Uso de eletrolisadores para produção industrial de H2

Quais são as principais fontes de hidrogênio para a indústria?

Grande parte do hidrogênio (H2) produzido para a indústria vem de combustíveis fósseis. A reforma a vapor é um processo termoquímico pelo qual um combustível fóssil é aquecido com água para produzir hidrogênio e dióxido de carbono. O hidrogênio "azul" é produzido a partir da reforma do gás natural, e o hidrogênio "marrom", a partir do carvão gaseificado.  

Esses dois métodos produzem dióxido de carbono (CO2) como subproduto, que é liberado na atmosfera ou coletado para uso em outro processo (como processamento de alimentos e bebidas). 

Atualmente, há uma tendência marcante de se afastar da produção de hidrogênio (H2) por meio da redução do gás natural, em direção à eletrólise da água. Em muitos países, a energia usada para operar os eletrolisadores vem da energia solar, eólica e hidrelétrica, bem como da geração de energia alimentada por biometano.  

O hidrogênio produzido com energia renovável é chamado de "verde". Embora a eletrólise exija muita energia, as energias renováveis, como a eólica e a solar, não emitem CO2, como o hidrogênio produzido pelas energias azul e cinza. cinza produzido pelo hidrogênio.

O hidrogênio também pode ser produzido por meio da gaseificação da biomassa. Isso envolve altas temperaturas (700 °C), mas sem combustão. As quantidades de O2 e vapor no processo são controladas para produzir CO e H2. Esse gás, syngas, é então usado para alimentar turbinas por meio de combustão.  

Embora o cultivo de biomassa remova o CO2 da atmosfera, esse processo precisa ser combinado com a captura de carbono para manter as emissões líquidas baixas.  

A eletricidade necessária para a eletrólise pode representar até 75% do custo de produção do hidrogênio, daí a tendência para fontes renováveis. 

Gasificação - Wikipedia

Como os desenvolvimentos no eletrolisador estão impulsionando a produção de hidrogênio verde? 

A tecnologia do eletrolisador está avançando rapidamente e substituindo a produção de hidrogênio usando combustíveis fósseis, o que está reduzindo a quantidade de CO2 produzido como subproduto. O crescimento desse setor é impulsionado pelas exigências de vários governos para reduzir o uso de combustíveis fósseis para geração de energia e transporte, substituindo-os pela tecnologia de células de combustível. As células de combustível convertem hidrogênio e oxigênio em eletricidade e o subproduto água. O calor também é gerado nesse processo. Esse calor, em instalações maiores, pode ser usado para acionar turbinas a vapor para geração de energia geração de energia - conhecida como "cogeração". 

Simplificando, a eletrólise é a passagem de corrente contínua por um eletrólito, resultando em uma reação química no ânodo e no cátodo. O O2 é produzido pela oxidação no ânodo e o H2 pela redução no cátodo. 

A eletrólise está entre nós desde 1800, quando Alessandro Volta desenvolveu a primeira pilha elétrica usando ácido como meio, e percebeu-se que, quando a corrente fluía, o oxigênio e o hidrogênio apareciam nos polos da pilha. Outras pesquisas foram realizadas por Sir Humphry Davy (famoso pela lâmpada de segurança Davy) e seu então assistente Michael Faraday (que formulou duas leis da eletrólise)

Eletrolisadores alcalinos (AEL)

Descobriu-se que a água pura nem sempre é um bom meio para a eletrólise. Por esse motivo, os eletrolisadores modernos usarão hidróxido de potássio e de sódio, que oferecem reações melhores. Veja Eletrólise da água - Wikipedia

Os íons de hidróxido viajam do cátodo para o ânodo por meio do eletrólito. O hidrogênio é gerado no cátodo e o oxigênio no ânodo. Esse método de produção é chamado de "eletrólise alcalina" e funciona em uma faixa de temperatura de 70...90 °C, a pressões de cerca de 30 bar. 

Eletrolisadores PEM

Outro tipo é o eletrolisador de membrana de eletrólito polimérico (PEM), que usa água para reagir no ânodo e formar O2 e íons de hidrogênio carregados positivamente, que se movem pela membrana condutora de íons até o cátodo. A membrana é um material polimérico sólido especial. 

Esses íons então se recombinam com os elétrons externos que passam pelo circuito para produzir gás hidrogênio. Assim, o O2 é produzido no anodo e o H2 no catodo. Essa tecnologia produz hidrogênio muito puro. 

Desenvolvimento de outros métodos de produção de hidrogênio

Fotoeletroquímica (PEC) e Fotobiológica: Esses processos usam energia luminosa para dividir a água em H2 e O2, e são principalmente experimentais no momento.   

O PEC utiliza painéis semelhantes a células fotovoltaicas imersas em um eletrólito, com o Sol fornecendo a energia para que a divisão água-eletrólito ocorra.

Para a geração fotobiológica, as microalgas verdes ou cianobactérias usam a luz solar para dividir a água em íons de hidrogênio e oxigênio.  

Produtos da Process Sensing Technologies para produção de hidrogênio e oxigênio

Oferecemos uma ampla seleção de produtos para garantir a qualidade do hidrogênio e do oxigênio em vários estágios do processo.  

Na saída dos eletrolisadores: 
Para medir H2 em O2: O Michell XTC601 é capaz de operar no nível de produção, que pode ser um processo úmido. 

Para medir O2 em H2: o Michell XTP601 Tanto o XTP quanto o XTC podem ter classificação SIL2 

Na pós-produção de hidrogênio:
Onde o gás foi seco, os operadores querem ver baixos ppm de O2 e pontos de orvalho secos; <10 ppmV e -50°C ou menos são solicitações típicas.  

Recomendamos: 

O transmissor de ponto de orvalho à prova de explosão Michell Easidew PRO XP, com uma faixa de medição de -110 a +20 °C de ponto de orvalho. 

O Analisador de Oxigênio Michell XTP601 oferece uma variedade de faixas, de 0...0,5 % O2 até 90...100 % O2.  

Para H2 de alta pureza, os produtores geralmente querem saber se o gás está seco e se os níveis de oxigênio estão abaixo de determinados limites de ppm. Para isso, podemos oferecer o Michell Easidew Pro I.S. e o sensor de ppm Ntron Minox-i.

Para monitorar traços de gás em hidrogênio, o LDetek HyDetek é uma boa opção. Esse instrumento é capaz de medir traços de impurezas no hidrogênio até partes baixas por trilhão, para atender à ISO 14687 Parte 2 para hidrogênio para uso em células de combustível.  Ele também pode medir o N2 no hidrogênio para verificação de vazamentos e para garantir que não haja N2 residual durante a purga dos tubos. 

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Fontes:

Processos de produção de hidrogênio | Departamento de Energia

Métodos de produção de hidrogênio em escala | Royal Society

Diferentes tipos de eletrolisadores - Hidrogênio renovável Greendrogen