Amoniac có thể tái tạo đã được sản xuất thông qua các máy điện phân kiềm trong hơn một thế kỷ . Với sự xuất hiện của năng lượng mặt trời và năng lượng gió chi phí thấp, sẽ cần tăng công suất của các máy điện phân. Các công nghệ máy điện phân khác đang mở rộng công suất, chẳng hạn như máy điện phân màng trao đổi proton (PEM) và máy điện phân oxit rắn, trong khi công nghệ màng trao đổi anion (AEM) hiện đang nổi lên. Tuy nhiên, máy điện phân kiềm vẫn được kỳ vọng sẽ đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất amoniac tái tạo.
Lịch sử phát triển: chất xúc tác điện & thiết kế ngăn xếp
Kiến trúc và điện phân kiềm NEL. Từ Paola Granados Mendoza, Vật liệu cho điện phân nước kiềm tăng cường (tháng 6 năm 2019).
Máy điện phân kiềm hoạt động với hai điện cực kim loại (cực âm và cực dương) được ngâm trong dung dịch điện phân chứa nước kiềm (thường là 20-40% trọng lượng KOH trong nước). Một màng ngăn cách các điện cực, sao cho các ion hydroxit (OH – ) có thể được vận chuyển từ cực âm sang cực dương. Nhìn chung, 2 phân tử hydro (H 2 ) và 1 phân tử oxy (O 2 ) được tạo ra từ 2 phân tử nước (H 2 O) trong tế bào.
Trong thực tế, yêu cầu năng lượng cho máy điện phân cao hơn yêu cầu năng lượng lý thuyết để tách nước. Điều này là do các chất xúc tác điện “không hoàn hảo”, sau đó sẽ mất hiệu quả hơn nữa khi đun nóng, cũng như điện trở trong dung dịch điện phân & màng ngăn.
Trong suốt nhiều thập kỷ, nhiều cải tiến đã được thực hiện. Ví dụ: màng ngăn Amiăng (dày 2-4 mm) đã được thay thế bằng màng ngăn polysulfone-ZrO 2 mỏng hơn (Zirfon®, 0,5 mm), do đó giảm tổn thất hiệu quả do lực cản của màng ngăn gần một bậc độ lớn .
Gói điện cực DeNora so với các điện cực điện phân kiềm cổ điển. Nguồn: DeNora.
Một sự phát triển khác là thiết kế các chất xúc tác điện hiệu quả hơn. Một ví dụ là sự phát triển của các chất xúc tác tiến hóa hydro tốt hơn (cực âm). Ví dụ, nhà sản xuất máy điện phân Nhật Bản Asahi Kasei đã phát triển các chất xúc tác tiến hóa hydro mới. Thay vì sử dụng Niken kim loại làm chất xúc tác điện, cực âm được thay thế bằng Ruthenium được hỗ trợ trên chất nền ceria và niken. Tương tự, nhà sản xuất điện cực DeNora của Ý đã phát triển các điện cực dựa trên kim loại quý, cho phép các nhà sản xuất máy điện phân ThyssenKrupp Nucera và McPhy vận hành các ngăn điện phân của họ với mật độ dòng điện gấp đôi (6-9 kA/m 2 ) so với các nhà sản xuất khác với cùng hiệu suất năng lượng để sản xuất hydro (2-4 kA/m 2). Điều này có nghĩa là cần ít ngăn xếp hơn cho cùng một sản lượng hydro, đòi hỏi đầu tư cao hơn cho mỗi ngăn xếp do tải kim loại quý.
ế bào truyền thống và tế bào khoảng cách Zero cho điện phân kiềm. Từ “Thiết kế tế bào điện phân kiềm không khe hở để lưu trữ năng lượng tái tạo dưới dạng khí hydro” ( RSC Advances , tháng 9 năm 2016).
Cuối cùng, thiết kế ngăn xếp đã được tối ưu hóa thành công theo thời gian. Trước đây, các điện cực được ngâm trong dung dịch điện phân và không tiếp xúc trực tiếp với màng ngăn. Do đó, việc vận chuyển các ion hydroxit qua chất điện phân gây ra điện trở đáng kể và do đó tổn thất nhiệt. Bằng cách đổi mới thiết kế tế bào với cực âm và cực dương tiếp xúc với màng ngăn trong 'tế bào có khe hở bằng 0' , các điện trở vận chuyển này thấp hơn, dẫn đến hiệu suất tế bào tốt hơn.
Ảnh hưởng của áp lực đến tính linh hoạt
Các ngăn xếp máy điện phân kiềm thương mại điển hình hoạt động ở mức yêu cầu điện năng là 3,9-4,5 kWh/Nm 3 -H 2 , với một số hệ thống hoạt động ở áp suất khí quyển và các hệ thống khác hoạt động ở áp suất lên đến 30 bar. Để tham khảo, chi phí hiện tại của các ngăn máy điện phân kiềm NEL là khoảng 225 €/kW (đối với đơn đặt hàng 200 MW). Các ngăn xếp hiện tại thường có quy mô từ 1-5 MW và dự kiến sẽ mở rộng thêm quy mô lên tới 20 MW để giảm thiểu chi phí sản xuất .
Để sản xuất amoniac, các máy điện phân kiềm điều áp hoạt động ở áp suất 10-30 bar không yêu cầu bước nén trước khi kết hợp hydro sản phẩm của chúng với nitơ từ thiết bị tách khí. So với máy điện phân kiềm trong khí quyển, điều này có thể tiết kiệm 0,1-0,2 kWh/Nm 3 -H 2 cho quá trình nén. Mặt khác, áp suất vận hành tăng sẽ dẫn đến sự trao đổi chéo hydro cao hơn từ phía cực âm sang phía cực dương, điều này có thể trở nên đặc biệt khó khăn khi vận hành ở mức tải thấp (khiến hỗn hợp khí dễ nổ kết tụ lại). Do đó, máy điện phân kiềm áp suất chỉ có thể hoạt động ở mức 40% tải định mức . Máy điện phân áp suất khí quyển có thể hoạt động xuống 15% tải định mức. Cần lưu ý rằng vận hành máy nén với tải thay đổi không phải là chuyện nhỏ.
Biểu diễn sơ đồ của một ngăn điện phân kiềm tiên tiến (20 MW). Nguồn: ISPT .
Những tiến bộ trong máy điện phân kiềm có thể cho phép vận hành linh hoạt hơn. Theo De Groot và đồng nghiệp, có thể tìm thấy sự cân bằng giữa áp suất và tải tối thiểu ở khoảng 8 bar, dẫn đến tải tối thiểu 10% đối với máy điện phân kiềm tiên tiến. Tải tối thiểu của máy điện phân đặc biệt phù hợp với các trung tâm amoniac tái tạo không nối lưới , chẳng hạn như AMUN ở Mauritania.
Battolyser: kết hợp pin và chức năng điện phân để điện phân hoàn toàn linh hoạt
Battolyser, pin tích hợp và máy điện phân. Nguồn: Battolyser .
Battolyser là nhà sản xuất máy điện phân của Hà Lan và là công ty con của Đại học Hà Lan TU Delft. Thay vì nâng cấp chất xúc tác cực âm từ Niken thành kim loại quý, cực âm dựa trên Sắt, chất này thực sự có hiệu suất tương tự như cực âm Niken đối với quá trình phát triển hydro. Hơn nữa, sự kết hợp giữa cực âm Sắt và cực dương Niken cũng có thể được sử dụng làm pin (sự kết hợp này được gọi là “pin Edison” ). Chức năng kép của máy điện phân và pin cho phép Battolyser hoạt động linh hoạt hơn so với máy điện phân kiềm thông thường, trong khi vẫn duy trì hoạt động ở áp suất cao. Gần đây, một nhà máy trình diễn Battolyserđã được lắp đặt tại nhà máy điện RWE Magnum ở Eemshaven, Hà Lan. Battolyser cũng đã công bố kế hoạch cho công suất sản xuất 500 MW mỗi năm tại Rotterdam, Hà Lan.
