Elektroliza – klucz do gospodarki niskoemisyjnej

Największe elektrolizery na świecie: powrót do przeszłości

Działające obecnie na świecie elektrolizery produkujące wodór z wody i energii odnawialnej mają z reguły niską moc, rzędu kilku megawatów. W lipcu 2021 Shell ogłosił uruchomienie w Kolonii największego w Europie elektrolizera wytwarzającego wodór z OZE. Elektrolizer typu PEM ma moc 10 MW i będzie produkować ok. 1300 zielonego wodoru rocznie. W przyszłości firma planuje dziesięciokrotnie zwiększyć moc urządzenia.

W wyścigu o miano największego elektrolizera startuje również firma Linde, która zamówiła urządzenie dla zakładu w Leuna o mocy 24 MW, ma ono być gotowe w drugiej połowie 2022 roku. Tym, co łączy obydwie inwestycje jest ten sam brytyjski producent – ITM Power, którego zakład w Sheffield zwiększył moce produkcyjne elektrolizerów do 1GW rocznie.

Tymczasem prace nad budową jeszcze większego elektrolizera, napędzanego energią wodną ogłosił Thyssenkrupp. Instalacja, którą zamówił kanadyjski Hydro-Québec, powstanie w Varennes i ma mieć moc 88 MW, co pozwoli na produkcję 11 tys. ton wodoru rocznie. Inwestycja zostanie uruchomiona w 2023 roku.

Czy będzie to największy elektrolizer w historii? Otóż nie. Przez kilkadziesiąt lat urządzenia o jeszcze większej mocy funkcjonowały w Norwegii, korzystając z dostępności dużej ilości taniej energii z hydroelektrowni. Zielony wodór powstawał w elektrolizerze o mocy 167 MW w Rjukan w latach 1940-1988 oraz mocy 135 MW w Glomfjord, w latach 1953-1991. Obydwa dostarczały wodór potrzebny do produkcji nawozów. Producentem elektrolizerów był Nel Hydrogen, nadal jeden z liderów rynku technologii wodorowych.

Najbardziej powszechne i dostępne są elektrolizery alkaliczne oraz polimerowe (proton exchange membrane - PEM). Najsprawniejsze, jednak droższe i na etapie wczesnego rozwoju, są elektrolizery stałotlenkowe (solid oxide electrolyzers – SOEC).

Elektrolizery alkaliczne działają typowo przy temperaturze ok. 80ºC i ciśnieniu roboczym 3 MPa (tj. ok. 30 barów). Zazwyczaj osiągają sprawność ok. 50-70 proc. Technologia jest komercyjnie dostępna, jak również sprawdzona w dużych modułach chociażby w Rjukan i Glomfjord. Pod względem stopnia rozwoju, jest najbardziej zaawansowana i potencjalnie tania, ponieważ nie wymaga stosowania materiałów szlachetnych.

Zaletą elektrolizerów PEM jest prostota konstrukcji, duża elastyczność pracy, wysoka sprawność i szybkie przystosowanie do zmian obciążenia. Ponadto, w stosunku do elektrolizerów alkalicznych ich przewagą jest krótki czas uruchamiania, duża elastyczność pracy w zakresie od 0 do 100 proc. mocy znamionowej oraz możliwość krótkotrwałego przeciążania do 160 proc. Elektrolizery PEM działają przy temperaturze 50-80ºC i ciśnieniu roboczym 3-8 MPa (tj. ok. 30-80 barów). Polimerowa membrana do wymiany protonów jest bezpośrednio połączona z elektrodami pokrytymi katalizatorem. Najbardziej efektywny jest katalizator platynowy chociaż stosowane są również tańsze elektrody z niklu. Do wad PEM należy zaliczyć wysokie nakłady inwestycyjne oraz krótszy okres eksploatacji, wynikający z trwałości elektrolitu.

Trzecia z technologii, SOEC znajduje się jeszcze na etapie badań. Wysoki poziom sprawności: 80-90 proc. zapewnia membrana ceramiczna, zazwyczaj wykonana z tlenku cyrkonu z domieszką tlenku itru. Temperatura elektrolizy wynosi 850-1200 °C, natomiast ciśnienie wynosi 1 bar. Największą wadą tej technologii są wysokie koszty inwestycyjne, niski stopień dojrzałości tej technologii oraz szybka degradacja materiału i jego ograniczona trwałość ze względu na wysokie temperatury pracy. Z powodu wrażliwości materiałów ceramicznych powinny pracować w trybie ciągłym, co nie zawsze jest możliwe w przypadku OZE, które zależą od pogody.

Również w Polsce trwają prace nad rozwojem elektrolizerów. „Polski elektrolizer” we współpracy z Instytutem Energetyki oraz Akademią Górniczo-Hutniczą zamierza uruchomić Grupa Lotos. Pilotażowa instalacja powstanie w Jaśle, w oparciu o elektrolizery stałotlenkowe. Wartość projekt badawczo-rozwojowego „Vetni” wynosi blisko 10 mln złotych. Instalacja będzie zintegrowana z procesem rafineryjnym, który dostarczy parę do produkcji wodoru. Do budowy elektrody powietrznej wykorzystane zostaną nowe materiały, które pozwolą ograniczyć zawartość kobaltu. Instalacja dostarczy ok. 16 kg wodoru o czystości 99,999% na dobę.

Elektroliza – klucz do gospodarki niskoemisyjnej

Największe elektrolizery na świecie: powrót do przeszłości

Na czym polegają korzyści ze stosowania elektrolizerów?