Sposoby otrzymywania wodoru z OZE
Wodór jako pierwiastek jest paliwem idealnym. Jego wartość opałowa jest bardzo wysoka i wynosi 120 MJ/kg. Dla porównania średnia wartość opałowa węgla wynosi 25 MJ/kg, a benzyny 47 MJ/kg. Dodatkowo podczas spalania wodoru nie jest emitowany ditlenek węgla, a jedynym produktem spalania jest nieszkodliwa dla środowiska naturalnego para wodna. Ze względów ekonomicznych wodór jest aktualnie otrzymywany na skalę przemysłową przede wszystkim poprzez reforming gazu ziemnego. Niestety technologia ta daje bardzo duży ślad węglowy. Alternatywną metodą otrzymywania wodoru jest elektroliza wody, która wskazywana jest jako najbardziej perspektywiczna metoda produkcji wodoru. Wynika to z szybkiego rozwoju odnawialnych źródeł energii, takich jak farmy fotowoltaiczne i wiatrowe. Nadmiarowa energia elektryczna pozwala na stosunkowo tanią produkcję „zielonego” wodoru poprzez elektrolizę wody z wykorzystaniem elektrolizerów. Rozróżniamy następujące technologie elektrochemiczne otrzymywania wodoru:
Elektrolizery alkaliczne są najstarszą i najczęściej komercyjnie wykorzystywaną metodą produkcji wodoru elektrolitycznego. Elektrolizer alkaliczny składa się z dwóch elektrod (anody i katody) zanurzonych w alkalicznym roztworze elektrolitu, najczęściej NaOH lub KOH o stężeniu 20-30%. Po podłączeniu źródła prądu stałego w elektrolizerze zachodzą następujące reakcje elektrodowe:
Anoda: 4OH- –> 2H₂O + O₂ + 4e-
Katoda: 2H₂O + 2e- –> H₂ + 2OH-
Aktualnie prowadzi się szeroko zakrojone prace nad zwiększeniem sprawności elektrolizerów, zwłaszcza w zakresie współpracy z niestabilnymi źródłami OZE. Doprowadziło to do rozwoju następujących technologii elektrochemicznych:
Elektroliza z membraną do wymiany protonów PEM (Proton Exchange Membrane Electrolysers). W elektrolizerze PEM zamiast elektrolitu ciekłego wykorzystuje się membranę polimerową. Membrana służy do separacji gazów na elektrodach i ułatwia przepływ jonów wodorowych. Zaletą elektrolizerów PEM jest wysoka sprawność, duża elastyczność pracy, szeroki zakres regulacji i krótki czas rozruchu. Ich podstawową wadą jest stosowanie elektrod wykonanych z drogich metali szlachetnych, takich jak platyna czy iryd.
Elektrolizery stałotlenkowe SOE (Solid Oxide Electrolysers). Są to elektrolizery wysokotemperaturowe (850-1200°C) o wysokiej sprawności (80-90%). Wykorzystują membranę ceramiczną z domieszkowanego tlenku cyrkonu, która selektywnie przewodzi ujemnie naładowane jony tlenu. Na katodzie para wodna łączy się z elektronami, tworząc gazowy wodór i ujemnie naładowane jony tlenu. Przenikają one przez membranę i reagują na anodzie, tworząc gazowy tlen i generując elektrony.
Technologia SOE jest na wczesnym etapie rozwoju technologicznego i boryka się z ograniczoną trwałością komponentów.
Elektrolizery AEM (Anion Exchange Membrane). Są to elektrolizery niskotemperaturowe z membraną anionowymienną pracującą w lekkoalkalicznym środowisku. Łączą one zalety elektrolizerów alkalicznych i PEM. Jest to tańsza technologia dzięki zastosowaniu materiałów elektrodowych nie zawierających platynowców. Technologia ta jest na wczesnym etapie rozwoju technologicznego.
O tym jaka technologia będzie stosowana w praktyce, decydować będą lokalne warunki otrzymywania zielonej energii, takie jak dostępna moc źródeł OZE, zmienność dostaw energii elektrycznej, możliwość lokalnego zagospodarowania wyprodukowanego wodoru i in.
Instytut Technologii Paliw i Energii aktywnie angażuje się w rozwój technologii wytwarzania i wykorzystania wodoru pochodzącego z OZE, prowadząc prace badawcze i wdrożeniowe w zakresie jego produkcji, magazynowania oraz zastosowań w energetyce i przemyśle.
Przygotował: Krzysztof Jastrząb
Zakład Transformacji Energetycznej