Elektroliza wody jest wskazywana jako najbardziej perspektywiczna metoda produkcji wodoru. Zwłaszcza, kiedy jest oparta o wykorzystanie energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, gwarantując wytwarzanie czystego wodoru na potrzeby przemysłu, transportu i energetyki. Czym jest elektroliza wody i jak produkuje się wodór? Na te pytania dziś odpowiadamy.
Wodór jest uznawany za jeden z wektorów trwającej transformacji energetycznej. To dlatego, że z jego zastosowaniem w transporcie, energetyce i przemyśle nie wiążą się emisje. Produktami spalania są bowiem energia i woda. By jednak mówić o pełnej dekarbonizacji konieczne jest uwzględnienie źródła pochodzenia nowego paliwa.
Wodór jest produkowany w szeregu procesów, jednak nie wszystkie mają w pełni ekologiczny charakter. Obecnie na świecie wytwarza się ponad 120 Mt wodoru z czego ok. dwie trzecie stanowi wodór produkowany w dedykowanych instalacjach (ok. 74 Mt)[1], a pozostała część to surowiec będący produktem ubocznym procesów technologicznych lub wytwarzany w mieszaninie z innymi gazami[2].
Co ciekawe, Polska plasuje się na trzecim miejscu wytwórców w Europie z wolumenem ok. 1 t wodoru rocznie, przy czym niemal całość pochodzi ze źródeł gazowych i węglowych.
Jeszcze w 2021 r. wodór z paliw kopalnych stanowił 90,4% łącznej produkcji w UE, dodatkowe 7,1% jako produkt uboczny. Do najważniejszych metod wytwarzania wodoru z paliw kopalnych zaliczamy reforming parowy metanu SMR (szary wodór) oraz gazyfikację paliw stałych – węgla brunatnego (brązowy wodór) i kamiennego (czarny wodór). Spośród pozostałych procesów ok. 1,6% stanowiła elektroliza z wykorzystaniem energii z sieci, 0,2% elektroliza z wykorzystaniem energii z OZE (zielony wodór), a 0,1% niebieski wodór, a więc wodór z paliw kopalnych z uwzględnieniem wychwytu emisji CO₂[3].
Jednym z celów transformacji energetycznej jest zwiększenie wykorzystania zielonego wodoru i zastąpienie nim szarego wodoru i paliw kopalnych w najtrudniejszych sektorach gospodarki. W tym kluczową role odegra elektroliza.
Elektroliza – co to jest?
Termin elektroliza został spopularyzowany dzięki odkryciom Michaela Faraday’a, który jako pierwszy opisał prawa rządzące procesem, które stały się podwaliną dalszych badań fizyków. Definiuje się ją jako proces rozkładu związków jonowych na ich pierwiastki poprzez przepuszczanie prądu elektrycznego. Podstawowymi elementami wymaganymi do przeprowadzenia procesu są elektrolit, elektrody oraz forma zewnętrznego zasilania.
Elektroliza wody – produkcja wodoru
Elektroliza wody jest jedną z dostępnych komercyjnie technologii produkcji wodoru. W jej przypadku, pod odziaływaniem napięcia elektrycznego, woda (H₂O) rozdzielana jest na pierwiastki składowe – wodór (H₂) oraz tlen (O₂). Proces przeprowadzany jest w urządzeniach nazywanych generatorami wodoru i tlenu lub powszechniej elektrolizerami. Najstarszą i najbardziej sprawdzoną technologią są elektrolizery alkaliczne. Ponadto, wyróżniamy elektrolizery PEM (Proton Exchange Membrane Electrolysers), elektrolizery stałotlenkowe (Solid Oxide Electrolysers) oraz elektrolizery AEM (Anion Exchange Membrane Electrolysers). W dalszej części artykułu przyjrzymy się poszczególnym technologiom i procesom w nich zachodzącym.
Elektrolizery alkaliczne
Elektroliza alkaliczna jest najstarszą i najbardziej rozpoznaną technologią, a przez to najpowszechniej stosowaną komercyjną metodą produkcji elektrolitycznego wodoru. Jedną z jej głównych zalet jest możliwość zwiększania mocy produkcyjnych do skali MW, dzięki czemu wykorzystywana jest w zastosowaniach przemysłowych.
Ogniwo elektrolizerów alkalicznych składa się z dwóch elektrod (anody i katody) zanurzonych w alkalicznym roztworze elektrolitu, jak wodorotlenek sodu (NaOH) lub wodorotlenek potasu (KOH), zwykle w stężeniu ok. 20-30%. Służy to ułatwieniu przepływu jonów pomiędzy elektrodami.
W elektrolizerze alkalicznym na anodzie zachodzi reakcja (I), natomiast na katodzie reakcja (II)
- 4OH- –> H₂O + O₂ + 4e-
- 2H₂O + 2e- –> H₂ + 2OH-
Elektrolizery alkaliczne – zalety i wyzwania
Elektroliza alkaliczna wyróżnia się spośród pozostałych metod produkcji, zwłaszcza w zastosowaniach przemysłowych i wielkoskalowych, przejawiając szereg kluczowych zalet. Do podstawowych przewag technologii alkalicznej zaliczamy:
- Dojrzałość i wysoki poziom gotowości technologicznej,
- Wydajność i trwałość – wyższa tolerancja na zanieczyszczenia komponentów,
- Zwiększone korzyści zastosowania w dużych instalacjach,
- Korzyści ekonomiczne wynikające z niższej ceny urządzeń.
Wyzwaniem przed jakim staje dziś przemysł jest zwiększenie sprawności pracy elektrolizerów, zwłaszcza w zakresie współpracy z niestabilnymi źródłami OZE. Dotychczas, w przeważającej mierze do zasilania urządzeń w projektach wykorzystywana była energia sieciowa. Stałe warunki pracy pozwalały na niemal bezawaryjną pracę technologii przez wiele lat. Cele związane ze zwiększeniem produkcji i wykorzystania odnawialnego wodoru wytwarzanego ze zmiennych OZE powodują, że kluczowe staje się usprawnienie i zwiększenie wydajności elektrolizy. To właśnie główny cel SES Hydrogen Energy w rozwoju własnej technologii alkalicznej.
Elektrolizery PEM (Proton Exchange Membrane)
Elektroliza z membraną do wymiany protonów (PEM) jest kolejną obiecującą technologią produkcji wodoru. Zamiast elektrolitu ciekłego wykorzystuje membranę kwasową jako elektrolit stały. Przebieg procesu polega na reakcji wody na anodzie, czego efektem jest tlen i dodatnio naładowane jony wodoru. Elektrony przepływają przez obwód zewnętrzny, a jony wodoru selektywnie przemieszczają się przez PEM do katody, gdzie łączą się z elektronami z obwodu zewnętrznego, w wyniku czego powstaje gazowy wodór.
W elektrolizerze PEM na anodzie zachodzi reakcja (III), z kolei na katodzie reakcja (IV):
- 2H₂O –> 4H+ + 4e- + O₂
- 4H+ + 4e- –> 2H₂
Zaletą elektrolizerów PEM jest wysoka sprawność, duża elastyczność pracy, szeroki zakres regulacji i krótki czas rozruchu, jak również skuteczniejsze zapobieganie mieszaniu się wodoru i tlenu. Z kolei wyzwaniem korozyjne środowisko pracy, które warunkuje wyższe koszty zakupu i utrzymania ze względu na wykorzystanie elektrod wykonanych z drogich metali szlachetnych, jak platyna czy iryd.
Elektrolizery stałotlenkowe (Solid Oxide Electrolysers)
Elektrolizery ze stałym tlenkiem są aktualnie na wczesnym etapie dojrzałości technologicznej. Wykorzystują membranę ceramiczną (często wykonaną z domieszkowanego tlenku cyrkonu), która selektywnie przewodzi ujemnie naładowane jony tlenu. W procesie, para na katodzie łączy się z elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc gazowy wodór i ujemnie naładowane jony tlenu. Te, przechodzą przez membranę i reagują na anodzie, tworząc gazowy tlen i generując elektrony dla obwodu zewnętrznego.
W elektrolizerze SOEC na anodzie zachodzi reakcja (V), z kolei na katodzie reakcja (VI):
- H₂O (para) + 2e- –> O₂- + H₂
- O₂ + 2e- –> O₂
Cechuje je wysoki poziom sprawności (80-90%) oraz wysoka temperatura elektrolizy (850-1200°C), która może powodować ograniczoną trwałość komponentów, przez co wpływać na wysokość kosztów.
Elektrolizery AEM (Anion Exchange Membrane)
Elektrolizery z membraną anionowymienną są wyjątkowo perspektywiczną technologią produkcji wodoru, łącząc w sobie przewagi technologii alkalicznej oraz PEM. Podobnie jak one, jest technologią niskotemperaturową. Działa w lekko zasadowym środowisku. Dzięki zastosowaniu tańszych komponentów, które nie zawierają metali z grupy platynowców, technologia umożliwia obniżenie kosztów i potencjalnie dłuższą żywotność urządzeń.
Przy zastosowaniu elektrolizera opartego na technologii AEM spodziewaną reakcję dla anody (VII) i katody (VIII) opisują wzory:
- 4OH –> 2H₂O + O₂ + 4e-
- 4H₂O + 4e- –> 2H₂ + 4OH-
Aktualnie, AEM nie są spopularyzowane w równie dużym stopniu co PEM, a tym bardziej elektrolizery alkaliczne. W SES Hydrogen Energy skupiamy się na rozwoju własnej technologii AEM, aby zwiększyć wydajność i obniżyć docelowe koszty produkcji wodoru.
Elektroliza wody – zastosowania
Zielony wodór elektrolityczny nie bez powodu jest ważnym narzędziem transformacji energetycznej. Dzięki swoim właściwościom odnajduje szereg zastosowań w kluczowych sektorach gospodarki, zmniejszając emisję dwutlenku węgla i zwiększając wykorzystanie w nich energii odnawialnej.
Wodór w energetyce i ciepłownictwie
Wodór umożliwi bilansowanie i zwiększenie efektywności źródeł OZE, dzięki zagospodarowaniu nadwyżek w postaci gazowego wodoru, który może być długotrwale magazynowany, wykorzystany w zastosowaniach przemysłowych i transporcie lub powtórnie przekształcony w energię przy wykorzystaniu ogniw, przy czym na ten moment rozwoju technologii wiąże się to z występowaniem określonych strat w energii. Wodór to także szansa rozwoju niezależnych, rozproszonych systemów energetycznych, które są szczególnie istotne w miejscach, gdzie niemożliwe jest np. przyłączenie do lokalnej sieci ciepłowniczej. Wodór może bowiem stać się również ważnym paliwem dla sektora grzewczego dzięki jego spalaniu w dedykowanych kotłach wodorowych i H2Ready.
Wodór w przemyśle
Wodór już teraz wykorzystuje się w szeregu procesów przemysłowych, m.in. w przemyśle chemicznym do produkcji amoniaku, przemyśle petrochemicznym w procesach hydrorafinacji, reformingu i hydrokrakingu czy przemyśle szklarskim. Kluczowe jest zastąpienie w nich emisyjnego szarego wodoru, zielonym wodorem elektrolitycznym. Duży potencjał jego wykorzystania dostrzegany jest także w energochłonnym przemyśle ciężkim i hutnictwie, w tym do produkcji zielonej stali.
Wodór w transporcie
Kolejnym z istotnych obszarów transformacji jest transport, gdzie wodór może być stosowany jako paliwo dla pojazdów osobowych, autobusów i ciężarówek na ogniwa paliwowe (FCEV), w pociągach, a także do produkcji e-paliw, w tym e-amoniaku czy e-kerozyny na potrzeby transportu morskiego i lotnictwa.
Widzimy więc, że rola elektrolizy i elektrolizerów jest kluczowa dla zmian w krajobrazie energetycznym Europy. Dla jej rozpowszechnienia znaczące jest zwiększenie skali i obniżenie kosztów, co umożliwi upowszechnienie wykorzystania urządzeń w wymienionych obszarach.
[1] Global CCS Institute, 2021
[2] IRENA, Hydrogen. Overview, 2022 https://www.irena.org/Energy-Transition/Technology/Hydrogen
[3] Hydrogen Europe, Clean Hydrogen Monitor 2020
