Postępująca transformacja energetyczna zakłada dążenie do wytwarzania energii w sposób nisko- lub zeroemisyjny. Jedną z prężnie rozwijanych technologii są ogniwa paliwowe wykorzystujące wodór. Aby jednak można było go uznać za ekologiczne źródło energii, niezbędne jest, aby zarówno wytworzenie go, jak i użytkowanie, nie wiązało się z emisją szkodliwych substancji. Uzyskanie wodoru w taki sposób umożliwia proces elektrolizy wody. Jeżeli jego przeprowadzenie nie wiąże się z żadnymi emisjami, to wytworzony w ten sposób gaz nazywany jest zielonym wodorem.
Na czym polega elektroliza wody?
Elektroliza to każdy proces, w którym w wyniku przepływu prądu elektrycznego przez substancję zachodzą w niej zmiany struktury chemicznej. Elektroliza wody polega na rozkładzie jej na jony (dysocjacji) pod wpływem napięcia wynoszącego minimum 1,229 V. Na katodzie zachodzi wtedy reakcja redukcji:
2H2O + 2eˉ → H2 + 2OHˉ
Powstaje w niej wodór oraz jony OH–. Na anodzie z kolei następuje utlenianie:
2H2O → O2 + 4H+ +4eˉ
Jej wynikiem jest powstawanie cząsteczkowego tlenu i jonów wodoru oraz elektronów.
Aniony OH– łączą się z kationami H+. Po pomnożeniu reakcji katodowej przez 2 dla uzgodnienia liczby elektronów i jonów równanie sumaryczne reakcji wygląda następująco:
2H2O → 2H2 + O2
Historia elektrolizy wody
W roku 1800 Nicholson i Carlisle odkryli zjawisko rozpadu wody na jony pod wpływem przyłożonego napięcia. Sto lat później działało już ponad 400 przemysłowych elektrolizerów. W roku 1939 działanie rozpoczął pierwszy duży zakład wytwarzający 10 000 normalnych metrów sześciennych wodoru na godzinę. W kolejnych dziesięcioleciach pojawiały się różne technologie: stały elektrolit polimerowy (SPE), stały tlenek, elektrolizer alkaliczny oraz membrany do wymiany protonów (PEM). Obecnie te technologie są udoskonalane, a laboratoria wciąż testują nowe sposoby elektrolizy wody.
Technologie elektrolizy wody
Elektrolizer alkaliczny
W elektrolizerze alkalicznym katoda i anoda znajdują się w wodzie. Ponieważ czysta woda nie jest dobrym przewodnikiem, dodaje się do niej kwasy lub zasady, zazwyczaj H2SO4, KOH lub NaOH. Aby zapobiec ponownemu łączeniu się cząsteczek tlenu i wodoru w wodę, między elektrodami umieszcza się separator, zazwyczaj porowaty materiał nasycony elektrolitem, przewodzący jony. Możliwa jest konfiguracja elektrod pozostawiająca kilkumilimetrowy odstęp od separatora, lub taka, w której przylegają one ściśle do separatora. W pierwszym wypadku osiągalna gęstość prądu jest ograniczona do kilkuset miliamperów na cm2 ze względu na to, że powstające pęcherzyki gazu tworzą na powierzchni elektrod rezystywną warstwę. W przypadku elektrod przylegających ściśle do separatora możliwe jest osiągnięcie większych gęstości prądu, ponieważ gaz powstaje po drugiej stronie elektrod. Efektywność ogniwa zależy od gęstości prądu, jednak im jest ona wyższa, tym większe są koszty operacyjne. Z tego powodu wartość tego parametru dobierana jest w wyniku kompromisu.
Alkaliczna elektroliza wody jest dojrzałą technologią. Istnieją elektrolizery wytwarzające nawet 60 kg wodoru na godzinę. Ze względu na dostatecznie długi czas życia można powiedzieć, że ich wykorzystanie jest efektywne ekonomicznie. Jednak elektrolizery alkaliczne nie wykazują się elastycznością w podążaniu za zmienną charakterystyką pracy źródła. Tymczasem jest to warunek konieczny współpracy ze źródłami niesterowalnymi, do których należą OZE, silnie zależne od warunków pogodowych.
Elektrolizery z polimerową membraną elektrolityczną (PEM)
Elektrolizery PEM (ang. polymer electrolyte membrane lub proton exchange membrane) różnią się od opisanej powyżej technologii elektrolizerów alkalicznych rodzajem użytego elektrolitu. W tym przypadku jest to stały polimer. W takim elektrolizerze wykorzystuje się tylko zdejonizowaną wodę, bez dodatkowego elektrolitu. Elektrody przylegają ściśle do elektrolitu tworzącego rozdzielającą membranę. Podczas elektrolizy na anodzie wytwarzany jest tlen oraz jony wodorowe czyli protony. Te ostatnie są transportowane przez membranę i na katodzie łączą się z elektronami, tworząc wodór.
Wykorzystanie technologii PEM do elektrolizy wody ma szereg zalet, do których należy możliwość osiągnięcia wysokiej gęstości prądu oraz sprawności, a dodatkowo użycie zdejonizowanej wody pozwala na uzyskanie wodoru o wysokim poziomie czystości. Ich wady stanowią jednak wysokie koszty materiałów, z których się składają, i konieczność używania wody o wysokiej czystości, której uzyskanie również jest kosztowne.
Wysokotemperaturowa elektroliza pary wodnej
Przeprowadzanie elektrolizy w wysokiej temperaturze jest efektywne ze względu na mniejszą ilość energii elektrycznej, jaka jest do niego potrzebna. Ciepło potrzebne do zwiększenia temperatury do odpowiedniego poziomu może być uzyskane ze źródeł odnawialnych lub być ciepłem odpadowym z elektrowni jądrowych czy z dowolnego wysokotemperaturowego procesu.
Wysokotemperaturowa elektroliza pary wodnej odbywa się zazwyczaj w temperaturze 750-950°C. Dzięki wysokiej energii termicznej energia elektryczna wykorzystywana w tym procesie jest mniejsza o ok. 35% w porównaniu z elektrolizą przeprowadzaną w niskiej temperaturze. Dodatkowo sprawność elektrolizy wysokotemperaturowej jest bardzo wysoka (sięga 100%). Jednak jest to stosunkowo nowa technologia, wymagająca jeszcze wielu badań, aby jej wykorzystanie mogło stać się opłacalne.
Perspektywy elektrolizy wody
Elektroliza wody umożliwia uzyskanie wodoru o bardzo wysokiej czystości. Pod warunkiem wykorzystania energii źródeł odnawialnych może ona też pomóc w dekarbonizacji, wytwarzając zielony wodór. Najstarszą i najbardziej rozwiniętą technologię stanowi elektroliza alkaliczna, jednak są z nią związane ograniczenia powodujące, że naukowcy wciąż poszukują lepszych metod. Technologie PEM oraz elektrolizy wysokotemperaturowej są nieustannie udoskonalane, jak również pojawiają się nowe. Przewiduje się, że w najbliższej przyszłości elektroliza wody będzie stawała się coraz powszechniejszą metodą zdecentralizowanej produkcji wodoru. W dążeniu do dekarbonizacji zielony wodór może stać się znaczącym źródłem energii.