Kemajuan dan analisis ekonomi produksi hidrogen melalui elektrolisis oksida padat

Kemajuan dan analisis ekonomi produksi hidrogen melalui elektrolisis oksida padat

Elektroliser oksida padat (SOE) menggunakan uap air bersuhu tinggi (600 ~ 900°C) untuk elektrolisis, yang lebih efisien daripada elektroliser alkali dan elektroliser PEM. Pada tahun 1960-an, Amerika Serikat dan Jerman mulai melakukan penelitian terhadap BUMN uap air bersuhu tinggi. Prinsip kerja elektroliser BUMN ditunjukkan pada Gambar 4. Hidrogen daur ulang dan uap air masuk ke sistem reaksi dari anoda. Uap air dielektrolisis menjadi hidrogen di katoda. O2 yang dihasilkan oleh katoda bergerak melalui elektrolit padat ke anoda, di mana ia bergabung kembali membentuk oksigen dan melepaskan elektron.

Tidak seperti sel elektrolitik membran alkali dan penukar proton, elektroda SOE bereaksi dengan kontak uap air dan menghadapi tantangan untuk memaksimalkan area antarmuka antara elektroda dan kontak uap air. Oleh karena itu, elektroda BUMN umumnya memiliki struktur berpori. Tujuan elektrolisis uap air adalah untuk mengurangi intensitas energi dan mengurangi biaya pengoperasian elektrolisis air cair konvensional. Faktanya, meskipun kebutuhan energi total untuk reaksi dekomposisi air sedikit meningkat seiring dengan peningkatan suhu, kebutuhan energi listrik menurun secara signifikan. Ketika suhu elektrolitik meningkat, sebagian energi yang dibutuhkan disuplai sebagai panas. BUMN tersebut mampu memproduksi hidrogen dengan adanya sumber panas bersuhu tinggi. Karena reaktor nuklir berpendingin gas bersuhu tinggi dapat dipanaskan hingga 950°C, energi nuklir dapat digunakan sebagai sumber energi bagi BUMN. Pada saat yang sama, penelitian menunjukkan bahwa energi terbarukan seperti energi panas bumi juga berpotensi sebagai sumber panas elektrolisis uap. Pengoperasian pada suhu tinggi dapat mengurangi voltase baterai dan meningkatkan laju reaksi, namun hal ini juga menghadapi tantangan stabilitas termal dan penyegelan material. Selain itu, gas yang dihasilkan oleh katoda merupakan campuran hidrogen, yang perlu dipisahkan dan dimurnikan lebih lanjut, sehingga meningkatkan biaya dibandingkan dengan elektrolisis air cair konvensional. Penggunaan keramik penghantar proton, seperti strontium zirkonat, mengurangi biaya BUMN. Strontium zirkonat menunjukkan konduktivitas proton yang sangat baik pada suhu sekitar 700°C, dan kondusif bagi katoda untuk menghasilkan hidrogen dengan kemurnian tinggi, sehingga menyederhanakan perangkat elektrolisis uap.

Yan dkk. [6] melaporkan bahwa tabung keramik zirkonia yang distabilkan oleh kalsium oksida digunakan sebagai SOE struktur pendukung, permukaan luar dilapisi dengan lantanum perovskit berpori tipis (kurang dari 0,25 mm) sebagai anoda, dan cermet kalsium oksida stabil Ni/Y2O3 sebagai katoda. Pada daya input 1000°C, 0,4A/cm2, dan 39,3W, kapasitas produksi hidrogen unit ini adalah 17,6NL/jam. Kerugian dari SOE adalah tegangan lebih akibat rugi-rugi ohm tinggi yang biasa terjadi pada interkoneksi antar sel, dan konsentrasi tegangan lebih tinggi akibat keterbatasan transpor difusi uap. Dalam beberapa tahun terakhir, sel elektrolitik planar telah menarik banyak perhatian [7-8]. Berbeda dengan sel tubular, sel datar membuat manufaktur lebih kompak dan meningkatkan efisiensi produksi hidrogen [6]. Saat ini, kendala utama penerapan BUMN di industri adalah stabilitas sel elektrolitik dalam jangka panjang [8], dan masalah penuaan dan penonaktifan elektroda dapat terjadi.