Elektrolizery 4.1. Wprowadzenie 4.2. Historia elektrolizerów 4.3. Rodzaje elektrolizerów 4.4. Typy elektrolizerów 4.5. Temat zaawansowany: Podstawy termodynamiki w konstruowaniu elektrolizerów 4.6. Produkcja i sprzedaż wodoru na świecie 4.7. Możliwości uzupełnienia energii związanej z wykorzystaniem elektrolizy 4.8. Podsumowanie Odnawialne źródła energii / Elektrolizery 61
4.1 Wprowadzenie Elektrolizery wykorzystują prąd elektryczny do rozkładu wody na wodór i tlen. Elektroliza wody jest prostą reakcją elektrochemiczną, która nie wymaga skomplikowanej aparatury. Jednym z głównych produktów jest bardzo czysty wodór (>99,99%) i jeżeli prąd niezbędny do przeprowadzenia reakcji pochodzi z odnawialnych źródeł, reakcja elektrolizy wody nie zanieczyszcza w żaden sposób środowiska. Produkowany podczas elektrolizy wodór jest idealnym paliwem wykorzystywanym w ogniwach paliwowych (patrz rozdział 5 o ogniwach paliwowych). Reakcja elektrochemiczna zachodząca w elektrolizerze jest bardzo podobna do reakcji zachodzącej w ogniwach paliwowych zasilanych wodorem. Główną różnicą jest to, iż w trakcie elektrolizy na katodzie wytwarza się wodór, a w ogniwach paliwowych wodór wprowadza się na anodę. Wodór jest najpowszechniej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie, lecz bardzo mało wodoru istnieje w formie niezwiązanej. Jest to najprostszy i najlżejszy pierwiastek. Wodór ma ogromny potencjał technologiczny, może być wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej, a otrzymywać go można z paliw kopalnych, biomasy oraz wody. Istnieje wiele metod pozyskiwania wodoru. Wodór otrzymywany może być przez reforming parowy węglowodorów lekkich (np. metanu), w reakcjach częściowego utleniania, w reakcji pary wodnej z koksem, oraz elektrolizy wody. W większości tych metod źródłem wodoru są paliwa kopalne, lecz coraz częściej wodór produkuje się z wykorzystaniem biomasy. Aktualna wydajność produkcji wodoru w procesie elektrolizy wynosi około 75%, lecz w przyszłości prawdopodobnie osiągnie 90% [11]. Aby wyprodukować 1 kg wodoru, w temperaturze 25 C i ciśnieniu 1 atm (atm - atmosfera), potrzeba 39 kwh energii elektrycznej i 8,9 litra wody [18]. Atmosfera: Jest to międzynarodowa jednostka ciśnienia, równa 101 325 Pa. Jednostka ta jest coraz rzadziej używana i zastąpiona została barami (100 000 Pa). Największą wadą procesu elektrolizy wody jest to, że potrzebuje do przeprowadzenia reakcji energii elektrycznej, która często musi być dostarczona poprzez całą energetyczną infrastrukturę. Idealnym rozwiązaniem jest wykorzystanie energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych przyjaznych dla środowiska. Zaleca się, aby wykorzystywać energię otrzymywaną z wiatru, słońca oraz płynących rzek. Produkcja wodoru będzie popularna wtedy, gdy wykorzystywane będą technologie nie generujące dwutlenku węgla, i na tyle tanie, że będą konkurować z konwencjonalnymi rozwiązaniami. Tego typu rozwiązania mogą być zbudowane z wykorzystaniem paneli solarnych lub elektrowni wiatrowych lub kombinacji tych dwóch rozwiązań sterowanych za pomocą systemów elektroenergetycznych. Systemy te zbudowane są z przetwornic AC/DC lub DC/DC, chłodnic, zasilaczy, przekaźników sterujących oraz systemów odłączających prąd stały, gdy wykorzystuje się ogniwa fotowoltaiczne (rozdział 7). Istnieją także prototypowe rozwiązania hybrydowe, zaprojektowane w taki sposób, aby minimalizować koszty inwestycyjne. W tych rozwiązaniach koszt produkcji wodoru jest niewielki. Elektrolizery mogą być idealnym rozwiązaniem w stacjonarnych i przenośnych systemach energetycznych oraz do produkcji paliwa wykorzystywanego w różnego rodzaju pojazdach. Istnieje wiele rozwiązań, w których elektrolizery są wykorzystywane. Jedno z tych zastosowań, to wykorzystywanie ich w urządzeniach wojskowych do produkcji wodoru zasilającego ogniwa paliwowe w samochodach, łodziach, a także w przenośnej elektronice. Elektrolizery mogą być także dodatkiem przy farmach wiatrowych 62 Elektrolizery / Odnawialne źródła energii
lub słonecznych. Część energii wyprodukowana przy użyciu turbin wiatrowych lub paneli słonecznych może być użyta do procesu elektrolizy, wytworzenia wodoru i wykorzystania go w momencie, gdy nie świeci słońce lub nie ma wiatru. Nadmiar energii elektrycznej wytworzonej w ciągu dnia przez panele słoneczne może być także wykorzystywany do produkcji wodoru, aby wytwarzać energię w nocy. Elektrownie wiatrowe największą wydajność mają nocą, kiedy wieją silne wiatry. Zapotrzebowanie na energię jest wtedy stosunkowo niewielkie. Nadmiar energii może być wykorzystany do produkcji wodoru, który zużyty zostanie w ciągu dnia, gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną jest znacznie wyższe. Istnieją już prototypy wykorzystujące tego typu rozwiązania. Jednak są one drogie dlatego niezbędne są dalsze badania, aby obniżyć koszty produkcji urządzeń oraz zwiększyć wydajność gotowych systemów. Obecnie większość elektrolizerów wykorzystywanych jest do produkcji wodoru do zastosowań innych niż zasilanie ogniw paliwowych. Zalety stosowania elektrolizerów to [11]: 1. Produkcja bardzo czystego wodoru; 2. Wodór może być wytwarzany i zużywany bezpośrednio przez ogniwa paliwowe, co eliminuje etap przechowywania wodoru; 3. Wodór wyprodukowany w trakcie elektrolizy jest znacznie tańszy niż ten dostarczony w butlach pod wysokim ciśnieniem. Ilustracja 4-1 przedstawia zasadę działania elektrolizera. Na świecie jest bardzo dużo energii słonecznej i wiatrowej, która mogłaby być użyta do produkcji wodoru wykorzystywanego do napędzania pojazdów, do wytwarzania prądu w elektrowniach stacjonarnych oraz w urządzeniach przenośnych. Elektroliza ma wysoki potencjał, umożliwiający spełnienie wymagań związanych z kosztami produkcji energii, określonych przez rządy na całym świecie. Wiele firm prowadzi badania i zdobywa doświadczenie w temacie produkcji wodoru oraz integracji i optymalizacji opisywanych systemów energetycznych. W przyszłości zdobyte doświadczenie pozwoli im produkować paliwa niezbędne do funkcjonowania tych systemów. Tlen Wodór Pęcherzyki tlenu Elektrolit Pęcherzyki wodoru + Akumulator - Anoda + - Katoda Ilustracja 4-1 Elektrolizer Odnawialne źródła energii / Elektrolizery 63
4.2 Historia elektrolizerów Historia elektrolizerów i ogniw paliwowych jest bardzo podobna, ponieważ podstawowe zasady i właściwości są takie same. Reakcja elektrolizy wody została odkryta w 1800 roku i do tej pory jest badana. W ostatnich dwudziestu latach nastąpił intensywny rozwój technologii związanych z konstrukcją elektrolizerów. W rozdziale 5 podane są dalsze szczegóły dotyczące historii ogniw paliwowych i elektrolizy. Głównymi naukowcami pracującymi nad poznaniem zjawiska elektrolizy byli William Nicholson i Anthony Carlisle. To oni w 1800 roku jako pierwsi, przy użyciu prądu, spowodowali rozkład wody na wodór i tlen. Nicholson i Carlisle do przeprowadzenia elektrolizy użyli platynowych elektrod oraz szklanych cylindrów do gromadzenia gazów. Wodór, w postaci gazowej, zbierany był na jednej z elektrod, a tlen na drugiej. Doświadczenie to pokazuje, że w tym samym czasie wodoru powstaje dwa razy więcej niż tlenu. Na Ilustracji 4-2 przedstawiono schemat procesu elektrolizy odkrytego przez Nicholsona i Carlisle. Nicholson i Carlisle: Jako pierwsi opisali w 1800 r. proces elektrolitycznego rozkładu wody na wodór i tlen. Wodór Tlen Katoda - + Anoda Akumulator Ilustracja 4-2. Proces elektrolizy 64 Elektrolizery / Odnawialne źródła energii
William Nicholson: William Nicholson był angielskim chemikiem, który jako pierwszy, do przeprowadzenia reakcji chemicznej, użył energii elektrycznej. Nicholson miał wiele profesji: był inżynierem, wynalazcą, tłumaczem i publicystą naukowym. Gdy dowiedział się o elektrycznym akumulatorze wynalezionym przez włoskiego fizyka Alessandro Volta, próbował powtórzyć ten eksperyment wkładając dwa przewody do wody. Przy przewodach pojawiły się pęcherzyki gazów, był to pierwszy krok do odkrycia reakcji elektrolizy wody. 4.3 Rodzaje elektrolizerów Elektrolizery ze względu na sposoby podłączenia elektrod do źródła prądu można podzielić na dwa podstawowe typy: jednobiegunowe (unipolarne, monopolarne) i dwubiegunowe (bipolarne). W przypadku elektrolizerów monopolarnych każda z elektrod połączona jest z określonym biegunem źródła zasilania. W przypadku elektrolizerów bipolarnych jedynie dwie ostatnie elektrody podłączone są do źródła prądu (katoda do ujemnego bieguna, a anoda do dodatniego). W tym przypadku, powierzchnie elektrod umieszczonych w polu elektrycznym uzyskują ładunek o znaku przeciwnym do znaku najbliższej elektrody, co jest skutkiem przepływu ładunków elektrycznych w procesie elektrolizy. W dwubiegunowych elektrolizerach wykorzystywany jest często elektrolit polimerowy. 4.3.1 Elektrolizer jednobiegunowy Elektrolizer jednobiegunowy był pierwszym skonstruowanym elektrolizerem. Przykład takiego elektrolizera przedstawiony jest na Ilustracji 4-3. Elektrody: anoda i katoda są zawieszone w komorze wypełnionej w 20-30% roztworem elektrolitu. Elektrody podłączone są równolegle do źródła prądu o napięciu od 1,9 do 2,5 V [18]. Ten typ elektrolizerów jest prosty w konstrukcji, lecz znacznie mniej wydajny od nowoczesnych dwubiegunowych elektrolizerów. 4.3.2 Elektrolizer dwubiegunowy Elektrolizer dwubiegunowy skonstruowany jest ze ściśniętych ze sobą wielu komórek elektrolitycznych (Ilustracja 4-4). Komórki połączone są szeregowo, co pozwala stosować większe napięcie. Warstwy elektrolitu są bardzo cienkie. Do niektórych zalet tego rozwiązania zaliczyć należy większą gęstość prądu i możliwość produkcji wodoru pod zwiększonym ciśnieniem. Kiedyś w celu oddzielenia komórek stosowano azbest, lecz aktualnie został on wyparty przez nowoczesne materiały polimerowe takie, jak np. Ryton [18]. Odnawialne źródła energii / Elektrolizery 65
Ilustracja 4-3. Przykład elektrolizera unipolarnego Ilustracja 4-4. Elektrolizer bipolarny 4.4 Typy elektrolizerów Elektrolizer napełniony jest wodnym roztworem elektrolitu charakteryzującego się dostatecznie wysoką przewodnością. Teoretycznie może to być roztwór kwasu, soli bądź zasady, w praktyce stosuje się ten ostatni elektrolit, gdyż środowisko kwaśne jest zbyt agresywne (kwasy powodują korozję elektrod) a przewodnictwo właściwe roztworów soli jest niższe. Elektrolizery, w zależności od stanu skupienia elektrolitu, można podzielić na alkaliczne i wykorzystujące polimerową membranę wymiany protonów (PEM). Elektrolizer alkaliczny pracuje w układzie z ciekłym elektrolitem, a elektrolizer PEM wykorzystuje elektrolit polimerowy. Budowa elektrolizera jest podobna do budowy ogniw paliwowych. Składają się one z anody, katody i elektrolitu. Na elektrodzie posiadającej ładunek ujemny protony są usuwane z elektrolitu, a elektrony są dostarczane przez zewnętrzne źródło zasilania. 4.4.1 Elektrolizery alkaliczne W elektrolizerach alkalicznych zastosowanie znajdują zarówno roztwory NaOH jak i KOH. Ten ostatni jest droższy, jednak jego przewodnictwo jest wyższe. Z uwagi na nieliniową zależność wartości przewodnictwa właściwego roztworu elektrolitu od jego stężenia, w przemyśle stosuje się 16-18 % (wag.) roztwory NaOH, bądź też 25-29 % (wag.) roztwory KOH. Procent wagowy (masowy) (% wag.): Procent wagowy to stosunek masy substancji rozpuszczonej w roztworze (może być niewidoczna gołym okiem) do masy roztworu (czyli masy substancji i rozpuszczalnika). Po wymnożeniu uzyskanego ułamka przez 100 otrzymamy wartość w procentach wagowych. 66 Elektrolizery / Odnawialne źródła energii
Przewodnictwo: Przewodnictwo jest miarą zdolności materiału do przewodzenia prądu elektrycznego. Jeżeli w materiale wystąpi różnica w ilości ładunków elektrycznych, to przez materiał ten nastąpi przepływ ładunków, w celu doprowadzenia materiału do stanu równowagi. Zjawisko to wywołuje prąd elektryczny. Odporność na korozję: Odporność na korozję jest to zdolność przeciwstawiania się materiału zmianom degradacyjnym wywołanym reakcjami chemicznymi zachodzącymi na powierzchni tego materiału. Elektrolizery alkaliczne mogą pracować w zakresie temperatur od 25 do 100 C przy ciśnieniu od 1-30 barów. Przemysłowe elektrolizery alkaliczne przeprowadzają reakcję chemiczną przy gęstości prądu od 100 do 400 ma/cm 2. Reakcje chemiczne zachodzące w elektrolizerze alkalicznym: Anoda: 4OH - - 4e - 2H 2 O +O 2 Katoda: 4H 2 O + 4e - 4OH- + 2H 2 Sumarycznie: 2H 2 O 2H 2 +O 2 Budowa elektrolizerów alkalicznych jest stosunkowo prosta. Przy jednobiegunowym układzie elektrolizer składa się z dwóch metalowych elektrod zawieszonych w wodnym roztworze elektrolitu. Gdy przez elektrolizer przepływa prąd, na anodzie wydziela się tlen, a na katodzie wodór. Elektrolizer musi być tak skonstruowany, aby możliwe było selektywne odprowadzanie każdego z wydzielających się gazów. Ważne jest także to, że nie można dopuścić do mieszania się wodoru z tlenem, ponieważ mieszanina tych gazów jest łatwopalna i niewielka iskra może doprowadzić do wybuchu. 4.4.2 Elektrolizery z membraną PEM Elektrolizery - z polimerową membraną PEM - są bardzo popularne i często wykorzystywane w nowoczesnych rozwiązaniach technologicznych. W elektrolizerach PEM zastosowano identyczny elektrolit z używanym w ogniwach paliwowych PEM. Elektrolit stanowi cienka polimerowa membrana stale przewodząca protony. Elektrolizery PEM mogą być połączone w układy dwubiegunowe i mogą pracować przy wysokich ciśnieniach wywieranych na membranę. Reakcje elektrodowe w elektrolizerze PEM przebiegają następująco: Anoda: 2H 2 O - 4e - O 2 + 4H + Katoda: 4H + + 4e - 2H 2 Sumarycznie: 2H 2 O 2H 2 +O 2 Powyższe reakcje pokazują, dlaczego w trakcie elektrolizy wody, tlenu powstaje dwukrotnie mniej niż wodoru. Ilustracja 4-5 przedstawia podstawową zasadę działania elektrolizera PEM. Odnawialne źródła energii / Elektrolizery 67
Tlen (O 2 ) Dodatnio elektroda (Anoda) + F F protony F F F F Ujemnie elektroda (Katoda) - C C C C C C Wodór (H 2 ) FO F R HO 3 SH F O F R O 3 S Woda (H 2 O) + - W przestrzeni katodowej gazowy wodór 4H + + 4e - >2H 2 H 2 H + O 2 Reakcja elektrolizy wody 2H 2 O - >O 2 + 4e - + 4H + Wymiana protonów Ilustracja 4-5. Uproszczony schemat elektrolizera PEM 4.4.2.1 Elektrolit Elektrolit w elektrolizerze PEM pozwala na selektywny transport protonów H + z anody poprzez membranę do katody, oddzielając wodór od tlenu. Najczęściej używanym materiałem jest membrana Nafion produkowana przez firmę DuPont. Elektrody pokryte katalizatorem, którym jest platyna, umieszczone są po obu stronach membrany polimerowej w celu efektywnego rozdzielania wody na wodór i tlen. 4.4.2.2 Katalizatory W celu przekształcenia energii elektrycznej na chemiczną niezbędne jest zastosowanie katalizatorów. Najczęściej stosowanym katalizatorem jest platyna (Pt). Platyna jest drogim metalem szlachetnym, jednak do tej pory nie udało się znaleźć bardziej efektywnego katalizatora. Jeżeli do konstrukcji Katody zastosowany będzie mniej skuteczny katalizator, może spowodować to znaczne straty napięcia. W praktyce przemysłowej elektrody stosowane do elektrolizy H 2 O wykonywane są z niklu lub niklowanego żelaza, których odporność korozyjna w roztworach alkalicznych jest wystarczająco wysoka. Anody wykonywane są z niklu lub spineli (mieszane tlenki metali), wykazujących właściwości katalityczne w stosunku do reakcji wydzielania O 2. Wydajność reakcji elektrolizy zawarta jest w granicach 50-80%, lecz dotyczy to wyłącznie efektywności konwersji energii elektrycznej na chemiczną. 4.5 Temat zaawansowany: Podstawy termodynamiki w konstruowaniu elektrolizerów Termodynamika to nauka zajmująca się analizą zjawisk zachodzących podczas przemian różnych form energii. Dzięki równaniom termodynamicznym możliwe jest prognozowanie wydajności elektrolizerów i ogniw paliwowych. Dzięki temu naukowcy mogą określić w jakim stanie aktualnie znajduje się elektrolizer lub ogniwo paliwowe, w zależności od napięcia, prądu, temperatury, ciśnienia i ilości wodoru, tlenu oraz wody. Podstawowe pojęcia ściśle związane z termodynamiką to: entalpia bezwzględna, entalpia swobodna, ciepło właściwe oraz entropia. Pojęcia te można zdefiniować następująco [19]: 68 Elektrolizery / Odnawialne źródła energii
Entalpia bezwzględna: Entalpia bezwzględna to energia cieplna chemiczna i entalpia względna. Energia chemiczna lub entalpia tworzenia (Hf) określona jest energią wiązań chemicznych. Entalpia względna to różnica entalpii faktycznej w stosunku do stanu odniesienia (Δ hs). Ciepło właściwe: Ciepło potrzebne do zwiększenia temperatury substancji o jednostkowej masie o 1 C (lub inną jednostkę temperatury). Entropia: Kolejnym ważnym elementem termodynamicznym jest entropia, czyli ilość ciepła przekształconego w pracę. Entalpia swobodna (funkcja Gibbsa): Entalpia swobodna w przemianach izotermiczno-izobarycznych jest równa maksymalnej pracy, którą można uzyskać w takiej przemianie. Maksymalna wydajność ogniwa paliwowego jest badana w warunkach idealnych (odwracalnych) napięcia, które jest obliczane przy użyciu zależności termodynamicznych. Napięcie wyjściowe netto: Napięcie wyjściowe netto ogniwa paliwowego to różnica między potencjałem odwracalnym ogniwa a nieodwracalnym. Napięcie wyjściowe netto można wyrazić matematycznie: Gdzie: V = V odwracalne - V nieodwracalne V = E jest maksymalnym (odwracalnym) napięciem uzyskiwanym z ogniwa paliwowego, zaś V nieodwracalne odwracalne r to nieodwracalne straty napięcia (nadpotencjał) pojawiające się w ogniwie paliwowym. Straty napięcia zostaną szczegółowo omówione w kolejnym punkcie. Rzeczywiste napięcie ogniwa paliwowego jest niższe niż wyznaczone teoretycznie z powodu występujących strat transferowych masy w trakcie transportu ładunku. Wydajność elektrolizera lub ogniwa paliwowego można zilustrować za pomocą krzywej polaryzacji (Ilustracja 4-6), w której zauważyć można trzy stany polaryzacyjne: (1) obszar strat aktywacyjnych, (2) obszar strat omowych, (3) obszar strat dyfuzyjnych. Dlatego napięcie robocze ogniwa paliwowego może różnić się od napięcia teoretycznego wyznaczonego w warunkach idealnych. Spowodowane jest to przez tzw. straty polaryzacyjne [10]: Gdzie: V = Er + V akt + V omowe + V dyf V jest potencjałem ogniwa, E potencjałem termodynamicznym określanym równaniem Nersta, V akt są to straty napięcia z powodu polaryzacji w fazie aktywacji ogniwa, V omowe są to straty napięcia pojawiające się w fazie polaryzacji omowej. V dyf są to straty napięcia w fazie polaryzacji dyfuzyjnej. Badania prowadzone w różnych dziedzinach nauki pozwalają wyjaśnić te pojęcia przy pomocy Ilustracji 4-6. Odnawialne źródła energii / Elektrolizery 69
1.25 1.00 Otwarty obwód - straty z powodu zawracania paliwa 0.75 0.50 Liniowy spadek z powodu strat omowych 0.25 0 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 Ilustracja 4-6. Krzywa polaryzacji wodór-tlen w równowadze [10] Potencjał termodynamiczny opisywany równaniem Nersta wyznaczony został dzięki badaniom termodynamicznym. Elektrochemia opisuje straty aktywacyjne. Straty omowe i dyfuzyjne, wywołane w trakcie transportu ładunku między elektrodami w ogniwie paliwowym lub elektrolizerze, są tematami zaawansowanych studiów chemicznych, fizycznych lub inżynierii chemicznej. Straty polaryzacyjne i dyfuzyjne zachodzą w przestrzeniach elektrodowych anody i katody, zaś straty omowe dotyczą całego ogniwa. Bardziej szczegółowe informacje, związane z omawianym tematem, można znaleźć w wielu podręcznikach opisujących funkcjonowanie ogniw paliwowych. Straty omowe: Są to straty wywołane niecałkowitym przepływem ładunków pomiędzy elektrodami w ogniwie. Straty aktywacyjne są wysokie wtedy, gdy reakcje elektrochemiczne wywołane przez prąd przebiegają powoli. Straty omowe spowodowane są stratami transportu ładunków pomiędzy elektrodami. Na straty te wpływają dwa czynniki. W układzie mamy do czynienia z dwoma typami cząstek niosących ładunek. Są to jony i elektrony. W obu typach tych cząstek pojawiają się straty. Straty elektronowe pojawiają się pomiędzy dwoma biegunami, kiedy na styku płytek występuje niepełne chłodzenie układu. Straty jonowe występują przy transporcie protonów H+ przez membranę elektrolityczną. Straty dyfuzyjne spowodowane są brakiem paliwa, czyli substratów reakcji elektrodowych. Zbyt mała ilość substratów docierających do elektrod powoduje znaczny spadek wydajności. Straty dyfuzyjne minimalizuje się przez ciągłe dostarczanie energii i kontrolę stężenia wodoru, tlenu (sprawne odprowadzanie produktów) i wody. Kontroluje się również stan warstwy dyfuzyjnej oraz katalitycznej elektrod. 70 Elektrolizery / Odnawialne źródła energii
4.6 Produkcja i sprzedaż wodoru na świecie Według Departamentu Energii USA, około 48% wodoru produkuje się z gazu ziemnego, 30% z ropy naftowej i 18% z węgla kamiennego. Pozostałe 4% wytwarzane jest w procesie elektrolizy wody. W Stanach Zjednoczonych 95% wodoru produkuje się z gazu ziemnego. Ilustracja 4-7 przedstawia światową produkcję wodoru. 18% 48% 30% 4% Ilustracja 4-7. Światowa produkcja wodoru Większość wodoru produkowanego na świecie otrzymywana jest w reakcji reformingu parowego metanu (SRM). Produkcja wodoru z wykorzystaniem elektrolizy jest znacznie droższa od technologii SRM, lecz w przyszłości, gdy ceny gazu ziemnego wzrosną, oraz biorąc pod uwagę aspekty środowiskowe i politykę środowiskową, będzie to bardzo dobra alternatywa. Gaz ziemny wykorzystywany w SMR należy do paliw kopalnych, których zasoby światowe są ograniczone. Produktami ubocznymi w SMR są gazy cieplarniane. W trakcie reakcji reformingu parowego powstaje dwutlenek węgla CO 2 oraz tlenek węgla CO. Jeżeli miliony samochodów spalinowych będą zasilane wodorem produkowanym z wykorzystaniem SMR, nie wpłynie to na ograniczenie ilości emisji gazów cieplarnianych. Około 4% światowej produkcji wodoru pochodzi z procesu elektrolizy. W tym przypadku wodór głównie jest wytwarzany jako produkt uboczny w trakcie elektrolizy solanki podczas produkcji chloru. 2NaCl + 2 H 2 O Cl 2 + H 2 + 2NaOH W tej reakcji na katodzie wydziela się wodór, a na anodzie chlor. Wydzielony wodór jest spalany na miejscu lub wykorzystywany do innych syntez chemicznych. Obecnie rynek wodoru podzielony jest na dwa technologiczne zastosowania. Jednym z nich jest wykorzystanie wodoru od razu po jego wyprodukowaniu. Drugi wymaga wtłoczenia go do odpowiednich opakowań i dostarczenia na miejsce wykorzystania. Wodór wykorzystywany jest w przemyśle chemicznym, tłuszczowym i rafineryjnym do uwodornienia tłuszczów i ropy naftowej oraz w przemyśle metalurgicznym. Mniejsze ilości wodoru wykorzystuje się przy produkcji elektroniki oraz w przedsiębiorstwach użyteczności publicznej. W tabeli 4-1 przedstawiono podsumowanie omawianych zagadnień [18]. Odnawialne źródła energii / Elektrolizery 71
Zastosowanie wodoru Przemysł chemiczny Paliwa Elektronika Metale Produkty produkcja amoniaku i nawozów, synteza metanolu rafinacja ropy naftowej, paliwo rakietowe, ogniwa paliwowe produkcja polisilikonów, światłowodów wyżarzanie materiału, obróbka cieplna Tabela 4-1. Zastosowanie wodoru Wodór dzięki swoim właściwościom ma ogromną przyszłość. Z powodu wzrostu cen surowców nieodnawialnych np. gazu ziemnego, proces otrzymywania wodoru, przy użyciu elektrolizerów, może stać się konkurencyjny i opłacalny. Jeżeli wodór będzie głównym paliwem wykorzystywanym w transporcie (co spowoduje znaczny wzrost produkcji wodoru), ze względów związanych z ochroną środowiska, będzie można go produkować tylko z surowców odnawialnych. Wodór otrzymywany w trakcie elektrolizy, w porównaniu z ropa naftową, jest paliwem stabilniejszym, niezależnym od dostaw surowców z innych krajów. 4.7 Możliwości uzupełnienia energii związanej z wykorzystaniem elektrolizy Włączenie elektrolizerów w systemy energii odnawialnej stwarza wyjątkowe możliwości. Rozwiązania technologiczne związane z energią odnawialną można włączyć do sieci energetycznej przy użyciu urządzeń energoelektronicznych. Urządzenia elektroniczne pozwalają na transformacje prądu zmiennego (AC) na prąd stały (DC), niezbędny do przeprowadzenia elektrolizy. Jako dodatkowe źródło energii można wykorzystać systemy ogniw fotowoltaicznych oraz turbiny wiatrowe. W wielu rozwiązaniach technologicznych produkujących wodór w procesie elektrolizy, wykorzystuje się turbiny wiatrowe jako źródło prądu. Wiele badań i projektów rozwojowych na całym świecie prowadzi się w celu znalezienia optymalnych rozwiązań związanych z produkcją wodoru, przy wykorzystaniu energii słonecznej, wiatrowej i konwencjonalnej. W rozwiązaniach tych wodór jest produkowany w procesie elektrolizy i przechowywany w formie sprężonej. Następnie, w momencie wyższego zapotrzebowania na energię, używany jest do wspomagania sieci energetycznej. Badania naukowe poszukują rozwiązań integracji alternatywnych systemów energii odnawialnej okresowo produkowanej przez ogniwa słoneczne i turbiny wiatrowe. Wyprodukowanie, przy użyciu energii odnawialnej, wodoru pozwoli w momencie wysokiego zapotrzebowania na energię, na wyprodukowanie z wodoru, przy użyciu ogniw paliwowych, energii elektrycznej. Prowadzone są również badania związane z wykorzystaniem wodoru jako paliwa do napędzania pojazdów. Istnieje także wiele projektów związanych z pracą elektrolizerów. Bada się ich zdolność do szybkiego włączania i wyłączania, możliwości przetworzenia AC-DC oraz DC-DC, przy wykorzystaniu paneli słonecznych i turbin wiatrowych, w celu zwiększenia ich wydajności. Ilustracja 4-8 przedstawia schemat jednego z projektów związanych z omawianymi zagadnieniami, prowadzonego przez National Renewable Energy Laboratory (NREL) and Xcel Energy. Wykorzystanie elektrolizy może wyeliminować problem przerw w dostarczaniu energii z odnawialnych źródeł energii. Wyprodukowany wodór może być gromadzony i przechowywany, a później wykorzystany co może poprawić współczynnik wydajności systemów energii odnawialnej. Rozwiązania te pozwolą na stałą produkcję prądu lub uzupełnianie produkcji przy zwiększonym zapotrzebowaniu na energię. 72 Elektrolizery / Odnawialne źródła energii
Produkcję wodoru i wytwarzanie z niego prądu elektrycznego można optymalizować poprzez stosowanie odpowiednich systemów przechowywania wodoru. Oba systemy wiatrowe i słoneczne mogą korzystać z uzupełniania energii pochodzącej z wodoru. Niektóre badania wykazały, iż cena energii wytworzona z zoptymalizowanych technologii opartych na wykorzystaniu wodoru jest niższa, niż cena energii wyprodukowanej konwencjonalnie. Turbina wiatrowa 100kW Northem Power System Przetwornica dc-dc Przetwornica dc-dc Nadmiar mocy AC Magistrala DC Ogniwo PEM HOGEN 40RE(PEM) 5 kw Kompresor wodoru i magazyn wodoru 3500 PSI Przetwornica dc-dc Zasadowy generator gazów Teledyne HM-100 Sieć energetyczna Przełącznik przesyłania mocy Silnik zasilany wodorem W przyszłości stacje paliw sprzedające wodór Turbina wiatrowa Bergey 10kW Ilustracja 4-8. Schematyczny diagram projektu Xcel-NREL Systemy odnawialnej energii stosowane w energetyce wykorzystują elektrolizę jako sposób magazynowania energii słonecznej i wiatrowej. Elektrolizer może, także na miejscu, produkować w elektrowniach wodór wykorzystywany do chłodzenia generatorów produkujących prąd o dużej mocy. W przyszłości wodór będzie wykorzystywany jako paliwo napędzające różne pojazdy. Całe zapotrzebowanie na paliwo może być zaspokojone wodorem produkowanym z alternatywnych źródeł energii. Zwiększyłoby to niezależność energetyczną większości krajów na świecie oraz zredukowało duże ilości dwutlenku węgla i innych zanieczyszczeń emitowanych do środowiska. Istnieje więc wiele przesłanek pokazujących, iż wodór należy produkować z energii wiatrowej i słonecznej. 4.8 Podsumowanie W procesie elektrolizy przy użyciu prądu stałego następuje rozkład wody na wodór i tlen. Produkowany wodór jest bardzo czysty (>99,999 %), a w trakcie produkcji nie zanieczyszcza się środowiska, gdyż wykorzystuje się energię pochodzącą ze źródeł odnawialnych. Gdy jest to potrzebne, wodór można wyprodukować i od razu go zużyć. Eliminuje to problemy z przechowywaniem wodoru. Elektroliza jest idealną metodą wytwarzania wodoru wykorzystywanego w ogniwach paliwowych. Jeżeli system jest odpowiednio zaprojektowany może być o wiele tańszy niż systemy wykorzystujące sprężony wodór w butlach. Zaletą elektrolizerów jest to, że mogą być stosowane w stacjonarnych i przenośnych systemach energetycznych lub w przenośnych generatorach wodoru. Elektrolizery są także dobrym uzupełnieniem systemów produkujących prąd z energii słonecznej i wiatrowej, ponieważ wodór może być użyty do zasilania ogniw paliwowych w momencie przerw w pracy turbin wiatrowych i paneli słonecznych. W przyszłości, z punktu widzenia ekonomicznego, niezbędne jest włączenie elektrolizy i produkcji wodoru do systemów wykorzystujących zasoby energii słonecznej i wiatrowej. Odnawialne źródła energii / Elektrolizery 73