Impactul calității apei asupra consumului de energie în producția de hidrogen electrolitic PEM

Tehnologia de electroliză cu membrană de schimb de protoni (PEM) a devenit una dintre metodele principale datorită eficienței sale ridicate, densității mari de curent, adaptabilității largi la temperatură și vitezei de răspuns rapide. Deși majoritatea cercetărilor se concentrează pe demonstrarea electrolizoarelor PEM, dezvoltarea de noi catalizatori sau îmbunătățirea membranelor de schimb de protoni, optimizarea sistemului și a apei de alimentare rămâne provocări critice. Prin urmare, acest studiu subliniază impactul parametrilor calității apei - inclusiv pH-ul, solidele totale dizolvate (TDS) și conductivitatea - asupra consumului de energie al electrolizoarelor PEM pentru a optimiza producția de hidrogen. Acești parametri sunt adesea interconectați și influențează performanța electrolizei.

Principiul de funcționare al unui Electrolizor PEM implică descompunerea electrochimică a apei în hidrogen și oxigen la nivelul electrozilor. Deoarece apa este principalul mediu de reacție, calitatea acesteia afectează direct eficiența electrolizei și consumul de energie. Factorii cheie ai calității apei includ pH-ul, TDS și conductivitatea. De exemplu, pH-ul poate modifica potențialul reacției de reducere a oxigenului, afectând astfel consumul de energie, dar nivelurile extreme de pH pot provoca degradarea membranei. Conductivitatea scăzută poate ajuta la reducerea consumului de energie, dar conductivitatea excesiv de mare poate deteriora membrana. TDS este legată de conductivitatea apei și poate cauza probleme de depunere a apei. Societatea Americană pentru Testare și Materiale (ASTM) recomandă utilizarea apei deionizate de tip I (carbon organic total) <50 ppb, rezistivitate >1 MΩ·cm, sodiu și clor <5 µg/L). Cu toate acestea, sursele reale de apă conțin adesea impurități, crescând costurile de purificare. Studiile arată că nu se produce hidrogen atunci când TDS este zero, în timp ce nivelurile ridicate de TDS (0–2000 ppm) ajută la creșterea producției.

1. Impactul pH-ului asupra producției de gaze și a consumului de energie

Eficiența electrolizei apei prin metoda electrolizei electrolitice (PEM) pentru producerea de hidrogen (inclusiv producția de gaz și consumul de energie) este strâns legată de pH-ul electrolitului. Cerința principală este ca pH-ul să rămână în „intervalul optim” conceput pentru sistemul de electroliză. Abaterea de la acest interval (prea acid sau prea alcalin) va reduce semnificativ performanța sistemului. Mediile excesiv de acide sau alcaline pot deplasa catalizatorii de la condițiile lor optime de lucru, le pot reduce activitatea chimică sau chiar pot provoca daune structurale, ducând la rate mai lente ale reacției de evoluție a hidrogenului (HER) și ale reacției de evoluție a oxigenului (OER). În plus, condițiile extreme de pH pot afecta starea de hidratare și stabilitatea chimică a membranei de schimb de protoni (PEM), împiedicând transportul eficient al H⁺ și provocând „întreruperi ale aprovizionării” reactanților. Un mediu excesiv de acid poate coroda electrozii și poate duce la depuneri care acoperă locurile active, în timp ce un mediu excesiv de alcalin poate provoca precipitarea impurităților, nu numai crescând consumul de energie irosită, dar și inhibând în continuare generarea de gaz, rezultând o producție redusă de gaz.

2. Impactul solidelor totale dizolvate (TDS) asupra producției de gaze și a consumului de energie

TDS se referă la concentrația totală de substanțe anorganice și organice dizolvate în apă și este un indicator cheie pentru evaluarea calității apei. Producția de gaz crește odată cu concentrații mai mari de TDS, deoarece TDS ridicat poate acționa ca un catalizator pentru a promova formarea hidrogenului. În schimb, nivelurile scăzute de TDS duc la o producție limitată de gaz, iar hidrogen nu se produce atunci când TDS este zero.

TDS-ul are un impact semnificativ asupra consumului de energie. Valorile ridicate ale TDS cresc conductivitatea apei, dar cresc tensiunea electrolizorului, ceea ce duce la un consum mai mare de energie. Simultan, TDS-ul poate provoca depuneri de crustă pe electrozi sau membrane, reducând eficiența. Pentru a atenua aceste efecte, se recomandă tehnologii de tratare a apei (cum ar fi osmoza inversă sau deionizarea) pentru a reduce TDS-ul și a optimiza consumul de energie.

3. Impactul conductivității asupra producției de gaz

Conductivitatea este un alt parametru important care reflectă concentrația de ioni din apă. Conductivitatea ridicată poate reduce suprapotențialul reacției de reducere a oxigenului (OER) la anod, reducând necesarul de energie. Cu toate acestea, o conductivitate excesiv de mare crește riscul de deteriorare a membranei și consumul de energie pentru pompare.

4. Impactul diferitelor calități ale apei asupra consumului de energie

O comparație a efectelor apei de mare, apei de fântână și apei deionizate asupra electrolizoarelor PEM:

• Apă de mare: Sărurile și mineralele dizolvate în cantitate mare cresc conductivitatea, dar și rezistența, necesitând o tensiune mai mare și ducând la un consum crescut de energie.

• Apă de fântână: Mai puține substanțe dizolvate duc, în general, la un consum de energie mai mic decât apa de mare, dar incertitudinea în compoziția mineralelor prezintă provocări.

• Apă deionizată: Conductivitatea scăzută reduce rezistența și îmbunătățește eficiența energetică, dar lipsa ionilor necesari necesită o utilizare prudentă, bazată pe proiectarea sistemului.

5. Importanța managementului calității apei

Electroliza apei prin metoda PEM se concentrează adesea pe electrolizorul în sine, însă sistemele auxiliare (BOP), în special gestionarea apei de alimentare, sunt la fel de critice. Optimizarea parametrilor calității apei (pH, TDS, conductivitate) nu numai că îmbunătățește eficiența și producția de gaze, dar prelungește și durata de viață a echipamentelor. Deși BOP pentru sistemele PEM este mai simplu decât cel al sistemelor alcaline, controlul calității apei pure rămâne un factor cheie în obținerea unei funcționări eficiente și stabile.