Hoogefficiënte waterstofproductietechnologie - Hoge-temperatuur vaste-oxide elektrolytische cel

De hogetemperatuur-vasteoxide-elektrolysecel (SOEC) is een zeer efficiënte, snelle en flexibele energieomzettingstechnologie. Door verschillende grondstoffen te gebruiken, kan het diverse producten produceren, wat de ontwikkeling van multifunctionele elektrochemische synthesizers mogelijk maakt. Het kan worden aangesloten op schone energiebronnen, zoals wind- en zonne-energie. De meest voorkomende toepassing is het elektrolyseren van stoom om waterstof te produceren. Vergeleken met gangbare waterelektrolysetechnologieën zoals Alkaline (ALK) en Protonenuitwisselingsmembraan (PEM) elektrolyse biedt SOEC verschillende voordelen: een hogere efficiëntie (tot 85%), omkeerbaarheid en de mogelijkheid om hoogwaardige restwarmte van de gegenereerde producten te benutten. De Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC) zet elektrische en thermische energie om in chemische energie. In principe werkt SOEC als het omgekeerde proces van een Solid Oxide Fuel Cell (SOFC). Zoals weergegeven in Figuur 1, bestaat de SOEC uit een dichte elektrolytlaag in het midden, poreuze elektroden aan beide zijden en gaskanalen buiten de elektroden voor de toevoer van reactanten en de afvoer van productgassen, wat efficiënt gastransport en -distributie mogelijk maakt. Wanneer een gelijkstroom (DC) op de elektroden wordt aangelegd bij hoge temperaturen (600–900 °C), worden waterdampmoleculen (H₂O) aan de kathode gesplitst in protonen (H⁺) en zuurstofionen (O²⁻). De O²⁻-ionen migreren door de vaste oxide-elektrolytlaag naar de anode, waar ze elektronen (e⁻) afgeven en zuurstofmoleculen (O₂) vormen.

De elektronen worden via de verbinding naar de kathode geleid, waar ze zich met H⁺ verbinden om waterstofmoleculen (H₂) te vormen. SOEC-waterstofproductie, oftewel waterstofproductie met behulp van vaste-oxide-elektrolysecellen, is een proces dat gebruikmaakt van de ionische geleidbaarheid van vaste-oxide-elektrolytmembranen om water bij hoge temperaturen te splitsen in waterstof en zuurstof. De producten kunnen breed worden toegepast in industrieën zoals staalfabrieken, chemische fabrieken en de lucht- en ruimtevaart. SOEC kan ook thermisch worden geïntegreerd met een reeks chemische syntheseprocessen, waardoor afgevangen koolstofdioxide en water kunnen worden gerecycled tot synthetisch aardgas, benzine, methanol of ammoniak. Vergeleken met andere waterelektrolysetechnologieën biedt SOEC tal van voordelen, waaronder een hoge efficiëntie, lage kosten, co-elektrolysecapaciteit, omkeerbaarheid en geschiktheid voor diverse scenario's. Door te werken bij hoge temperaturen (600–900 °C) profiteert SOEC van gunstige kinetiek, wat resulteert in een hoge elektrolyse-efficiëntie. De verhoogde bedrijfstemperatuur verlaagt het elektriciteitsverbruik, met een totale systeemefficiëntie voor waterstofproductie van ongeveer 85%. Dit is ongeveer 1,5 keer de systeemefficiëntie van PEM-elektrolyse en tweemaal de totale efficiëntie van alkalische waterelektrolyseWat betreft toepassingen maken de hoge bedrijfstemperaturen van SOEC deze zeer compatibel met scenario's met aanzienlijke restwarmte, zoals steenkoolchemische fabrieken, staalmetallurgie, ammoniaksynthese en kerncentrales. Integratie van restwarmte in de werking van SOEC kan het elektriciteitsverbruik aanvullen, de elektrische efficiëntie verbeteren en de operationele kosten verlagen. Een onderscheidend kenmerk van SOEC ten opzichte van andere technologieën is bovendien de omkeerbaarheid: het kan flexibel schakelen tussen elektrolyse (SOEC) en brandstofcelmodus (SOFC).

SOEC kan waterstof of syngas produceren voor energieopslag in elektrolysemodus, of chemische energie omzetten in elektriciteit in brandstofcelmodus, waardoor een synergetisch systeem ontstaat voor waterstofproductie, -opslag en -opwekking ("elektriciteit-waterstof-elektriciteit"). Dit biedt aanzienlijke mogelijkheden voor de opslag van hernieuwbare energie en het afvlakken van piekbelastingen in het elektriciteitsnet, wat bijdraagt ​​aan effectief energiegebruik en -balans. Met voortdurende technologische vooruitgang en geleidelijke marktrijpheid wordt verwacht dat de waterstofproductie van SOEC een cruciale rol zal spelen in het toekomstige energielandschap en zal bijdragen aan het behalen van wereldwijde doelstellingen voor koolstofneutraliteit.