Введение
Принятые сокращения в тексте:
- электролиз – эл-з;
- электроэнергия – ЭЭ;
- удельный расход – уд. расх.;
- водород – Н2;
- напряжение – напряж.
В материалах моего канала
были рассмотрены основы по определению КПД низкотемпературного эл-за, т.е., щелочной воды.
В этой статье рассмотрены особенности по определению КПД эл-за пара, т.е., высокотемпературного эл-за.
Принцип работы высокотемпературного электролизера рассмотрен здесь:
1. Еще раз про формулу КПД эл-за
Итак, еще раз…вообще, КПД эл-за определяется формуле:
η = Qнр/W,
где Qнр - низшая теплота сгорания Н2, кДж/м3; W – уд. расх. ЭЭ для получения единицы объема Н2, кВт·ч/м3;
Для подсчета по такой формуле необходимо кВт·ч перевести в кДж. (1кВт·ч = 3600 кДж).
Уд. расх. ЭЭ зависит от напряж. на ячейке.
2. Особенности высокотемпературного эл-за
Скажу сразу, что главной особенностью является здесь то, что уд. расх. ЭЭ на получение Н2 при эл-зе пара гораздо ниже, чем при эл-зе щелочной воды. А причина в том, что теоретическое напряж. разложения воды там принимает совсем иные значения, а именно, существенно меньшие. А из-за этого ниже и уд. расх. ЭЭ на получение Н2. Но почему так происходит?
Вообще, в основе повышения КПД эл-за лежит влияние температуры процесса. Но в случае с эл-зом пара меняется вся термодинамика процесса, другими словами, она там вообще своя, полностью отличная от процесса эл-за щелочной воды.
А именно, энергия Гиббса имеет положительное значение, что говорит о том, что для протекания химического процесса необходима бόльшая внутренняя энергия системы.
Здесь следует отметить, что значение энергии Гиббса лежит в основе вычисления теоретического напряж. разложения, которое и является основной составляющей величины напряж. на ячейке.
Таким образом, для реакции разложения пара необходимо непрерывно подводить тепло к системе.
Для лучшего понимания и наглядности привожу график зависимости энергии Гиббса и удельного расхода электроэнергии от температуры при электролизе пара.
Красным и синим кружками отмечено значение уд. расх. ЭЭ и теоретического напряж. разложения воды, соответственно, при эл-зе щелочной воды, которое составляет 3,0 кВт·ч/м3 Н2 и 1,23 В.
Очевидно, что для эл-за пара в диапазоне температур 800…1200 К (527...927грЦ) теоретическое напряж. разложения и уд. затраты ЭЭ становятся существенно ниже, а именно 3,0-1,42 кВт·ч/м3 и 1,23-0,6В.
Из всего этого также следует, что расчет КПД эл-за пара необходимо производить с учетом затраченной теплоты, подведенной в систему. Тогда формула примет вид:
η = Qнр/W + Q
где Q – количество теплоты, подведенной к системе, кДж/м3.
Вывод
По условию осуществления реакции разложения воды, что определяется по показателю энергии Гиббса эл-з щелочной воды и пара существенно различаются: для процесса эл-за воды внутренней энергии достаточно при данной температуре, в то время как для эл-за пара необходимо дополнительно подводить высокопотенциальное тепло.