Woda morska w produkcji wodoru? Niemcy sprawdzili, czy to możliwe
Elektroliza wymaga starannie oczyszczonej wody – w przeciwnym razie urządzenia mogą ulec uszkodzeniu. Niemieccy naukowcy sprawdzili, czy w tym procesie można wykorzystać wodę morską. Z jakimi wyzwaniami musieli się zmierzyć?
A gdyby wodę słodką w produkcji wodoru dało się zastąpić wodą morską lub słonawą? To pytanie zadali sobie niemieccy naukowcy, a odpowiedzi szukali w ramach projektu SeaEly. Badania prowadził Instytut Fraunhofera ds. Systemów Energetyki Wiatrowej (IWES) we współpracy z Instytutem Fraunhofera ds. Technologii Produkcyjnych i Zaawansowanych Materiałów (IFAM). Badacze chcieli ustalić nie tylko, jak słona woda może zostać wykorzystana w elektrolizie, ale też, jaka infrastruktura testowa jest potrzebna do prowadzenia takich badań.
Nowa technologia uprości elektrolizę
Takie rozwiązanie może mieć znaczenie przede wszystkim dla instalacji przybrzeżnych i morskich. Gdyby energię z farm wiatrowych dało się od razu zamieniać na wodór z użyciem wody pobieranej wprost z morza, powstawałby łatwy do magazynowania i transportu nośnik energii. Można by go wykorzystać m.in. jako surowiec chemiczny, do produkcji amoniaku i paliw syntetycznych lub w energetyce.
Obecnie wodę morską przed elektrolizą najpierw się odsala, najczęściej metodą odwróconej osmozy, a następnie dodatkowo oczyszcza. To sprawdzona technologia, a jej koszt stanowi niewielką część kosztu produkcji wodoru. Wymaga jednak osobnej instalacji, energii i miejsca, co na morskich platformach ma szczególne znaczenie, a także zagospodarowania powstającej solanki. Bezpośrednia elektroliza mogłaby uprościć cały układ, pod warunkiem że komponenty elektrolizerów wytrzymają kontakt z nieoczyszczoną wodą.
Projekt SeaEly, koordynowany przez IWES, realizowano od października 2022 r. do marca 2026 r. w ramach konkursu „Wasserstoffrepublik Deutschland”. Finansowało go niemieckie Federalne Ministerstwo Badań, Technologii i Przestrzeni Kosmicznej (BMFTR), a oprócz instytutów Fraunhofera uczestniczyły w nim m.in. Uniwersytet Techniczny w Berlinie i firma Whitecell Eisenhuth.
Woda morska w elektrolizie stwarza wyzwania
Problem polega na tym, że elektrolizery potrzebują starannie uzdatnionej wody. W procesie elektrolizy woda jest rozdzielana na wodór i tlen za pomocą prądu elektrycznego. Kluczową rolę odgrywa tu membrana, która oddziela dwie komory reakcyjne, a jednocześnie umożliwia transport jonów niezbędnych do zajścia reakcji elektrochemicznej.
Naukowcy zaangażowani w projekt posłużyli się prostą metaforą: membrana działa jak bardzo drobne sito, przez które przedostają się tylko określone jony, a powstające gazy pozostają jak najdokładniej rozdzielone.
Zastosowanie wody morskiej rodzi jednak problemy. Chlorki oraz inne zawarte w niej składniki mogą wywoływać reakcje uboczne, osadzać się na powierzchni elementów, powodować korozję i przyspieszać starzenie się komponentów, co skraca ich żywotność. IFAM opracował więc nowe membrany przeznaczone do elektrolizy nieoczyszczonej wody morskiej.
Aby zbadać to zagadnienie, w IFAM przygotowano stanowisko umożliwiające testowanie różnych elektrolitów i konfiguracji ogniw. Do określenia tempa zużycia materiałów naukowcy wykorzystywali pomiary elektrochemiczne, skaningową mikroskopię elektronową (SEM), spektroskopię rentgenowską z dyspersją energii (EDX), spektroskopię fotoelektronów (XPS) oraz spektrometrię mas jonów wtórnych z analizatorem czasu przelotu (TOF-SIMS).
Równolegle w IWES powstało większe, wielofunkcyjne stanowisko testowe, na którym można porównywać różne technologie elektrolizy (w tym PEM, alkaliczną i AEM) oraz nowo opracowane komponenty z wykorzystaniem wody morskiej lub słonawej. Dzięki temu obiecujące materiały można przenosić z małych ogniw pomiarowych do większych układów.
Projekt zakończył się na etapie badań wykonalności: zbudowano stanowiska testowe, opracowano komponenty i przeprowadzono pierwsze próby. Nie przesądza to jednak, czy technologia sprawdzi się w praktyce. Im mniej czysty elektrolit, tym ważniejsze staje się pytanie, jak długo wytrzymają poszczególne elementy elektrolizera, a odpowiedź mogą dać dopiero wielomiesięczne testy.
Dlatego stanowiska w IFAM i IWES są wykorzystywane także po zakończeniu projektu. Prowadzi się na nich systematyczne, długoterminowe badania starzenia się materiałów, korozji i powstawania osadów oraz wpływu składu elektrolitu na żywotność komponentów. Służą też do badania innych alternatywnych źródeł wody i oceny przydatności komponentów elektrolizerów. Są ponadto dostępne dla projektów przemysłowych i podmiotów zewnętrznych.
Niemcy inwestują w wodór
Niemcy intensywnie rozwijają technologie wodorowe. Przykładem jest budowa instalacji testowej w parku przemysłowym BASF, która posłuży do długoterminowych testów w rzeczywistych warunkach przemysłowych.
Instalacja będzie miała moc 1,3 MW. Zostaną w niej wykorzystane elektrolizery SOEC firmy Sunfire najnowszej generacji, w której pojedynczy moduł osiąga skalę megawatową. Uruchomienie instalacji testowej zaplanowano na 2027 r.
Elektrolizery SOEC (ang. Solid Oxide Electrolysis Cell) to technologia wysokotemperaturowej elektrolizy. Podobnie jak inne elektrolizery rozdzielają wodę na wodór i tlen przy użyciu energii elektrycznej. Różnica polega na tym, że nie pracują na wodzie w stanie ciekłym, lecz na parze wodnej, w temperaturze ok. 850 st. C.
Więcej na ten temat można przeczytać w artykule „Niemcy testują nową generację elektrolizerów do produkcji wodoru”.
Innym przykładem rozwoju sektora wodorowego w Niemczech jest budowa przez EnBW instalacji do produkcji wodoru tuż przy elektrowni wodnej. Instalacja będzie miała moc 5 MW i uzupełni działający od 2023 r. elektrolizer alkaliczny o mocy 1 MW.
W przeciwieństwie do obecnej instalacji, przystosowanej do pracy ciągłej, nowa będzie mogła być elastycznie włączana i wyłączana. Dzięki temu produkcję wodoru będzie można dostosować do bieżącego zapotrzebowania i ilości dostępnej energii.
Oba elektrolizery będzie zasilać pobliska elektrownia wodna o mocy zainstalowanej 38,5 MW. W sąsiedztwie znajdują się również instalacje do magazynowania wodoru oraz infrastruktura sieciowa.
Projekt został szerzej opisany w artykule „Elektrownia wodna zasili produkcję wodoru”.
Marcin Karwowski
marcin.karwowski@gramwzielone.pl
© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy E-Magazyny Sp. z o.o.
Obserwuj nas w Google News
