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Heat to Hydrogen by Reverse Electrodialysis—Using a Non-Equilibrium Thermodynamics Model to Evaluate Hydrogen Production Concepts Utilising Waste Heat

  • The reverse electrodialysis heat engine (REDHE) is a promising salinity gradient energy technology, capable of producing hydrogen with an input of waste heat at temperatures below 100 °C. A salinity gradient drives water electrolysis in the reverse electrodialysis (RED) cell, and spent solutions are regenerated using waste heat in a precipitation or evaporation unit. This work presents a non-equilibrium thermodynamics model for the RED cell, and the hydrogen production is investigated for KCl/water solutions. The results show that the evaporation concept requires 40 times less waste heat and produces three times more hydrogen than the precipitation concept. With commercial evaporation technology, a system efficiency of 2% is obtained, with a hydrogen production rate of 0.38 gH2 m−2h−1 and a waste heat requirement of 1.7 kWh g−1H2. The water transference coefficient and the salt diffusion coefficient are identified as membrane properties with a large negative impact on hydrogenThe reverse electrodialysis heat engine (REDHE) is a promising salinity gradient energy technology, capable of producing hydrogen with an input of waste heat at temperatures below 100 °C. A salinity gradient drives water electrolysis in the reverse electrodialysis (RED) cell, and spent solutions are regenerated using waste heat in a precipitation or evaporation unit. This work presents a non-equilibrium thermodynamics model for the RED cell, and the hydrogen production is investigated for KCl/water solutions. The results show that the evaporation concept requires 40 times less waste heat and produces three times more hydrogen than the precipitation concept. With commercial evaporation technology, a system efficiency of 2% is obtained, with a hydrogen production rate of 0.38 gH2 m−2h−1 and a waste heat requirement of 1.7 kWh g−1H2. The water transference coefficient and the salt diffusion coefficient are identified as membrane properties with a large negative impact on hydrogen production and system efficiency. Each unit of the water transference coefficient in the range tw=[0–10] causes a −7 mV decrease in unit cell electric potential, and a −0.3% decrease in system efficiency. Increasing the membrane salt diffusion coefficient from 10−12 to 10−11 leads to the system efficiency decreasing from 2% to 0.6%zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:S. SolbergORCiD, P. Zimmermann, Ø. Wilhelmsen, J. LambORCiD, Robert BockORCiD, O. Burheim
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Energies
Jahr der Erstveröffentlichung:2022
Organisationseinheit der BAM:3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher
3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher / 3.5 Sicherheit von Gasspeichern
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:MDPI
Jahrgang/Band:15
Ausgabe/Heft:16
Erste Seite:6011
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Angewandte Physik
Freie Schlagwörter:Hydrogen; Non-equilibrium thermodynamics; RED; Waste heat
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Energie
Energie / Wasserstoff
DOI:10.3390/en15166011
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-556677
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:12.09.2022
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:12.09.2022
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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