Korkean lämpötilan elektrolyysi (myös VTE, höyryelektrolyysi , korkean lämpötilan elektrolyysi, HTE ) on tekniikka vedyn tuottamiseksi vedestä korkeissa lämpötiloissa [1] .
Korkean lämpötilan elektrolyysi on kustannustehokkaampaa kuin perinteinen huoneenlämpöinen elektrolyysi , koska osa energiasta toimitetaan lämpönä, joka on halvempaa kuin sähkö, ja koska elektrolyysireaktio on tehokkaampi korkeammissa lämpötiloissa. Itse asiassa 2500 °C:n lämpötilassa sähköä ei tarvita, koska vesi hajoaa vedyksi ja hapeksi termolyysin seurauksena . Tällaiset lämpötilat ovat kuitenkin epäkäytännöllisiä; ehdotetut WTE-järjestelmät toimivat lämpötiloissa 100 - 850 °C [2] [3] [4] .
Korkean lämpötilan elektrolyysin tehokkuutta voidaan parhaiten arvioida olettamalla, että käytetty sähkö tulee lämpökoneesta , ja sitten ottamalla huomioon 1 kg:n vetyä (141,86 MJ) tuottamaan tarvittava lämpöenergia verrattuna prosessissa käytettyyn energiaan. 100°C:ssa lämpöenergiaa tarvitaan 350 MJ (41 % hyötysuhde), 850°C:ssa 225 MJ (64 % hyötysuhde).
Kiinteän oksidikennon elektrodien ja elektrolyytin materiaalien valinta on erittäin tärkeää . Yhdessä tutkituista prosessin muunnelmista [5] käytettiin yttriumoksidilla stabiloidusta zirkoniumoksidista valmistettuja elektrolyyttejä , nikkelikermettihöyry / vetyelektrodeja sekä elektrodeja lantaanin, strontiumin ja koboltin ja hapen sekaoksidista.
Jopa WFE:n kanssa elektrolyysi on melko tehoton tapa varastoida energiaa. Merkittäviä muunnosenergiahäviöitä tapahtuu sekä elektrolyysin aikana että tuloksena olevan vedyn muuttuessa takaisin energiaksi.
Hiilivetyjen nykyisillä hinnoilla WTE ei voi kilpailla vedyn lähteenä hiilivetyjen pyrolyysin kanssa.
WFE on kiinnostava hiilineutraali tapa tuottaa polttoainetta ja varastoida energiaa. Tämä voi olla taloudellisesti hyödyllistä, jos halpoja ei-fossiilisten polttoaineiden lämmönlähteitä (keskittävä aurinko, ydinvoima, geoterminen) voidaan käyttää yhdessä ei-fossiilisten polttoaineiden sähkönlähteiden (kuten aurinko, tuuli, meri, ydinvoima) kanssa.
Kaikki mahdolliset halvan korkean lämpötilan lämmön toimitukset WTE:lle ovat ei-kemiallisia, mukaan lukien ydinreaktorit , tiivistävät aurinkolämpökeräimet ja geotermiset lähteet. WFE:n on osoitettu laboratoriossa 108 kJ (sähkö) tuotettua vetyä grammaa kohden, mutta ei teollisessa mittakaavassa. [6]
Kun saatavilla on halpa korkean lämpötilan lämmönlähde, muut vedyn tuotantomenetelmät ovat mahdollisia. Erityisesti termokemiallinen rikki-jodisykli . Termokemiallisella tuotannolla voidaan saavuttaa suurempi hyötysuhde kuin WFE:llä, koska lämpökonetta ei tarvita. Laajamittainen termokemiallinen tuotanto vaatii kuitenkin merkittäviä edistysaskeleita materiaaleissa, jotka kestävät korkeita lämpötiloja, korkeita paineita ja erittäin syövyttäviä ympäristöjä.
Vetymarkkinat ovat suuret (50 miljoonaa tonnia vuodessa vuonna 2004, arvo noin 135 miljardia dollaria vuodessa) ja kasvavat noin 10 % vuodessa (katso vetytalous ). Nämä markkinat tyydyttävät hiilivetyjen pyrolyysin tuottamaan vetyä, mikä johtaa hiilidioksidipäästöihin. Kaksi suurinta kuluttajaa ovat jalostamot ja lannoitetehtaat (kumpikin kuluttaa noin puolet kaikesta tuotannosta). Jos vetykäyttöiset ajoneuvot yleistyvät, niiden kulutus lisää huomattavasti vedyn kysyntää.
Korkean lämpötilan elektrolyysiä kiinteiden oksidien elektrolyysikennoilla on käytetty tuottamaan 5,37 grammaa happea tunnissa Marsissa ilmakehän hiilidioksidista Mars Oxygen ISRU -kokeeseen NASA Mars 2020 Perseverance roverilla käyttämällä zirkonia elektrolyysilaitteessa [7] [8 ] ] [9] .