Korkean lämpötilan elektrolyysi

Korkean lämpötilan elektrolyysi on menetelmä vedyn ja hapen tuottamiseksi vedestä korkeassa lämpötilassa elektrolyysillä.

Korkean lämpötilan elektrolyysi on hyötysuhteeltaan parempi ja taloudellisesti edullisempi kuin tavanomainen matalan lämpötilan elektrolyysi. Lämpötilan kasvattaminen vähentää sähkötehon suhteellista osuutta elektrolyysissä, ja pelkästään veden kiehumispisteen ylittäminen madaltaa myös elektrolyysin kuluttamaa kokonaistehoa. Kaikissa korkean lämpötilan elektrolyyseissä lämpötila on yli 100 °C ja käyttökelpoisen lämpötila-alueen ylärajan asettavat pääasiassa materiaalitekniset haasteet.

Hyötysuhteen paraneminen lämpötilan noustessa selittyy sillä, että elektrolyysissä kuluva sähkö tuotetaan lämpövoimakoneissa, joiden hyötysuhde on matala. Elektrolyysin lämmön osuuden noustessa vastaavasti huonolla hyötysuhteella tuotetun sähkön osuus pienenee.^[1] Toisaalta lämpöenergian käyttö korkean lämpötilan elektrolyysissä ei kärsi vajaasta hyötysuhteesta, sillä lämpöenergia on valmiiksi alimman tason energiaa. Elektrolyysin tuotteiden eli vedyn ja hapen lämpötila ja niiden sisältämä lämpö on välittömästi elektrolyysin jälkeen suuri, mutta se saadaan hyödynnettyä elektrolyysiin tulevan veden esilämmityksessä. Oleellista on saada elektrolyysin sähkönkulutuksen suhteellinen osuus pienemmäksi ja korkea lämpötila mahdollistaa sen.

Tavallisesti vetyä tuotetaan maakaasusta pyrolyysillä. Korkean lämpötilan elektrolyysistä voi tulla taloudellisesti kilpailukykyinen menetelmä vedyn valmistamiseksi, jos elektrolyysissä tarvittava energia saadaan tuotettua riittävän halvalla. Huokea hiilineutraali vety puolestaan tekisi hiilineutraaleista polttoaineista kuten synteettisestä metanolista kilpailukykyisiä.^[2] Neljännen sukupolven ydinreaktoreilla oletetaan tuotettavan halpaa sähköä ja myös elektrolyysissä tarvittava korkea lämpötila.^[3]^[4]

Lähteet muokkaa

Yildiz, Bilge & Hohnholt, Katherine J. & Kazimi, Mujid S.: Hydrogen Production Using High-Temperature Steam Electrolysis Supported by Advanced Gas Reactors With Supercritical CO₂ Cycles. Nuclear Technology, July 2006, 155. vsk, nro 1, s. 1–21. American Nuclear Society. ISSN 0029-5450. Artikkelin verkkoversio (PDF). Viitattu 14.6.2019. (englanniksi) (Arkistoitu – Internet Archive)
Zahid, Mohsine & Brisse, Annabelle & Hauch, Anne & Schiller, Günter & Vogt, Ulrich: Highly Efficient High Temperature Hydrogen Production by Water Electrolysis (PDF) (17th World Hydrogen Energy Conference) researchgate.net. 1.6.2008. Viitattu 14.6.2019. (englanniksi)
Vujičić, R. Mile & Nadipalli, Abhinav & Johnston, Michael: High Temperature Electrolysis, Brayton Power Cycle and Methanol Production (PDF) (HEFAT2014 10^th International Conference on Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics) researchgate.net. 14.7.2014. Orlando, Florida. Viitattu 14.6.2019. (englanniksi)
Ragheb, Magdi: High Temperature Water Electrolysis for Hydrogen Production (PDF) mragheb.com. 26.9.2014. Viitattu 14.6.2019. (englanniksi)
Herring, Stephen J. & Stoots, Carl M. & O´Brien James E. & Hartvigsen, Joseph J.: High Temperature Electrolysis for Hydrogen Production (PDF) (Kalvoesitys) The American Ceramics Society. 28.2.2008. Cocoa Beach, Florida: Idaho National Laboratory. Viitattu 14.6.2019. (englanniksi)
O’Brien, Jim: High Temperature Electrolysis for Efficient Hydrogen Production from Nuclear Energy (PDF) (INL Research Program Summary) Department of Energy. 27.2.2014. Golden, Colorado: Idaho National Laboratory. Viitattu 14.6.2019. (englanniksi)
Boardman, Richard & Tucker, Michael & O’Brien, James & Ding, Dong & Zakutayev, Andriy & Ma, Zhiwen & Dinh, Huyen & Weber, Adam: High Temperature Electrolysis (HTE) Hydrogen Production (PDF) (Kalvoesitys) Hydrogen & Fuel Cells Program. 13.6.2018. U.S. Department of Energy. Viitattu 14.6.2019. (englanniksi)
Nuclear Hydrogen R&D Plan (PDF) Hydrogen & Fuel Cells Program. Maaliskuu 2004. United States of America, Department Of Energy. Arkistoitu 17.5.2005. Viitattu 16.6.2019. (englanniksi)

Viitteet muokkaa

↑ Vujičić et al., 2014. s. 836. Lainaus: "As per formula (4) and Figure 8 it can be concluded that an increase of operation temperature will decreases electrical energy demand but increases the thermal energy demand. As shown in Figure 8 the ratio of ΔG to ΔH changes from about 93 % at 100 °C to about 70 % at 1000 °C."
↑ Vujičić et al., 2014. s. 838. Lainaus: "Another advantage of methanol over hydrogen is that methanol has a twice energy density than liquefied hydrogen."
↑ Ragheb, 2014. s. 1. Lainaus: "In comparison, high temperature gas cooled reactors, steam cycle heat exchangers, and fast breeder reactor material limits are in the range of 1,000 °C."
↑ Ragheb, 2014. s. 4. Lainaus: "The thermo chemical production of hydrogen if fission reactors are used requires operation at high temperatures ranging from 750 to 1,000 degrees Celsius."

[vuji-836-1-1] Vujičić et al., 2014. s. 836. Lainaus: "As per formula (4) and Figure 8 it can be concluded that an increase of operation temperature will decreases electrical energy demand but increases the thermal energy demand. As shown in Figure 8 the ratio of ΔG to ΔH changes from about 93 % at 100 °C to about 70 % at 1000 °C."

[vuji-838-1-2] Vujičić et al., 2014. s. 838. Lainaus: "Another advantage of methanol over hydrogen is that methanol has a twice energy density than liquefied hydrogen."

[ragheb-1-1-3] Ragheb, 2014. s. 1. Lainaus: "In comparison, high temperature gas cooled reactors, steam cycle heat exchangers, and fast breeder reactor material limits are in the range of 1,000 °C."

[ragheb-4-1-4] Ragheb, 2014. s. 4. Lainaus: "The thermo chemical production of hydrogen if fission reactors are used requires operation at high temperatures ranging from 750 to 1,000 degrees Celsius."

[1]

[2]

[3]

[4]