Study on the production of hydrogen through the electrolysis of seawater in a sustainable marine context

D'Amore Domenech, Rafael (2021). Study on the production of hydrogen through the electrolysis of seawater in a sustainable marine context. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Navales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.68668.

Description

Title: Study on the production of hydrogen through the electrolysis of seawater in a sustainable marine context
Author/s:
  • D'Amore Domenech, Rafael
Contributor/s:
  • Leo Mena, Teresa J.
  • Pérez-Arribas, Francisco
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Navales (UPM)
Department: Arquitectura, Construcción y Sistemas Oceánicos y Navales (Dacson)
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

This thesis aims to increase knowledge about the production of hydrogen in the maritime field from the electrolysis of water of marine origin. Although the thesis focuses on the hydrogen production part rather than its use, it touches on both aspects since hydrogen production makes no economic sense if it is not clear that its subsequent use will be profitable. Many works have been carried out in this regard, but there are still many unknowns. Hence the need for research in this area. The thesis first analyzes hydrogen as an energy vector for large-scale power transmission by sea, revealing for the first time under what conditions of the current panorama it is more profitable to export power through hydrogen than through submarine power cables. All this without considering any public subsidy. Although there are many scientific articles published about the electrolysis of water on land, there is not much experience available for consultation in the literature about its use in the maritime field. This thesis also assesses which electrolysis technology is more suitable for operating in a sustainable marine context from a multicriteria perspective, considering economic, social, and environmental aspects, and possible failure mechanisms for operating with water of marine origin, which has a higher concentration of impurities than land sourced water. Technologies discussed include direct seawater electrolysis, alkaline electrolyte electrolysis, polymeric electrolyte electrolysis, and solid oxide electrolyte electrolysis. As a result of the multicriteria study, it is obtained that the best technologies are the polymeric electrolyte and the alkaline electrolyte. After having identified that alkaline electrolyte electrolysis has characteristics that make it economically attractive, including its low acquisition cost and its long life, the thesis explores experimentally how an alkaline electrolyzer is affected by operating for prolonged periods with water sourcing from the first distillation of seawater. Through experimental tests, it has been possible to observe that the accumulation of impurities within the electrolyte implies a loss of efficiency, which translates into monetary losses. Although there are various strategies in managing electrolytes fouled by impurities, this thesis explores the complete replacement of the deteriorated electrolyte. The monetary losses arising from this loss of efficiency affect the economic life of the electrolyte, shortening it the more significant the monetary losses are. With the experimental results of the degradation of the electrolyte, it has been seen through a case study that the strategy of carrying out a single distillation to seawater is not economically profitable in the current context. This invites to research all possible combinations of water purification and electrolyte deterioration management methods. In parallel, this thesis has started designing an alkaline electrolyte manufacturing process from the brine rejected in the desalination before the water electrolysis that only relies on seawater and electric power. This is intended to explore under what circumstances it is more convenient to manufacture the alkaline electrolyte in-situ in an offshore installation than to import it periodically to replace the deteriorated electrolyte. With the tests conducted with the first prototype on a laboratory scale, it has been successfully proven that it is possible to produce caustic soda from marine brine without any external chemical. In future work, said prototype would be redesigned to increase its durability and its capabilities for operation at temperatures above ambient, to uncover under what circumstances the in-situ production of alkaline electrolyte is preferable over its land-based production and shipping. ----------ABSTRACT---------- La presente tesis tiene como propósito incrementar el conocimiento acerca de la producción de hidrógeno en el ámbito marítimo a partir de la electrólisis del agua de origen marino. Aunque la tesis se centra en la parte de producción hidrógeno más que en su uso, toca ambas partes, ya que la producción del hidrógeno carece de sentido económico si no queda claro que su posterior uso vaya a ser rentable. Muchos trabajos se han realizado en este sentido, pero aún quedan muchas incógnitas pendientes. De ahí la necesidad de investigar en este área. La tesis primero analiza el hidrógeno como vector energético para transmisión de potencia a gran escala por vía marítima, desvelando por primera vez en qué condiciones del panorama actual es más rentable la exportación de potencia mediante hidrógeno que mediante cables eléctricos submarinos. Todo ello sin considerar ningún tipo de subsidio. Aunque hay mucho recorrido y bastantes artículos científicos publicados acerca de la electrólisis del agua en tierra, hay poca experiencia disponible para su consulta acerca de su uso en el ámbito marítimo. La tesis también evalúa bajo una perspectiva multicriterio, qué tecnología de electrólisis es más apta para operar en un contexto marino sostenible, considerando aspectos económicos, sociales y medioambientales, y posibles mecanismos de fallo por operar con agua de origen marino, la cual contiene mayor concentración de impurezas. Entre las tecnologías analizadas se incluyen: la electrolisis directa del agua de mar, la electrólisis de electrolito alcalino, la electrólisis de electrolito polimérico y la electrólisis de electrolito de óxido sólido. Como resultado del estudio multicriterio se obtiene que las mejores tecnologías son la de electrolito polimérico y la de electrolito alcalino. Tras haber identificado que la electrólisis de electrolito alcalino posee unas características que económicamente la hacen atractiva, incluyendo su bajo coste de adquisición y su larga vida, la tesis explora de forma experimental de qué forma le afecta a un electrolizador alcalino operar durante periodos prolongados con agua destilada de primera destilación de agua de mar. Mediante ensayos experimentales se ha podido observar que la acumulación de impurezas en el electrolito supone una pérdida de eficiencia que a su vez se traduce en pérdidas monetarias. Aunque hay variedad de estrategias en la gestión del electrolito contaminado por las impurezas, esta tesis explora la reposición completa del electrolito deteriorado. Las pérdidas monetarias procedentes de esa pérdida de eficiencia afectan en la vida económica del electrolito, acortándola cuanto mayores sean las pérdidas monetarias. Con los resultados experimentales de la degradación del electrolito, se ha visto mediante un caso de estudio que la estrategia de realizar una única destilación al agua de mar no es económicamente rentable en el contexto actual. Esto invita a explorar diferentes combinaciones de métodos de purificación de agua y de gestión del deterioro del electrolito. De forma paralela, en esta tesis se ha iniciado el diseño de un proceso de fabricación de electrolito alcalino a partir de la salmuera rechazada en de la desalación previa a la electrólisis del agua, que únicamente requiera potencia eléctrica. Con esto se pretende explorar bajo qué circunstancias es más conveniente fabricar el electrolito alcalino in situ en una instalación offshore a realizar su importación de forma periódica para reponer el electrolito deteriorado. Con los ensayos realizados con un primer prototipo a escala de laboratorio se ha podido comprobar de forma exitosa que es posible producir sosa cáustica a partir de salmuera marina sin la necesidad de ningún químico externo. En trabajos futuros se rediseñará dicho prototipo para aumentar su durabilidad y sus capacidades de cara a la operación a temperaturas por encima a la del ambiente.

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Item ID: 68668
DC Identifier: https://oa.upm.es/68668/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:68668
DOI: 10.20868/UPM.thesis.68668
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 13 Oct 2021 10:53
Last Modified: 13 Oct 2021 10:53
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