고온전기분해

High-temperature electrolysis
고온 전기분해 스키마.

고온 전기분해(HTE 또는 증기 전기분해)는 고온에서 물로부터 수소를 생산하는 기술이다.[1]

효율성

고온 전해질은 일부 에너지가 전기보다 저렴한 열로 공급되기 때문에 기존의 상온 전해질보다 경제적으로 효율적이며, 또한 높은 온도에서 전기분해 반응이 더 효율적이기 때문이다. 실제로 2500℃에서는 열성분해를 통해 수소와 산소로 물이 분해되기 때문에 전기적 투입이 불필요하다. 그러한 온도는 비현실적이다. 제안된 HTE 시스템은 100 °C에서 850 °C 사이에서 작동한다.[2][3][4]

사용되는 전기가 열엔진에서 나온다고 가정할 경우, HTE 공정 자체와 필요한 전기용으로 수소[clarification needed] 1kg을 생산하는 데 141.86메가줄(MJ)의 열 에너지가 필요하다. 100 °C에서는 350 MJ의 열 에너지가 필요하다(41% 효율). 850 °C에서는 225 MJ가 필요하다(64% 효율). 850 °C 이상에서는 부식에 저항하기 위해 표준 크롬강 용량을 초과하기 시작하는데,[5] 이렇게 높은 온도 지점에서 작동하기 위한 산업용 규모의 화학 공정을 설계하고 구현하는 것은 이미 쉬운 일이 아니다.

자재

고체산화물 전해액 셀의 전극과 전해질 재료 선택은 필수적이다. 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 전해질, 니켈-세르메트 증기/수소 전극, 란타넘, 스트론튬 및 코발트 산소 전극의 혼합 산화물을 사용한 프로세스에[6] 대해 조사 중인 옵션 중 하나이다.

경제적 잠재력

HTE를 사용하더라도 전기분해는 에너지를 저장하는 상당히 비효율적인 방법이다. 에너지의 상당한 전환 손실은 전기분해 과정과 그 결과 수소가 다시 전력으로 전환되는 과정에서 발생한다.

현재의 탄화수소 가격에서 HTE는 이산화탄소를 부산물로 생산하는 수소의 경제적인 공급원으로서 탄화수소의 열분해와 경쟁할 수 없다.

HTE는 탄소중립 연료와 일반 에너지 저장소로 사용될 소위 "녹색" 수소 생산을 위한 보다 효율적인 경로로 관심을 모으고 있다. 값싼 비화석 연료원(집중 태양열, 핵, 지열, 폐열)을 비화석 연료원(태양열, 풍력, 해양, 핵 등)과 함께 사용할 수 있다면 경제성이 높아질 수 있다.

HTE의 값싼 고온 열 공급은 원자로, 집광형 태양열 집열기, 지열원을 포함한 모든 비화학적인 것이다. HTE는 생산된 수소의 그램 당 108킬로 줄(전기)으로 실험실에서 실증되었지만 상업적 규모로는 실증되지 않았다.[7][8]

대안

값싼 고온의 열원을 감안할 때 다른 수소 생산 방법이 가능하다.[clarification needed] 특히 열화학 황-오딘 사이클을 보라. 열화학 생산은 열엔진이 필요하지 않기 때문에 HTE보다 더 높은 효율에 도달할 수 있다. 그러나 대규모 열화학 생산에는 고온 고압 부식성이 높은 환경을 견딜 수 있는 재료의 상당한 발전이 필요할 것이다.

마르스 ISRU

고체산화물 전해액세포를 사용한 고온 전해액은 지르코니아 전해분해 장치를 이용해 NASA 화성 2020 페르세베란스 탐사선 '화성 산소 ISRU 실험'을 위한 대기 중 이산화탄소에서 시간당 5.37g의 산소를 생산하기 위해 사용되었다.[9][10][11]

참조

각주

  1. ^ Hauch, A.; Ebbesen, S. D.; Jensen, S. H.; Mogensen, M. (2008). "Highly Efficient high temperature electrolysis". J. Mater. Chem. 18: 2331–2340. doi:10.1039/b718822f.{{cite journal}}: CS1 maint: 작성자 매개변수 사용(링크)
  2. ^ Badwal, SPS; Giddey S; Munnings C (2012). "Hydrogen production via solid electrolytic routes". WIREs Energy and Environment. 2 (5): 473–487. doi:10.1002/wene.50.
  3. ^ Hi2h2 - SOEC를 사용한 고온 전기분해
  4. ^ 최종 보고서 요약 – WELTEMP(높은 온도에서의 수전해)
  5. ^ "Stainless Steel - High Temperature Resistance". azom.com. AZO Materials. 8 January 2002. Retrieved 6 August 2021. Most austenitic steels, with chromium contents of at least 18%, can be used at temperatures up to 870°C and [specialized grades] even higher.
  6. ^ Kazuya Yamada, Shinichi Makino, Kiyoshi Ono, Kentaro Matsunaga, Masato Yoshino, Takashi Ogawa, Shigeo Kasai, Seiji Fujiwara, and Hiroyuki Yamauchi "High Temperature Electrolysis for Hydrogen Production Using Solid Oxide Electrolyte Tubular Cells Assembly Unit", presented at AICHE Annual Meeting, San Francisco, California, November 2006. abstract
  7. ^ "Steam heat: researchers gear up for full-scale hydrogen plant" (Press release). Science Daily. 2008-09-19.
  8. ^ "Nuclear hydrogen R&D plan" (PDF). U.S. Dept. of Energy. March 2004. Archived from the original (PDF) on 2013-06-22. Retrieved 2008-05-09.
  9. ^ Wall, Mike (August 1, 2014). "Oxygen-Generating Mars Rover to Bring Colonization Closer". Space.com. Retrieved 2014-11-05.
  10. ^ '화성 산소 ISRU 실험(MOXIE) PDF. 발표: MARS 2020 미션 및 계기' 2014년 11월 6일.
  11. ^ Potter, Sean (2021-04-21). "NASA's Perseverance Mars Rover Extracts First Oxygen from Red Planet". NASA. Retrieved 2021-04-22.