Rendement elektrolyser

Techneut

Hallo allemaal.

Ik was wat aan het rekenen aan een elektrolyser waarmee het bedrijf waar ik werk op commerciele wijze waterstof produceert.

Doel van mijn berekening is het rendement te bepalen. Nu twijfel ik aan mijn berekening, uit mijn berekeningen volgt simpel weg een heeeeeel vreemd rendement.

Over het algemeen hebben commerciele elektrolysers een rendement van ongeveer 80%, ik kom op een rendement van 8400% uit..... Het kan natuurlijk ook zo zijn dat ik een verkeerde methode gebruik voor mijn berekening, maar wellicht doe ik iets mis in de berekening.

Het specifiek vermogen bijvoorbeeld is wel normaal. (commerciele elektrolysers hebben een specifiek vermogen tussen de 4,5 tot 5 kWh.m³)

Gegeven (gemeten) zijn de volgende waarden:

waterstof: 13,99 Nm³.h^-1

stroom : 399 A

spanning: 165 V

specifiek vermogen: 4,69kWh.Nm^-3 (wordt berekend uit stroom, spanning en productie)

Goed, mijn berekening, op basis van de volgende reactievergelijking.

4H₂O + 4e^- --> 2H₂ + 4OH^-

399 A = 399 C.s^-1 399*3600=1436400 C

1 mol elektronen komt overeen met: 96500Coulomb. Hieruit volgt: 1436400/96500=14.88 mol elektronen.

14.88*(2/4)=7.44 mol H₂

Omdat 1 mol gas overeenkomt met 22,4 liter volgt hieruit: 7.44*22.4=166.7 liter H₂ --> 0,1667 Nm³.h^-1

13.99/0.1667*100%=8391%.....

Goed, dat het ergens iets mis gaat, dat lijkt mij duidelijk...

Heeft iemand een idee?

Zouden jullie de berekening anders uitvoeren?

Alvast bedankt!

Groeten

Luchtsplitser

rwwh

Even globaal: die spanning van 165V is teveel om op de cel te zetten. Je zou dit nog moeten delen door de ideale celspanning. Je reactie is een halfvergelijking, ik hoop dat je ook de andere helft meetelt, anders kun je het nooit over een rendement hebben.

Verder bereken je rendement natuurlijk heel anders: nuttig vermogen gedeeld door gedissipeerd vermogen. Nuttig vermogen is de hoeveelheid waterstof maal de hoeveelheid energie per mol waterstof. Totaal vermogen P=V.I

Dan nog wat problemen met de eenheden die je gebruikt:

Wat is de eenheid Nm³/h? Newton-kubieke meter per uur? Of bedoel je hier "kubieke meter per uur onder normale temperatuur en druk?"
Het specifiek vermogen is geen kWh.m³, dat moet vast "per kubieke meter" zijn.
Coulomb per seconde maal 3600 is geen Coulomb, maar Coulomb per uur.

De spoiler:

13990 liter per uur is 3,886 liter per seconde = 0,173 mol/seconde. Elke mol heeft theoretisch 237,1kJ aan elektrische energie nodig (ΔG). 0,173 mol/s x 237,1kJ/mol = 44,1kJ/s = 44,1kW aan nuttig vermogen.

399 A x 165 V = 65,8kW aan totaal vermogen

44,1kW/65,8kW x 100% = 67% rendement.

Techneut

rwwh, dank je wel voor je snelle antwoord.

Voor wat betreft het specifieke vermogen, dat was inderdaad een typefoutje. Het moet zijn kWh.m^-3. Ik heb dat vanmorgen al even veranderd.

Betreffende de Nm³.h^-1: Ik bedoel hier inderdaad een normaal kubieke meter per uur mee. Dus bij standaard temperatuur en druk. Binnen de gassenindustrie is het normaal om het op deze manier te noteren.

En inderdaad, de coulomb per seconde maal 3600 (seconden) is natuurlijk coulomb per uur.

Ook een kleine aanvulling van mij op jouw verhaal. Het is natuurlijk P=UxI (ipv P=VxI).

Je spreekt over 237,1kJ (ΔG), per mol. Interessant is waar je dat gegeven vandaan hebt. In de boeken hier die ik heb vind ik alleen 286kJ per mol. Dit is natuurlijk een significant verschil. Of heb ik hier een verkeerde waarde?

Maar, de berekening die je erbij geeft is absoluut duidelijk.

Voor de spanning. De 165 Volt is inderdaad de spanning over de gehele module. De spanning per kathode en anode wordt ook gemeten, en is 81,7 Volt en 83,3 Volt.

Goed, mijn redenering:

Ik wilde in eerste instantie alleen naar de waterstof kijken. Ik bedacht, als je de rv voor de reactie aan de kathode neemt, en je berekend daaruit de theoretische hoeveelheid stroom, en je kijkt daarna naar hoeveel stroom er verbruikt wordt en hoeveel waterstof er werkelijk geproduceerd wordt, dan kan je daaruit het rendement bepalen.

Blijkbaar gaat dat dus niet op. Het is me alleen nog niet helemaal duidelijk waarom niet.

En ik moet zeggen, de berekening die jij uitvoert, is natuurlijk simpel en werkt in iedergeval.

Eigenlijk met andere woorden, ik probeerde via de rv de nuttige stroom te berekenen (mbv de lading enzovoort) en via de werkelijke (gemeten) stroom ging ik met deze 2 het rendement berekenen.

Ik moet zeggen, dit is geen dagelijkse stof voor mij. Het is ooit de revue wel gepasseerd. Maar tijdens mijn dagelijks werk gebruik ik het niet. Omdat ik nu wel eens benieuwd was naar het rendement ben ik de boeken weer in gedoken en wat aan het rekenen geslagen.

Groeten

Luchtsplitser

hzeil

Ik ben het eens met de berekening van rwwh waaruit blijkt dat het energierendement, waar luchtsplitser om vraagt, 67 % is. Je kunt hieruit echter nog meer gegevens halen.

Namelijk dat de celspanning bij de electrolyse 1.23 / 0.67 Volt moet zijn. Dat is 1.85 Volt per cel. Als er met een totaalspanning van 165 Volt wordt gewerkt zijn er dus 90 cellen met elkaar in serie geschakeld. Hoeveel van deze series weer parallel staan is hieruit niet op te maken.

De gebruikte celspanning is dus aanzienlijk hoger dan de theoretische waarde van 1.23 Volt per cel als er geen electrische verliezen zouden zijn. Die zijn er echter wel en zitten vooral in de electrolietweerstand en de overspanningsverliezen voor de beide electrochemische reakties.

Hierdoor gaat dus een deel van de electrische energie als warmte verloren. Echter, minder dan het lijkt. Slechts de celspanning boven 1.48 Volt leidt tot produktie van warmte die moet worden afgevoerd. Deze 1.48 Volt wordt ook wel de thermoneutrale spanning genoemd of de "enthalpiespanning" ( de waarde 1.23 Volt is de "vrije enthalpiespanning")

Als het zou lukken om de electrolyse bij 1.48 Volt per cel uit te voeren zou de hele electrolyse thermoneutraal verlopen alsof het een adiabatisch systeem was. Dan hoefde je niet meer te koelen.

Maar dat lukt niemand. Daarvoor zou je de katalytische eigenschappen van kathode en anode drastisch moeten verbeteren en dat zit er niet in. Maar met een kleine verbetering zou je toch al wel heel wat geld kunnen besparen. Want de energiekosten zijn nu eenmaal hoog bij de produktie van waterstof.

Fred F.

Het gaat niet om de ΔG, de Gibbs energie, maar om de ΔHf, de vormingsenthalpie van waterstof en water.

Bovendien heeft rwwh een rekenfoutje gemaakt door 44,1 kW te berekenen.

Voor waterstof H2 (g) is ΔHf: 0 kJ/mol

Voor vloeibaar water H2O (l) is ΔHf: -286 kJ/mol

Dus de theoretische energie nodig om vloeibaar water om te zetten in waterstofgas is de 286 kJ/mol die luchtsplitser vond.

Echter: voor waterdamp H2O (g) is ΔHf: -242 kJ/mol en de energiewaarde van het geproduceerde waterstofgas in een brandstofcel of verbrandingsmotor is slechts 242 kJ/mol omdat er dan waterdamp geproduceerd wordt, geen vloeibaar water. Die 242 kJ/mol is dan ook wat men de verbrandingswarmte (stookwaarde) van waterstof noemt.

Het praktisch rendement van de elektrolyse is dus: 100% x (242 kJ/mol x 0,173 mol/s)/65,8kW = 64 %

rwwh

hzeil is degene die de zaak correct beschrijft: je hebt een "vrije energiespanning" en een "enthalpiespanning". De natuur helpt ons bij dit proces een beetje omdat de gassen veel meer entropie hebben dan het vloeibare water. Daarom is voor het reversibele proces de celspanning lager dan de verwachtte spanning op basis van de vormingsenthalpie.

Zie ook: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase...o/electrol.html

He, nou geef ik weer weg dat ik het ook allemaal maar afkijk

Fred F.

Dit wordt nu een discussie over hoe je rendement van elektrolyse definieert. En dat hangt af van wie wat wil bewijzen. Er circuleert een heleboel onzin over waterstof(economie) op het internet.

Voor mij (en vele anderen) is rendement: de energieinhoud van wat geproduceerd wordt, gedeeld door de energie die men aan het proces heeft moeten toevoegen.

Energieinhoud van waterstof is de stookwaarde van 242 kJ/mol en wat er aan energie toegevoegd werd is die 65,8 kW. Die hele dG = 237 kJ/mol doet in deze definitie van (energie) rendement niets terzake want die zit al in die 65,8 kW, samen met de hele inefficiency (warmteontwikkeling) van het elektrolyseproces.

Maar men zou wellicht vanuit een andere optiek kunnen stellen dat het elektrisch (of wat is het juiste woord) rendement van deze elektrolyse:

100% x 0,173 x 237,1 / 65,8 = 62 % is (maar niet 67 %)

Met andere woorden: wat men had willen toevoegen, gedeeld door wat men heeft moeten toevoegen.

Techneut

Bedankt allemaal voor de reacties.

Het is inderdaad natuurlijk ook de manier hoe je de definitie "rendement" stelt.

rendement: de energieinhoud van wat geproduceerd wordt, gedeeld door de energie die men aan het proces heeft moeten toevoegen.

Dit is inderdaad waar ik naar opzoek ben.

Nog even een vraag voor hzeil:

Slechts de celspanning boven 1.48 Volt leidt tot produktie van warmte die moet worden afgevoerd.

Heb je de thermoneutrale spanning bepaald mbv de Nernst vergelijking? Of heb je die op een andere manier bepaald?

Kan ik stellen dat het verschil tussen de thermoneutrale spanning (1,48V) - de theoretische spanning (1,23V) = de overspanning?

Jullie uitleg is helder, ik ga er nu even verder op studeren en pak er meteen even de boeken bij om het deel van elektrochemie wat op te frissen.

Prettig uiteinde.

hzeil

De vraag van luchtsplitser over de watersplitsing kan ik als volgt beantwoorden:

De theoretische electrolysespanning voor de waterelectrolyse, 1.23 Volt, is gelijk aan

- ΔG^o / nF.

De thermoneutrale electrolysespanning , 1.48 Volt , is gelijk aan -[ΔH^o / nF.

Deze beide berekende theoretisch potentialen kun je voor elke electrolyse uitrekenen met behulp van thermodynamische tabellen. Vaak liggen ze heel dicht bij elkaar. Bijvoorbeeld als er geen gassen bij de electrolyse ontstaan en de entropieverandering bij de reaktie gering is.

De discussie over het energierendement wordt bemoeilijkt doordat er eigenlijk twee soorten energie een rol spelen.

1. De laagwaardige scalaire energie in de vorm van warmte

2. De hoogwaardige "vector"-energie in de vorm van electrische energie.

Alleen die laatste energie betaal je, de eerste krijg je voor niets uit de omgeving.

Stel dat je bij de thermoneutrale spanning de electrolyse zou kunnen uitvoeren, dan zijn er geen warmteverliezen vast te stellen. Maar je hebt dan toch electrische verliezen via weerstanden en overspanningen. Je dissipeert toch Joulewarmte. Terwijl je die warmte niet voelt als een warmte effect.

Het electrisch vermogen dat je afneemt van je spanningsbron is dan (1.48 - 1.23) maal de stroomsterkte, in Watts.

Als electrolyse bij een nog lagere spanning, bijv. 1.35 Volt, mogelijk zou zijn zou de electrolysecel zijn energie deels als warmte uit de omgeving kunnen opnemen en als een koelelement functioneren. Maar om te koelen is het verdampen van water veel eenvoudiger dan het electrolyseren van water! Je kunt daarbij de entropiewinst realiseren zonder eerst het water te ontleden.

Techneut

Dank je wel hzeil voor je laatste reactie.

Het is allemaal tot zover duidelijk. Hier kan ik wat mee.

Bedankt tot zover.

Groeten

Luchtsplitser

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Rendement elektrolyser

Rendement elektrolyser

Re: Rendement elektrolyser

Re: Rendement elektrolyser

Re: Rendement elektrolyser

Re: Rendement elektrolyser

Re: Rendement elektrolyser

Re: Rendement elektrolyser

Re: Rendement elektrolyser

Re: Rendement elektrolyser

Re: Rendement elektrolyser