Ce este producția de hidrogen din apa de mare? De ce atâta atenție? Care sunt dificultățile tehnice?

De ce succesul testului pilot de producere a hidrogenului prin electroliza directă a apei de mare a atras atât de multă atenție? Cât de greu este? Care sunt dificultățile tehnice care trebuie depășite pentru a produce hidrogen prin electroliza apei de mare?

01

Producția de hidrogen din apa de mare

Producția de hidrogen prin electroliza apei este considerată o tehnologie foarte importantă de preparare a hidrogenului verde. În prezent, tehnologia de electroliză a apei comercializată folosește apă dulce ca electrolit. După cum știm cu toții, resursele globale de apă dulce sunt extrem de limitate, cu aplicarea pe scară largă a hidroelectricității pentru a produce hidrogen, ceea ce, fără îndoială, agravează deficitul de resurse de apă dulce. În schimb, apa de mare este bogată în resurse, ceea ce dă naștere ideii de „producție de hidrogen în apă de mare”.

Spre deosebire de apa dulce, care reprezintă 96,5% din volumul total de apă al Pământului, apa de mare are o compoziție complexă care implică peste 90 de substanțe chimice și elemente. Un număr mare de ioni, microorganisme și particule conținute în apa de mare poate duce la probleme precum competiția de reacție secundară, inactivarea catalizatorului și blocarea diafragmei în timpul producției de hidrogen.

În acest scop, tehnologia de producție a hidrogenului folosind apa de mare ca materie primă a format două rute diferite. În primul rând, producția directă de hidrogen din apa de mare, adică pe bază de apă de mare naturală, este produsă în principal prin electroliză sau fotoliză. În al doilea rând, producția indirectă de hidrogen a apei de mare este desalinizarea și îndepărtarea impurităților din apa de mare, desalinizarea apei de mare pentru a forma mai întâi apă dulce de înaltă puritate și apoi producerea de hidrogen.

02

Două avantaje majore

Platformele offshore de producere a hidrogenului pot fi utilizate ca depozitare pe termen lung a energiei sau ca site-uri de producție pentru chimicale fine, permițând ca energia verde să fie strâns integrată cu sistemele de producție chimică.

Platforma offshore de producție a hidrogenului poate rezolva problema consumului de energie electrică regenerabilă marină de anvergură, iar utilizarea energiei electrice regenerabile pentru a produce hidrogen și amoniac verde la fața locului poate deveni principala metodă de aplicare a energiei regenerabile marine de anvergură în viitor.

03

Dificultate tehnică

Dificultatea tehnică 1: Multe impurități din apa de mare afectează apariția degajării hidrogenului catodic

În procesul de apă electrolitică, H2 este precipitat din catod, pentru reacția de degajare a hidrogenului catodului, cea mai dificilă problemă este că există diverși cationi dizolvați în apa de mare naturală, cum ar fi Na+, Mg2+, Ca2+ etc., în plus, există o varietate de bacterii, microorganisme și particule minuscule.

Aceste impurități vor înfunda electrodul odată cu progresul electrolizei apei de mare, iar apoi otrăvește sau accelerează îmbătrânirea electrodului/catalizatorului din sistemul electrolitic, rezultând o durabilitate slabă.

Dificultatea tehnică 2: ionii de clorură provoacă coroziune anodică și afectează reacția de degajare a oxigenului anodic

În procesul de electroliză a apei, O2 este de obicei precipitat din anod. Cu toate acestea, prezența unui număr mare de ioni de clorură (Cl-) în apa de mare va provoca o coroziune gravă a materialului anodului, ceea ce va duce la deteriorarea electrodului și la tensiune înaltă, punând astfel capăt reacției eficiente de degajare a oxigenului. În plus, concentrația mare de ioni de clorură va apărea și în reacția de oxidare a clorului anodic, ocupând locul activ al catalizatorului, reducând astfel eficiența reacției de degajare a oxigenului anodic.

Dificultatea tehnică 3: Concurență între reacția de degajare a oxigenului anodic și reacția de clorinare a oxigenului

În procesul de electroliză a apei de mare, anodul va suferi două reacții și anume: reacția de evoluție a oxigenului (OER) și reacția de clorinare a oxigenului (ClOR). Reacția de degajare a oxigenului: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1,23V (față de RHE)

Reacția de oxidare a clorului: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1,71 V (față de RHE)

Se poate observa că E0 dintre cele două este similară, ceea ce va produce o relație competitivă, ceea ce limitează foarte mult tensiunea de lucru a electrolizorului. În plus, atât reacția ClOR, cât și formarea hipocloritului sunt reacții cu doi electroni, iar reacția ClOR este mai ușor de realizat cinetic decât reacția cu patru electroni OER, astfel încât suprapotențialul OER este de obicei observat a fi mai mare decât cel al ClOR.

04

Starea cercetării

At present, hydrogen production from seawater is still in the early stage of research and testing, and still faces many challenges, but the research and development of hydrogen production from seawater electrolysis has made some progress. In 2022, Academician Xie Heping's team made a major original breakthrough in the field of direct hydrogen production from seawater, and innovatively established a new principle and technology of direct hydrogen production from seawater without desalination driven by phase transition and migration. There are many demonstration projects of seawater hydrogen production at home and abroad, but they are still small-scale pilots, and most of them are under construction or proposed.

Deși producția de hidrogen prin electroliza apei de mare are un drum lung de parcurs de la teste mici și pilot până la aplicarea industrială finală. Cu toate acestea, credem că pe traseul la nivel de trilion de energie hidrogen, dacă această tehnologie va fi aplicată în cele din urmă, va lăsa cea mai profundă cerneală pe drumul „decarbonizării”!