الکترولیز گزینه‌ای امیدوارکننده برای تولید هیدروژن بدون کربن از منابع تجدیدپذیر و هسته‌ای است. الکترولیز فرایندی است که در آن با استفاده از برق، آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه می‌شود. این واکنش در دستگاهی به نام الکترولایزر انجام می‌شود. اندازه الکترولایزرها می‌تواند از تجهیزات کوچک مناسب برای تولید هیدروژن در مقیاس کوچک تا تأسیسات بزرگ برای تولید متمرکز که مستقیماً به منابع تجدیدپذیر یا سایر اشکال تولید برق بدون انتشار گازهای گلخانه‌ای متصل هستند، متفاوت باشد.
شماتیک یک الکترولایزر غشای الکترولیت پلیمری
نحوه عملکرد
مانند سلول‌های سوختی، الکترولایزرها نیز از یک آند و یک کاتد تشکیل شده‌اند که توسط یک الکترولیت جدا می‌شوند. تفاوت عملکرد الکترولایزرها عمدتاً به نوع ماده الکترولیت و گونه‌های یونی هدایت‌شده توسط آن بستگی دارد.
الکترولایزرهای غشای الکترولیت پلیمری (PEM)
در این نوع الکترولایزرها، الکترولیت از جنس پلاستیک خاص جامد است.
- آب در آند واکنش داده و اکسیژن و یون‌های هیدروژن با بار مثبت (پروتون‌ها) تولید می‌کند.
- الکترون‌ها از طریق مدار خارجی جریان یافته و یون‌های هیدروژن از طریق غشای PEM به سمت کاتد منتقل می‌شوند.
- در کاتد، یون‌های هیدروژن با الکترون‌ها ترکیب شده و گاز هیدروژن تولید می‌شود.
واکنش در آند:
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻
واکنش در کاتد:
4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂
الکترولایزرهای قلیایی
در الکترولایزرهای قلیایی، انتقال یون‌های هیدروکسید (OH⁻) از کاتد به آند از طریق الکترولیت انجام می‌شود و هیدروژن در سمت کاتد تولید می‌گردد. این الکترولایزرها از محلول قلیایی مایع (مانند هیدروکسید سدیم یا پتاسیم) به عنوان الکترولیت استفاده می‌کنند و سال‌هاست که به صورت تجاری در دسترس هستند. روش‌های جدیدتر با استفاده از غشاهای تبادل یونی قلیایی (AEM) در مقیاس آزمایشگاهی امیدوارکننده نشان داده‌اند.
الکترولایزرهای اکسید جامد
الکترولایزرهای اکسید جامد که از ماده سرامیکی جامد به عنوان الکترولیت استفاده می‌کنند، یون‌های اکسیژن با بار منفی (O²⁻) را در دماهای بالا هدایت کرده و به شیوه‌ای متفاوت هیدروژن تولید می‌کنند.
- بخار در کاتد با الکترون‌های مدار خارجی ترکیب شده و گاز هیدروژن و یون‌های اکسیژن منفی تولید می‌شود.
- یون‌های اکسیژن از غشای سرامیکی عبور کرده و در آند واکنش داده و اکسیژن گاز و الکترون تولید می‌کنند.
این الکترولایزرها باید در دمای ۷۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد کار کنند تا غشاهای اکسید جامد عملکرد صحیحی داشته باشند، در حالی که الکترولایزرهای PEM در دمای ۷۰ تا ۹۰ درجه سانتی‌گراد و الکترولایزرهای قلیایی تجاری در دمای کمتر از ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد عمل می‌کنند. نسخه‌های پیشرفته آزمایشگاهی با استفاده از الکترولیت‌های سرامیکی هادی پروتون، دمای عملیاتی را به ۵۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد کاهش داده‌اند. الکترولایزرهای اکسید جامد می‌توانند از حرارت موجود در این دماها (از منابعی مانند انرژی هسته‌ای) برای کاهش انرژی الکتریکی موردنیاز برای تولید هیدروژن استفاده کنند.
چرا این روش مدنظر است؟
الکترولیز یکی از مسیرهای اصلی تولید هیدروژن برای دستیابی به هدف “Hydrogen Energy Earthshot” است که کاهش هزینه هیدروژن پاک به ۱ دلار به ازای هر ۱ کیلوگرم در ۱ دهه (“1 1 1”) را دنبال می‌کند. هیدروژن تولیدشده از طریق الکترولیز می‌تواند بدون انتشار گازهای گلخانه‌ای باشد، به شرط آنکه منبع برق مورد استفاده نیز پاک باشد.
هزینه، بازده، و انتشارهای ناشی از تولید برق باید هنگام ارزیابی مزایا و اقتصادی بودن تولید هیدروژن از طریق الکترولیز مورد توجه قرار گیرند. در بسیاری از مناطق، شبکه برق فعلی برای تأمین برق موردنیاز الکترولیز مناسب نیست، زیرا انتشار گازهای گلخانه‌ای و میزان سوخت مصرفی به دلیل بازده پایین فرایند تولید برق بالا است.
امکان هم‌افزایی با تولید برق تجدیدپذیر
تولید هیدروژن از طریق الکترولیز می‌تواند فرصت‌هایی برای هم‌افزایی با تولید برق پویا و متناوب، که ویژگی برخی از فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر است، ایجاد کند. به‌عنوان مثال، با وجود کاهش مداوم هزینه‌های انرژی بادی، تغییرپذیری ذاتی باد مانعی برای استفاده مؤثر از آن است. در یک مزرعه بادی، سوخت هیدروژنی و تولید برق می‌توانند با یکدیگر یکپارچه شوند تا انعطاف‌پذیری لازم برای هماهنگ‌کردن تولید با نیازهای عملیاتی سیستم و عوامل بازار فراهم شود. همچنین، در زمان‌هایی که تولید برق از مزارع بادی بیش از حد نیاز باشد، به جای محدودکردن برق تولیدشده، می‌توان از این برق مازاد برای تولید هیدروژن از طریق الکترولیز استفاده کرد.
