Jak powstaje wodór? Elektroliza – co to i jak działa?

Elektroliza – co to takiego i gdzie się ją stosuje?

Elektroliza to elektrochemiczna metoda produkcji wodoru. Nie jest już tak nowa, ponieważ została wynaleziona i zastosowana w 1800 roku przez dwóch naukowców, Nicholsona i Carlisle’a, którzy zaobserwowali, że pod wpływem napięcia woda rozpada się na jony. Polega ona na poddaniu wody działaniu energii elektrycznej, w wyniku czego dochodzi do rozpadu cząsteczki wody na wodór i tlen. Taki proces z chemicznego punktu widzenia można zobrazować następująco:

2H2O → 2H2 + O2

Wodór wyprodukowany w procesie elektrolizy cechuje się czystością sięgającą 100%. Zasadniczą przewagą tej metody produkcji wodoru nad innymi jest brak emisji zanieczyszczeń. Ma to ogromne znaczenie dla ochrony środowiska i zabezpieczeniu jego bioróżnorodności. W literaturze często wskazuje się, że konwersja energii elektrycznej na w produkty gazowe wysokiej jakości może być stosowana, jako metoda bilansowania systemu elektroenergetycznego w chwilach nadprodukcji systemów OZE. Dzięki temu można przynajmniej częściowo ograniczyć problem związany z obciążeniem sieci OSD¹.

Elektroliza wodoru – sposób na czystą energię?

Obecnie wodór nie stanowi najpopularniejszego źródła energii, choć stopniowo zyskuje na popularności. Obecnie stosuje się go głównie do zasilania transportu, w przemyśle, sektorze grzewczym i jako sposób na magazynowanie energii z OZE. Do jego produkcji służą tzw. elektrolizery, których można wyróżnić trzy rodzaje²:

1. urządzenia alkaliczne AEC (ang. Alkalyne Electrolysis Cell) To najtańsza i najprostsza metoda pozyskiwana wodoru, niestety niepozbawiona też wad. Modele AEC cechuje długi czas rozruchu i stosunkowo krótka żywotność – spadek wydajności elektrolizy obserwuje się już po około 5 latach,
2. elektrolizery z membraną polimerową PEM (ang. Proton Exchange Membrane), wyróżniają się płynną, stabilną pracą i szybkim rozruchem, choć są droższe, niż AEC,
3. elektrolizery stałotlenkowe SOEC (ang. Solide Oxide Electrolysis Cell), stosowane są głównie do wysoce profesjonalnych zastosowań z uwagi na wysoki zakres temperatur pracy i związaną z tym niską żywotność oraz wysokie ceny.

Pewną wadą elektrolizy jest stosunkowo niska żywotność urządzeń. W przypadku technologii EAC jest to poniżej 100 tysięcy godzin, dla technologii PEM między 10 a 50 tysięcy godzin, zaś SOEC między 10 a 30 tysięcy godzin.

Szacuje się, że do 2050 r., 25% całego wodoru na świecie będzie produkowane właśnie w procesie elektrolizy. Jako ciekawostkę warto wskazać, że wodór może być produkowany również poprzez zgazowanie biomasy. O ile elektroliza jest zeroemisyjna, wykorzystanie biopaliwa wyróżnia się wręcz emisją ujemną, czyli wpływa pozytywnie na środowisko.

Elektroliza wody – co się wytrąca podczas reakcji?

Efekt elektrolizy wody można przedstawić jako prostą zasadę, zgodnie z którą tlen powstaje na anodzie, a wodór na katodzie. Jak to rozumieć?

Anoda to elektroda dodatnia (+). W czasie elektrolizy na anodzie zachodzi reakcja utleniania i w jej wyniku powstaje czysty tlen, jako gaz. Można go wykorzystać w medycynie, ale także w przemyśle, jako utleniacza lub gaz osłonowy. Z kolei na katodzie – elektrodzie ujemnej (-) dochodzi do redukcji jonów wodorowych. W rezultacie powstaje gazowy wodór.

Do przebiegu elektrolizy potrzebny jest elektrolit, czyli płyn, w którego środowisku zachodzi dana reakcja. W zależności od tego, jaki rodzaj elektrolitu wykorzystano, w reakcji chemicznej mogą wydzielić się też inne związki.

Elektroliza wody: reakcja chemiczna i jej przebieg

Elektroliza wody polega na jej dysocjacji – rozbiciu – na pierwiastki tlen i wodór pod wpływem napięcia elektrycznego, które musi wynosić przynajmniej 1,229 V. Choć budowa poszczególnego typu elektrolizerów różni się, sam proces elektrolizy oraz produkty tej reakcji zawsze wyglądają dokładnie tak samo. Sam elektrolizer jest zasilany przez odnawialne źródła energii, np. energię słoneczną lub energię wiatrową. Dzięki temu jest praktycznie bezobsługowy, tani w użytkowaniu i wydajny. Gdyby przyjrzeć się bliżej poszczególnym reakcjom na każdej elektrodzie, wyglądałaby ona następująco:

• na katodzie - 4H+ + 4eˉ → 2H2,
• na anodzie 2H2O → O2 + 4H+ + 4eˉ,
• równanie sumaryczne 2H2O ⇒ 2H2 + O2.

Do elektrolizy używa się wody zdemineralizowanej w ilości niemal 9 litrów na 1 kg uzyskanego wodoru i 8 kg tlenu. Pomimo pozornej nieopłacalności, to nadal elektroliza zużywa o około 40% mniej wody, niż wytwarzanie np. ropy naftowej.

Warto pamiętać, że choć sam wodór może być użytkowany niezależnie od warunków atmosferycznych, wydajność instalacji OZE zależy od wielu czynników i należy ją dobre zaprojektować, aby czerpać pełnią korzyści z rozwiązania.

Jak powstaje wodór? Proces krok po kroku

Do produkcji wodoru na masową skalę używa się tzw. generatorów wodoru. To rozległe i złożone infrastruktury, które wytwarzające wodór z zachowaniem wysokiej efektywności procesu. Składają się one z następujących elementów³:

• komórki elektrolizerów,
• instalacje przygotowania substratów,
• wymienniki ciepła,
• instalacja przygotowania składu elektrolitu, 
• układ regulacji,
• wentylatory,
• separatory,
• pozostałe elementy instalacji,
• pompy obiegowe.

Poszczególne moduły składają się z komórek, w których zachodzi proces elektrolizy. Dzięki generatorom można skupić cały proces w jednym miejscu, a także zwiększyć jego wydajność, dzięki czemu ostatecznie cena surowca maleje. Moc generatorów jest ujednolicona i wynosi 1 MW. W zależności więc od tego, jak dużą instalację trzeba uzyskać, poszczególne bloki łączy się ze sobą.

Elektroliza i co dalej? Jak przechowuje się zielony wodór?

Obecnie za najefektywniejszą metodę przechowywania wodoru uważa się jego sprężenie i przechowywanie w stanie gazowym. Wykorzystuje się do tego specjalne zbiorniki ze stali wysokogęstościowej, które są w stanie wytrzymać nawet kilkaset barów nacisku. Wadą tego rozwiązania jest konieczność utrzymania zbiorników z wodorem w bardzo niskiej temperaturze, poniżej – 250 ⁰C.

Przyszłość zielonego wodoru w Polsce i Europie. Czy jest na co czekać?

Z biegiem czasu elektroliza najprawdopodobniej stanie się główną technologią pozyskiwania zielonego wodoru z uwagi na swoją efektywność i relatywnie niskie koszty technologii. Czy Polska energetyka nadąża za tym trendem?

Polska strategia wodorowa do 2030 r. z perspektywą do 2040⁴ zakłada sześć celów, które mają wyznaczać kierunek zmian w polskim przemyśle energetycznym. Są to:

• wdrożenie technologii wodorowych w energetyce i ciepłownictwie,
• wykorzystanie wodoru jako paliwo alternatywne w transporcie,
• wsparcie dekarbonizacji przemysłu,
• produkcja surowca w nowych instalacjach,
• sprawny i bezpieczny przesył, dystrybucja i magazynowanie wodoru,
• stworzenie stabilnego otoczenia regulacyjnego.

Wykorzystanie wodoru w energetyce staje się celem coraz większej liczby przedsiębiorstw. Z pewnością jest to kierunek prospektywny, który – choć wymaga poczynienia znaczących nakładów finansowych – pozwoli na osiągnięcie znaczących korzyści.