miniatura|350x350px|Esquema d'electròlisi a alta temperatura. L'electròlisi d'alta temperatura (també HTE o electròlisi de vapor, o HTSE) és una tecnologia per produir hidrogen a partir d'aigua a altes temperatures o altres productes, com ara nanomaterials de ferro o carboni, ja que una energia més alta redueix l'electricitat necessària per dividir les molècules i obre nous electròlits potencialment millors, com ara sals foses o hidròxids. A diferència de l'electròlisi a temperatura ambient, l'HTE funciona a rangs de temperatura elevats depenent de la capacitat tèrmica del material. A causa dels efectes perjudicials de la crema de combustibles fòssils sobre els humans i el medi ambient, l'HTE s'ha convertit en un mètode alternatiu i eficient necessari pel qual es pot preparar hidrogen a gran escala i utilitzar-lo com a combustible. La visió de l'HTE és avançar cap a la descarbonització en tots els sectors econòmics. Els requisits materials per a aquest procés són: la font de calor, els elèctrodes, l'electròlit, la membrana de l'electrolitzador i la font d'electricitat. miniatura|410x410px|Descarbonització de l'economia mitjançant hidrogen produït a partir d'HTE

Principi El procés utilitza energia (en forma de calor) de les fonts per convertir l'aigua en vapor, que després es passa a un sistema electrolític (format per dos elèctrodes connectats a la font de corrent, un electròlit i una membrana). A altes temperatures (més de 650 °C en la majoria de topologies), els materials utilitzats per construir les cel·les es tornen conductors. Per tant, comencen a produir-se reaccions electroquímiques i la cel·la comença a funcionar un cop ha assolit la temperatura adequada i s'hi subministra electricitat mentre s'alimenta amb vapor. El vapor finalment es dividirà en hidrogen (càtode) i oxigen (ànode) segons les equacions següents:

Overall: 2H2O -> 2H2 + O2 Cathode: 2H2O ->2H + 2OH^{-} Anode: 2OH^{-} -> H2O + (1/2)O2

Eficiència miniatura|300x300px|Eficiències teòriques de divisió tèrmica de l'aigua.60% d'eficiència a 1000 °CEl reformat amb vapor d'hidrocarburs a hidrogen té una eficiència del 70-85% L'electròlisi a alta temperatura és més eficient econòmicament que l'electròlisi tradicional a temperatura ambient perquè part de l'energia es subministra en forma de calor, que és més barata que l'electricitat, i també perquè la reacció d'electròlisi és més eficient a temperatures més altes. De fet, a 2500 °C, l'entrada elèctrica és innecessària perquè l'aigua es descompon en hidrogen i oxigen a través de la termòlisi. Aquestes temperatures no són pràctiques; els sistemes HTE proposats funcionen entre 100 °C i 850 °C.

Si se suposa que l'electricitat utilitzada prové d'un motor tèrmic, es necessiten 141,86 megajoules (MJ) d'energia calorífica per produir 1 kg d'hidrogen, tant per al procés HTE com per a l'electricitat necessària. A 100 °C, es necessiten 350 MJ d'energia tèrmica (41% d'eficiència). A 850 °C, es necessiten 225 MJ (64% d'eficiència). Per sobre de 850 °C, es comença a superar la capacitat dels acers al crom estàndard per resistir la corrosió, i ja no és fàcil dissenyar i implementar un procés químic a escala industrial que operi a una temperatura tan alta.

Materials Les cel·les d'electròlisi d'òxid sòlid (SOEC) són dispositius electroquímics que funcionen a altes temperatures i s'utilitzen per a l'electròlisi a alta temperatura. Els ingredients d'aquestes cel·les garanteixen que el dispositiu funcioni bé tant física com electroquímicament a altes temperatures. Per tant, la selecció de materials per als elèctrodes i l'electròlit en una cel·la electrolitzadora d'òxid sòlid és essencial. Una opció que s'està investigant per al procés utilitza electròlits de zircònia estabilitzada amb itri (YSZ), elèctrodes de vapor/hidrogen de níquel (Ni) -cermet i elèctrodes d'oxigen d'òxid de lantà (La2O3), estronci i cobalt.

Potencial econòmic Fins i tot amb l'electròlisi termoelèctrica (HTE), l'electròlisi és una manera força ineficient d'emmagatzemar energia. Es produeixen pèrdues significatives d'energia per conversió tant en el procés d'electròlisi com en la conversió de l'hidrogen resultant en energia.

Als preus actuals dels hidrocarburs, l'HTE no pot competir amb la piròlisi d'hidrocarburs com a font econòmica d'hidrogen, que produeix diòxid de carboni com a subproducte.

L'hidrogen tèrmic (HTE) és interessant com a via més eficient per a la producció d'hidrogen "verd", que s'utilitzarà com a combustible neutre en carboni i com a emmagatzematge d'energia en general. Pot arribar a ser econòmic si es puguin utilitzar fonts de calor barates no fòssils (energia solar concentrada, nuclear, geotèrmica, calor residual) juntament amb fonts d'electricitat no fòssils (com ara l'energia solar, eòlica, oceànica, nuclear).

Els possibles subministraments de calor d'alta temperatura barata per a HTE són tots no químics, inclosos els reactors nuclears, els col·lectors tèrmics solars de concentració i les fonts geotèrmiques. L'HTE s'ha demostrat en un laboratori a 108 quilojoules (elèctrics) per gram d'hidrogen produït, però no a escala comercial.

Avantatges i reptes

Òbviament, l'avantatge més notable de l'HTE és que ofereix l'oportunitat de preparar hidrogen verd a gran escala, ja que té el potencial de zero emissions. El procés proporciona una cinètica de reacció millorada per a la divisió de la molècula d'aigua. Part de la necessitat d'electricitat es substitueix per calor, cosa que la fa una mica més barata perquè l'electricitat és més cara que la calor.

No obstant això, la tecnologia HTE va patir limitacions a causa de:

Per sobre dels 100 °C, l'electròlisi de l'aigua líquida requereix pressurització i, per tant, està limitada per les pressions de treball que es poden assolir raonablement. creant materials que siguin químicament i físicament estables en condicions d'oxidació i reducció intenses, així com a altes temperatures de treball. estabilitat química i física a baixes conductivitats elèctriques, altes temperatures de treball i/o concentracions iòniques.

Alternatives Hi ha centenars de cicles termoquímics coneguts que utilitzen calor per extreure hidrogen de l'aigua. Per exemple, el cicle termoquímic de sofre-iode. Com que el pas de generació d'electricitat té una eficiència força baixa i s'elimina, la producció termoquímica podria assolir eficiències més altes que la HTE. Tanmateix, la producció termoquímica a gran escala requerirà avenços significatius en materials que puguin suportar ambients d'alta temperatura, alta pressió i alta corrosió.

Departament d'Energia dels Estats Units L'Oficina d'Energia Nuclear del DOE té projectes de demostració per provar 3 instal·lacions nuclears amb electròlisi d'alta temperatura als Estats Units a:

Central nuclear de Nine Mile Point a Oswego, Nova York Central nuclear Davis-Besse a Oak Harbor, Ohio Central nuclear de Prairie Island a Red Wing, Minnesota

ISRU de Mart L'electròlisi a alta temperatura amb cel·les electrolitzadores d'òxid sòlid es va utilitzar per produir 5,37 grams d'oxigen per hora a Mart a partir de diòxid de carboni atmosfèric per a l'experiment Mars Oxygen ISRU al rover Mars 2020 Perseverance de la NASA, utilitzant dispositius d'electròlisi de zircònia.The Mars Oxygen ISRU Experiment (MOXIE) PDF. Presentation: MARS 2020 Mission and Instruments". November 6, 2014.

Referències

Categoria:Electròlisi Categoria:Hidrogen