title: Μοντελοποίηση και πειραματική επικύρωση αλκαλικής ηλεκτρόλυσης νερού σε νανοδομημένα ηλεκτροχημικά στοιχεία
title: Modeling and experimental validation of alkaline water electrolysis cells in nanostructured electrochemical cells
Creators: name: Γεωργακοπουλος Αλεξανδρος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2023

description: Το τρέχον παγκόσμιο ενεργειακό σύστημα βασίζεται στα ορυκτά καύσιμα, τα οποία αποτελούν την κύρια πηγή διοξειδίου του άνθρακα, ενός αερίου που αναγνωρίζεται ως ο κύριος υπεύθυνος για το φαινόμενο του θερμοκηπίου και κατά συνέπεια για την παγκόσμια θέρμανση. Μία πιθανή λύση θα ήταν η εκτενής χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Ωστόσο, ορισμένες από αυτές τις πηγές, όπως ο ήλιος ή ο άνεμος, βασίζονται στις καιρικές συνθήκες καθώς και στην εποχή του χρόνου. Αυτό το πρόβλημα τονίζει τη σημασία της αποθήκευσης ενέργειας για χρήση της, σε περιόδους αυξημένης ανάγκης. Προς την κατεύθυνση αυτή, η παραγωγή, αποθήκευση και χρήση του υδρογόνου, ως ενεργειακού φορέα, έχει συγκεντρώσει τεράστιο τεχνολογικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια. Η αναμόρφωση μεθανίου (CH4) είναι αυτή τη στιγμή η πιο αποδοτική παραγωγική διαδικασία, καθώς το τελικό κόστος του υδρογόνου είναι πολύ χαμηλό σε σύγκριση με άλλες μεθόδους. Ωστόσο, η μέθοδος αυτή δεν οδηγεί στην παραγωγή πράσινου υδρογόνου καθώς συνοδεύεται από την εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα. Τα τελευταία χρόνια, η ηλεκτροχημική διάσπαση νερού έχει συγκεντρώσει το επιστημονικό ενδιαφέρον, καθώς είναι φιλική προς το περιβάλλον, ευέλικτη και εύκολη να διεξαχθεί. Ωστόσο, η διαδικασία αυτή είναι εξαιρετικά ενεργοβόρα, αφού απαιτεί μεγάλα ποσά ηλεκτρικής ενέργειας. Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται στην ηλεκτρόλυση νερού σε αλκαλικό περιβάλλον (alkaline electrolysis), με έμφαση στη μελέτη καινοτόμων ηλεκτροδίων προς αύξηση της ηλεκτροχημικής απόδοσης. Αρχικά, θα πραγματοποιηθεί μελέτη της βιβλιογραφίας προκειμένου να αναδειχθεί η τρέχουσα τεχνολογική στάθμη στον τομέα της ανάπτυξης ηλεκτροδίων. Ιδιαίτερη έμφαση θα δοθεί στα δομικά και μορφολογικά χαρακτηριστικά των ηλεκτροδίων και στον τρόπο με τον οποίο αυτά δύνανται να επηρεάσουν την ηλεκτροχημική απόδοση του ηλεκτροχημικού κελιού. Σε πειραματικό επίπεδο θα εστιάσουμε στην ανάπτυξη νάνο-δομημένων ηλεκτροδίων νικελίου σε αλκαλικά διαλύματα με στόχο τη βελτιστοποίηση της απόδοσης και τέλος θα προχωρήσουμε στη μαθηματική μοντελοποίηση αυτού του πειράματος.
description: The current global energy system is based on fossil fuels, which are the main source of carbon dioxide, a gas that is recognized as the main contributor to the greenhouse effect and thus to global warming. One possible solution would be the extensive use of renewable energy sources. However, some of these sources, such as the sun or the wind, rely on the weather as well as the time of year. This problem highlights the importance of energy storage for use in times of peak demand. To this end, the production, storage and use of hydrogen as an energy carrier has attracted enormous technological interest in recent years. Methane (CH4) reforming is currently the most efficient production process, as the final cost of hydrogen is very low compared to other methods. However, this method does not lead to the production of green hydrogen as it is accompanied by the emission of carbon dioxide. In recent years, electrochemical water splitting has garnered scientific interest as it is environmentally friendly, flexible and easy to carry out. However, the process is highly energy intensive requiring large amounts of electricity. This thesis focuses on alkaline electrolysis of water in an alkaline environment, with emphasis on the study of innovative electrodes to increase the electrochemical efficiency. Initially, a study of the literature will be carried out in order to highlight the current state of the art in the field of electrode development. Particular emphasis will be given to the structural and morphological characteristics of the electrodes and how these may affect the electrochemical performance of the electrochemical cell. On an experimental level, we will focus on the development of nanostructured nickel electrodes in alkaline solutions with the aim of optimizing the performance and finally, we will move on to the mathematical modelling of this experiment.