Elektroliser Air Untuk Hidrogen

Elektrolisis adalah pilihan yang menjanjikan untuk produksi hidrogen bebas karbon dari sumber daya terbarukan dan nuklir. Elektrolisis adalah proses penggunaan listrik untuk memecah air menjadi hidrogen dan oksigen. Reaksi ini berlangsung dalam suatu unit yang disebut elektroliser. Ukuran elektroliser dapat beragam, mulai dari peralatan berukuran kecil yang cocok untuk produksi hidrogen terdistribusi skala kecil hingga fasilitas produksi terpusat berskala besar yang dapat dihubungkan langsung dengan energi terbarukan atau bentuk-bentuk emisi non-gas rumah kaca lainnya. produksi listrik.

Bagaimana cara kerjanya
Seperti sel bahan bakar, elektroliser terdiri dari anoda dan katoda yang dipisahkan oleh elektrolit. Elektroliser yang berbeda berfungsi dengan cara yang berbeda, terutama karena jenis bahan elektrolit yang terlibat dan spesies ionik yang dihantarkannya berbeda.

Elektroliser Membran Elektrolit Polimer
Dalam elektroliser membran elektrolit polimer (PEM), elektrolitnya adalah bahan plastik khusus padat.

Air bereaksi di anoda membentuk oksigen dan ion hidrogen bermuatan positif (proton).
Elektron mengalir melalui sirkuit eksternal dan ion hidrogen secara selektif bergerak melintasi PEM menuju katoda.
Di katoda, ion hidrogen bergabung dengan elektron dari sirkuit luar membentuk gas hidrogen. Reaksi Anoda: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- Reaksi Katoda: 4H+ + 4e- → 2H2

Elektroliser Alkali
Elektroliser alkali beroperasi melalui pengangkutan ion hidroksida (OH-) melalui elektrolit dari katoda ke anoda dengan hidrogen dihasilkan di sisi katoda. Elektroliser yang menggunakan larutan alkali cair natrium atau kalium hidroksida sebagai elektrolit telah tersedia secara komersial selama bertahun-tahun. Pendekatan baru yang menggunakan membran pertukaran alkali padat (AEM) sebagai elektrolit menunjukkan harapan pada skala laboratorium.

Elektroliser Oksida Padat
Elektroliser oksida padat, yang menggunakan bahan keramik padat sebagai elektrolit yang secara selektif menghantarkan ion oksigen bermuatan negatif (O2-) pada suhu tinggi, menghasilkan hidrogen dengan cara yang sedikit berbeda.
Uap di katoda bergabung dengan elektron dari sirkuit luar untuk membentuk gas hidrogen dan ion oksigen bermuatan negatif.
Ion oksigen melewati membran keramik padat dan bereaksi di anoda untuk membentuk gas oksigen dan menghasilkan elektron untuk rangkaian eksternal.
Elektroliser oksida padat harus beroperasi pada suhu yang cukup tinggi agar membran oksida padat dapat berfungsi dengan baik (sekitar 700 derajat –800 derajat , dibandingkan dengan elektroliser PEM, yang beroperasi pada suhu 70 derajat –90 derajat , dan elektroliser alkali komersial, yang biasanya beroperasi pada suhu kurang dari 100 derajat). Elektroliser oksida padat skala laboratorium yang canggih berdasarkan elektrolit keramik penghantar proton menunjukkan harapan untuk menurunkan suhu pengoperasian hingga 500 derajat –600 derajat. Elektroliser oksida padat dapat secara efektif menggunakan panas yang tersedia pada suhu tinggi ini (dari berbagai sumber, termasuk energi nuklir) untuk mengurangi jumlah energi listrik yang diperlukan untuk menghasilkan hidrogen dari air.

Mengapa Jalur Ini Dipertimbangkan
Elektrolisis adalah jalur produksi hidrogen terdepan untuk mencapai tujuan Hydrogen Energy Earthshot yaitu mengurangi biaya hidrogen bersih sebesar 80% menjadi $1 per 1 kilogram dalam 1 dekade ("1 1 1"). Hidrogen yang dihasilkan melalui elektrolisis tidak menghasilkan emisi gas rumah kaca, bergantung pada sumber listrik yang digunakan. Sumber listrik yang dibutuhkan – termasuk biaya dan efisiensinya, serta emisi yang dihasilkan dari pembangkitan listrik – harus dipertimbangkan ketika mengevaluasi manfaat dan kelayakan ekonomi produksi hidrogen melalui elektrolisis. Di banyak wilayah di negara ini, jaringan listrik saat ini tidak ideal untuk menyediakan listrik yang diperlukan untuk elektrolisis karena gas rumah kaca yang dilepaskan dan jumlah bahan bakar yang dibutuhkan akibat rendahnya efisiensi proses pembangkitan listrik. Produksi hidrogen melalui elektrolisis sedang diupayakan untuk pilihan energi terbarukan (angin, matahari, hidro, panas bumi) dan nuklir. Jalur produksi hidrogen ini hampir tidak menghasilkan gas rumah kaca dan memenuhi kriteria emisi polutan; namun, biaya produksi perlu diturunkan secara signifikan agar dapat bersaing dengan jalur berbasis karbon yang lebih matang seperti reformasi gas alam.

Potensi sinergi dengan pembangkit listrik energi terbarukan
Produksi hidrogen melalui elektrolisis dapat menawarkan peluang sinergi dengan pembangkit listrik dinamis dan terputus-putus, yang merupakan karakteristik dari beberapa teknologi energi terbarukan. Misalnya saja, meskipun biaya pembangkit listrik tenaga angin terus menurun, variabilitas yang melekat pada pembangkit listrik tenaga angin merupakan hambatan bagi penggunaan pembangkit listrik tenaga angin secara efektif. Bahan bakar hidrogen dan pembangkit listrik dapat diintegrasikan di ladang angin, sehingga memungkinkan fleksibilitas untuk mengalihkan produksi agar sesuai dengan ketersediaan sumber daya dengan kebutuhan operasional sistem dan faktor pasar. Selain itu, pada saat terjadi kelebihan produksi listrik dari pembangkit listrik tenaga angin, alih-alih membatasi pasokan listrik seperti yang biasa dilakukan, kelebihan listrik ini dapat digunakan untuk menghasilkan hidrogen melalui elektrolisis.

Penting untuk diperhatikan...
Jaringan listrik saat ini bukanlah sumber listrik yang ideal untuk elektrolisis karena sebagian besar listrik dihasilkan menggunakan teknologi yang menghasilkan emisi gas rumah kaca dan memerlukan banyak energi. Pembangkitan listrik dengan menggunakan teknologi energi terbarukan atau nuklir, baik yang terpisah dari jaringan listrik, atau sebagai bagian yang semakin besar dari campuran jaringan listrik, merupakan pilihan yang memungkinkan untuk mengatasi keterbatasan produksi hidrogen melalui elektrolisis.

Dalam proses elektrolisis, dua proses ionisasi berbeda terjadi pada waktu yang bersamaan. Baik air dan elektrolit bersaing dalam kasus ini.

Elektrolit mengalami proses ionisasi yang sama seperti air. Oksidasi dan reduksi yang sama akan terjadi dalam elektrolit.
Karena anion dari elektrolit bersaing dengan ion hidroksida untuk melepaskan elektron, dan kation bersaing dengan ion hidrogen untuk mereduksi dengan menerima elektron, pemilihan elektrolit harus hati-hati.

Kation elektrolit harus mempunyai potensial elektroda yang lebih rendah dari H+. Ingatlah selalu bahwa dalam setiap elektrolisis, potensial elektroda kation elektrolit harus lebih kecil dari potensial elektroda kation zat yang dielektrolisis, dan potensial elektroda anion elektrolit harus lebih besar daripada potensial elektroda anion. zat yang dielektrolisis.

Produksi hidrogen hijau menggunakan sumber energi terbarukan telah memicu minat yang cukup besar terhadap elektrolisis air untuk menghasilkan hidrogen. Elektrolisis air menggunakan sumber energi terbarukan tanpa emisi CO2 dipandang sebagai metode yang menjanjikan untuk meningkatkan laju produksi hidrogen. Pada tahun 2020, sekitar 87 juta ton hidrogen diproduksi di seluruh dunia untuk berbagai kegunaan, termasuk penyulingan minyak, produksi amonia (NH3) (melalui proses Haber) dan metanol (CH3OH) (melalui reduksi karbon monoksida [CO]), dan sebagai bahan bakar transportasi. Permintaan hidrogen diperkirakan akan mencapai 500-680 juta MT pada tahun 2050. Pasar produksi hidrogen bernilai $130 miliar dari tahun 2020 hingga 2021 dan diperkirakan akan tumbuh pada tingkat tahunan sebesar 9,2% hingga tahun 2030. Namun ada kendalanya: lebih dari 95% produksi hidrogen saat ini didasarkan pada bahan bakar fosil, dan sangat sedikit yang ramah lingkungan. Saat ini, produksi hidrogen mengonsumsi 6% gas alam global dan 2% batubara global. Meskipun demikian, teknologi produksi hidrogen ramah lingkungan semakin populer.

Elektrolisis adalah proses yang menggunakan listrik untuk memecah air menjadi H2 dan O2. Aliran elektron melalui jalur konduktif, seperti kawat, itulah yang dimaksud dengan listrik. Jalur ini dikenal sebagai sirkuit. Elektron berpindah karena adanya beda potensial listrik antara anoda dan katoda. Anoda memiliki lebih banyak elektron dan lebih tidak stabil karena penumpukan elektron. Elektron ingin mengatur ulang dirinya sendiri untuk menghilangkan perbedaannya. Elektron saling tolak menolak dan mencoba berpindah ke lokasi yang jumlah elektronnya lebih sedikit. Itu adalah katoda.
Karena air murni tidak menghantarkan listrik, pemisahan air merupakan reaksi redoks yang lambat.

Kimia
Pada elektroliser terdapat satu katoda dan satu anoda yang dihubungkan dengan sumber listrik. Elektron selalu mengalir dari anoda ke katoda apapun yang terjadi. Katoda selalu menjadi tempat terjadinya reduksi, oleh karena itu elektron harus berada di sana. Oksidasi adalah hilangnya elektron dan reduksi adalah perolehan elektron.
Singkatnya, pada katoda yang bermuatan negatif, terjadi reaksi reduksi, dengan elektron (e−) dari katoda diberikan kepada kation hidrogen untuk membentuk gas hidrogen
Katoda (reduksi):2 H2O(l) + 2e− -- > H2(g) + 2 OH−(aq)
Pada anoda bermuatan positif terjadi reaksi oksidasi, menghasilkan gas oksigen dan memberikan elektron ke anoda untuk melengkapi rangkaian
Anoda (oksidasi): 2 OH−(aq) -- > 1/2 O2(g) + H2O(l) + 2 e−
Kombinasi reaksi ini menghasilkan:
2 H2O(l) → 2 H2(g) + O2(g)
H2 diproduksi di katoda dan O2 di anoda.
Elektrolisis air memerlukan beda potensial minimal sebesar 1,23 volt, meskipun pada tegangan tersebut diperlukan panas eksternal dari lingkungan.

Tumpukan sel bipolar elektrolisis air terdiri dari banyak sel elektrokimia individu dalam rangkaian listrik. Dalam praktiknya, tumpukan sel elektrolisis air yang baru saja dihentikan dapat mempertahankan muatan listrik yang signifikan karena sisa hidrogen dan oksigen yang tersisa di dalam setiap sel. Jika dibiarkan, mungkin diperlukan waktu berjam-jam hingga sisa muatan elektrokimia ini hilang. Personel servis dan pemeliharaan sistem harus sangat berhati-hati jika mencoba memperbaiki atau mengganti tumpukan sel ini segera setelah pengoperasian. Misalnya, perkakas logam seperti kunci pas dapat secara tidak sengaja menjembatani celah antara pelat terminal arus positif tumpukan sel dan rangka penyangga logam yang dibumikan, sehingga menimbulkan arus besar atau busur listrik yang mengakibatkan kerusakan dan cedera sebagai akibat yang tidak diinginkan. Personil yang tidak mengenakan peralatan pelindung isolasi yang sesuai juga berisiko.

Praktik terbaik bagi personel pemeliharaan dan servis adalah memverifikasi bahwa tidak ada muatan listrik signifikan yang tersisa di tumpukan sel sebelum melepas pelindung keselamatan dan sambungan listrik dari tumpukan sel. Personil disarankan untuk melakukan pengukuran tegangan tumpukan sel untuk memverifikasi bahwa tumpukan sel telah habis. Dalam beberapa kasus, personel servis juga dapat menerapkan alat servis yang dirancang dengan baik yang terdiri dari resistor korslet arus tinggi di seluruh tumpukan sel yang kosong sebagai pengaman tambahan.

Produk dijual di seluruh wilayah Tiongkok dan diekspor ke negara-negara di seluruh dunia. Produk ini telah dijual di lebih dari 20 negara dan wilayah termasuk Amerika Serikat, Jerman, Maroko, Kenya, Arab Saudi, Vietnam, Aljazair, India, Tanzania, dan Taiwan. Berhasil menyediakan perusahaan terkenal seperti China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group dan perusahaan terkenal lainnya. Ada banyak stasiun hidrogenasi hidrogen hijau seperti Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, dll. yang menyediakan proyek ramah lingkungan dan pembuatan hidrogen.