Obecnie najbardziej komercyjnie rozwinięta technologia produkcji wodoru dostępna jest z elektrolizy. Elektroliza jest optymistycznym kierunkiem działań dla bezemisyjnej produkcji wodoru z zasobów odnawialnych i jądrowych. Elektroliza wody to rozkład wody (H2O) na jej podstawowe składniki, wodór (H2) i tlen (O2), poprzez przepływający prąd elektryczny. Woda jest kompletnym źródłem do produkcji wodoru, a jedynym produktem ubocznym uwalnianym podczas procesu jest tlen. Proces ten wykorzystuje energię elektryczną, która może być następnie przechowywana jako energia chemiczna w postaci wodoru.
Na czym polega ten proces?
Aby wyprodukować wodór, elektroliza przekształca energię elektryczną w energię chemiczną poprzez magazynowanie elektronów w stabilnych wiązaniach chemicznych. Podobnie jak ogniwa paliwowe, elektrolizery składają się z anody i katody, oddzielonych od siebie wodnym elektrolitem, w zależności od rodzaju materiału elektrolitowego i gatunków jonów, które przewodzi. Elektrolit jest elementem obowiązkowym, ponieważ czysta woda nie ma zdolności przenoszenia wystarczającego ładunku, gdyż nie zawiera jonów. Na anodzie woda jest utleniana do postaci tlenu i jonów wodorowych. Natomiast na katodzie woda jest redukowana do gazowego wodoru i jonów wodorotlenkowych. Obecnie istnieją trzy wiodące technologie elektrolizy.
Elektrolizery alkaliczne (AEL)
Technologia ta jest stosowana na skalę przemysłową od ponad 100 lat. Elektrolizery alkaliczne działają poprzez transport jonów wodorotlenkowych (OH-) przez elektrolit z katody do anody, przy czym wodór jest generowany po stronie katody. Pracując w temperaturze 100°-150°C, elektrolizery wykorzystują jako elektrolit ciekły alkaliczny roztwór wodorotlenku sodu lub potasu (KOH). W tym procesie anoda i katoda są oddzielone za pomocą membrany, która zapobiega ponownemu mieszaniu się. Na katodzie woda jest dzielona naH2 i uwalnia aniony wodorotlenkowe, które przechodzą przez membranę i rekombinują na anodzie, gdzie wytwarzany jest tlen. Ponieważ jest to technologia o ugruntowanej pozycji, koszt jej produkcji jest stosunkowo niski, jak również zapewnia ona długotrwałą stabilność. Jednakże, ma ona zwrotnicę w gazach, co może naruszać jej stopień czystości i wymaga użycia korozyjnego ciekłego elektrolitu.
Elektrolizery z membranami polimerowo-elektrolitowymi (PEM)
Membrana polimerowo-elektrolitowa to najnowsza technologia wykorzystywana komercyjnie do produkcji wodoru. W elektrolizerze PEM elektrolit jest stałym, specjalistycznym tworzywem sztucznym. Elektrolizery PEM pracują w temperaturze 70°-90°C. W tym procesie woda reaguje na anodzie, tworząc tlen i dodatnio naładowane jony wodorowe (protony). Elektrony przepływają przez obwód zewnętrzny, a jony wodorowe selektywnie przemieszczają się przez PEM do katody. Na katodzie jony wodoru łączą się z elektronami z obwodu zewnętrznego, tworząc gazowy wodór. W porównaniu z AEL ma kilka zalet: czystość gazu jest wysoka przy pracy z częściowym obciążeniem, konstrukcja układu jest zwarta i charakteryzuje się szybką reakcją systemu. Jednak koszt podzespołów jest wysoki, a trwałość niska.
Elektrolizery ze stałymi tlenkami (SOE)
Elektrolizery AEL i PEM są znane jako niskotemperaturowe (LTE). Natomiast elektrolizery na bazie tlenków stałych (SOE) znane są jako elektrolizery wysokotemperaturowe (HTE). Technologia ta jest nadal w fazie rozwoju. W SOE, stały materiał ceramiczny jest używany jako elektrolit, który przewodzi ujemnie naładowane jony tlenu (O2-) w podwyższonej temperaturze, generuje wodór w nieco inny sposób. W temperaturze około 700°-800°C para wodna na katodzie łączy się z elektronami z obwodu zewnętrznego tworząc gazowy wodór i ujemnie naładowane jony tlenu. Jony tlenu przechodzą przez stałą membranę ceramiczną i reagują na anodzie, tworząc gaz tlenowy i generując elektrony dla obwodu zewnętrznego. Zaletą tej technologii jest to, że łączy w sobie wysoką sprawność cieplną i energetyczną, jak również produkuje niskie emisje przy stosunkowo niskim koszcie. Chociaż, ze względu na wysokie zapotrzebowanie na ciepło i moc, czas rozruchu trwa dłużej.
Dlaczego wodór jest uważany za paliwo alternatywne?
Zgodnie z ustawą o polityce energetycznej z 1992 r. wodór jest uznawany za paliwo alternatywne. Wodór produkowany w procesie elektrolizy może przyczyniać się do zerowej emisji gazów cieplarnianych, w zależności od źródła wykorzystywanej energii elektrycznej. Technologia ta jest wykorzystywana w połączeniu z energią odnawialną (wiatrową, słoneczną, wodną, geotermalną) i jądrową, aby umożliwić praktycznie zerową emisję gazów cieplarnianych i innych zanieczyszczeń. Ten rodzaj produkcji będzie jednak wymagał znacznego obniżenia kosztów, aby mógł być konkurencyjny w stosunku do bardziej zaawansowanych metod opartych na węglu, takich jak reforming gazu ziemnego. Istnieje możliwość synergii z wytwarzaniem energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii. Produkcja paliwa wodorowego i energii elektrycznej mogłaby być rozproszona i zlokalizowana przy farmach wiatrowych, co pozwoliłoby na elastyczne dostosowanie produkcji do dostępności zasobów, potrzeb operacyjnych systemu i czynników rynkowych.
