode ser estendida de 30–100% para 10– 100% da carga nominal. Nosso método pode ser facilmente generalizado e pode facilitar a produção de hidrogênio a partir de FERs.

Hoje em dia, o hidrogénio tem recebido grande atenção devido aos pronunciados problemas ambientais e climáticos causados pelas energias fósseis intensivas em carbono1,2. Com as suas propriedades limpas, versáteis e leves, o hidrogénio é considerado a solução mais promissora que pode ajudar a reduzir as emissões de carbono dos transportes3, da metalurgia4, da indústria química5 e de outros setores6. Como resultado, a procura de hidrogénio tem vindo a crescer exponencialmente, atingindo 70 milhões de toneladas em 2018 e deverá atingir 545 milhões de toneladas por ano em 20507. No entanto, a maior parte do hidrogénio mundial é atualmente obtida pela reforma de energias fósseis, que consome muita energia e faz com que as emissões globais de CO2 atinjam mais de 830 milhões de toneladas por ano7. Para o desenvolvimento sustentável, a produção de hidrogénio deve ser eficiente e amiga do ambiente. Portanto, a tecnologia de produção de hidrogénio através da electrólise da água utilizando excedentes de energia fotovoltaica, energia eólica e outra electricidade renovável, nomeadamente hidrogénio verde, tornou-se um tema de investigação quente8,9.

Atualmente, existem três métodos de hidrogênio eletrolítico, eletrolisadores de óxido sólido (SOEs), eletrolisadores de membrana de troca de prótons (PEM) e AWEs. Os SOE constituem um conceito avançado que permite a eletrólise de água ou vapor a altas temperaturas (600–900 °C)10, cuja eficiência é superior aos eletrolisadores PEM e AWEs. Quanto à aplicação prática, as empresas estatais enfrentam desafios notáveis no que diz respeito à estabilidade térmica dos materiais, mistura de gases e questões de vedação. Portanto, as empresas estatais ainda estão na fase de P&D. Em comparação com as SOEs, os eletrolisadores PEM e os AWEs estão disponíveis comercialmente. Os eletrolisadores PEM são mais eficientes e permitem densidades de corrente mais altas que os AWEs. Uma desvantagem óbvia dos eletrolisadores PEM é o alto custo de capital de seus componentes com tolerância a ácidos, como a membrana Nafion, placas bipolares de titânio e novos catalisadores metálicos PT/C e IrO211. Além disso, a sua vida útil mais curta do que a dos AWE também dificultou a sua aplicação em cenários de conversão de energia em gás em grande escala12. Em contraste, os AWEs são uma tecnologia relativamente madura que foi desenvolvida ao longo de 100 anos. Para AWEs comerciais, os eletrocatalisadores abundantes na terra são estáveis o suficiente para executar ambas as semi-reações, cuja vida útil pode chegar a 15 anos. Portanto, os AWEs são muito adequados para projetos de hidrogênio eletrolítico em larga escala13,14.

Embora existam na prática projetos com AWE até 6 MW15, a flexibilidade operacional dos AWE ainda precisa de ser melhorada, especialmente quando são alimentados por FER flutuantes de grande alcance. Um desafio amplamente preocupado é o problema de impureza que os AWEs de baixa carga (geralmente 25-45% da carga nominal) poderiam potencialmente levar ao cruzamento de gás entre o cátodo e o ânodo. Esta impureza resultará na formação de mistura de gases inflamáveis16, especialmente para o ânodo onde 2% em volume de H2 em O2 corresponde a cerca de 50% do limite inferior de explosividade. Portanto, quando as RES fornecidas, como a energia fotovoltaica, flutuam frequentemente numa ampla faixa, as paradas de partida dos AWE são aumentadas, obviamente, para garantir a segurança do sistema. Essas paradas frequentes têm grande influência na estabilidade e qualidade de energia do sistema elétrico de potência17,18; ao mesmo tempo, as FER não podem ser totalmente consumidas devido à redução da baixa carga dos AWE. Além disso, o desligamento prolongado causará correntes reversas para os AWEs19,20,21, o que afetará negativamente a durabilidade dos eletrodos. Modelos estacionários e dinâmicos de impureza de gás causada por cruzamento de gás são estabelecidos, considerando diversos fatores de influência. Resumindo, o problema da impureza do gás é causado por dois motivos: o cruzamento através do diafragma pela difusão do gás22,23 e o cruzamento pela mistura do eletrólito circulado24,25. Para aumentar a pureza do gás para AWEs de baixa carga, diversas estratégias também são propostas. Membrana de troca aniônica26,27 e outras novas estruturas de diafragma são desenvolvidas para evitar o cruzamento através do diafragma por difusão de gás. Com base no mesmo objetivo, Qi et al. propor uma estratégia de controle de pressão para ampliar a faixa de carga dos AWEs28. Por outro lado, Schug regula a taxa de circulação do eletrólito de forma adaptativa para reduzir o cruzamento pela mistura do eletrólito circulado . Para resolver completamente o problema da impureza do gás, foi projetado um novo sistema de eletrólise alcalina30, que separa a evolução do hidrogênio e do oxigênio. Mas sua confiabilidade precisa ser verificada posteriormente.

15 A), there is an obvious linear relationship between the voltage and current, but with different slopes, the low-load equivalent resistance is much larger than the high-load equivalent resistance. That is, the system parameters or states are changed. (3) In the whole range, the relationship between the electrolytic voltage and electrolytic current does not meet the typical electrolysis hydrogen model presented in refs. 14,33,34./p> the reserve voltage 4.92 V. c 9 V > the reserve voltage 4.92 V. d 15 V > the reserve voltage 4.92 V./p>the reserve voltage of one cell \({U}_{o}\)(namely 1.23 V), the OER occurs on the solid–liquid interfaces of the positive electrode, and the HER occurs on the solid–liquid interfaces of the negative electrode. The hydroxide ions pass through the electrolyte channel and partial cell spaces, as shown in Fig. 4a, then the electrolytic current is generated, which is called the start-up current in this paper. This can explain the experimental results shown in Fig. 3a./p> N\cdot{U}_{o}\) does not mean that \({U}_{{IF}}\, > \,{U}_{o}\). That is, when \({U}_{z}\gg N\cdot{U}_{o}\) or \(I\) is very large, the middle plates produce electrolytic reactions. This can explain the experimental results shown in Fig. 3b,d./p> the reserve voltage 4.92 V./p> the reserve voltage 4.92 V./p>10 kHz) have been reported. However, since the natural mechanisms are not analyzed effectively, the related results about high-frequency pulse electrolysis are confused and cannot be unified38. In ref. 39,40,41,42, the magnitude or mean value of pulse voltages equal to the magnitude of dc voltages, it is concluded that high-frequency pulse can enhance the system efficiency from three possible aspects, namely, reactant concentration, bubble detachment, and electrical double layer. However, for the pulse power supply and dc power supply, the same magnitude or mean value of voltages does not mean the same electric power. Indeed, from the view of energy, high-frequency pulse electrolysis will introduce lots of voltage or current harmonics, which will not produce hydrogen and cause obvious efficiency loss43,44,45. For the proposed MMSOEC strategy, the motivation is totally different from that of ref. 39,40,41,42. The fundamental motivation is based on the macroscopic equivalent circuit; the choice of pulse parameters is well-founded and is greatly different from that of refs. 39,40,41,42./p>