Wodór i alternatywne źródła energii Doświadczenie inżynieryjne z pierwszej ręki

Ogólnie elektrolizer jest urządzeniem do separowania, rozbijania i przekształcania materiału lub cząsteczki (reakcja redoks) przy pomocy energii elektrycznej. W elekrolizerze cząsteczki wody (H₂O) są przekształcane na cząsteczki wodoru (H₂) oraz cząsteczki tlenu (O₂).

Bieżąca reakcja następuje w ogniwach elektrochemicznych pod napięciem ok. 1,4 V. Ze względów praktycznych wiele tych ogniw (elektryczne połączenie szeregowe) jest spiętrzonych w stosy. Cały sprzęt peryferyjny wokół ogniw elektromechanicznych mieści się w ramach definicji „bilansu zakładowego”.

Bilans zakładowy (BOP) to termin ogólnie stosowany w połączeniu z technologią energii. Odnosi się do wszystkich komponentów wspomagających i systemów pomocniczych wymaganych do przekształcania energii, z wyjątkiem jednostki generującej lub jednostki przekształcania.

W przypadku elektrolizerów oznacza do zarządzanie energią (transformatory, inwertery, kontrolery zasilania itd.), zarządzanie cieczą i gazem (kondycjonowanie wody, oddzielanie faz cieczy i gazu, suszenie gazu, sprężanie gazu) oraz zarządzanie termiczne (systemy chłodzące do elektroniki zasilania, suszenia stosów i kondensacji).

Ogniwo paliwowe składa się z dwóch elektrod – anody (strona wodoru) i katody (strona powietrza). Obydwie elektrody są oddzielone elektrolitem. W ogniwie paliwowym PEM jest to półprzepuszczalna membrana, która jest przepuszczalna tylko dla protonów.

Wodór jest doprowadzany do anody. Następnie jest rozdzielany na protony i elektrony przy pomocy katalizatora (z reguły platyna). Protony migrują następnie przez membranę do katody. Elektrony przepływają do katody przez odbiornik elektryczny i dostarczają energię elektryczną. W katodzie protony i elektrody łączą się z tlenem z powietrza otoczenia i tworzą wodę.

Pojęcie „ogniwo elektromechaniczne” to termin nadrzędny dla różnych typów ogniw, takich jak ogniwa elektrolizy, ogniwa akumulatora, ogniwa baterii lub ogniwa galwaniczne. Te typy ogniw mogą być czasami odwracalne, jak ogniwa akumulatora. Można je ładować i rozładowywać, co oznacza, że mogą przekształcać energię elektryczną na energię chemiczną i uwalniać ją ponownie jako energię elektryczną. Ponadto niektóre typy ogniw elektrolizy mogą być używane jako ogniwa paliwowe. To oznacza, że przekształcenie wodoru i tlenu na wodę uwalnia energię elektryczną i ciepło.

Ogniwa elektrolizy i ogniwa paliwa składają się z płyt dwubiegunowych, elektrod i w zależności od technologii od warstw dyfuzji gazu (GDL) oraz membran. W przypadku stosowania „membran wymiany protonów/anionów” (PEM/AEM), są one często połączone bezpośrednio z elektrodami i nazywa się je „zespołem wymiennym membrany” (MEA).

Zespół elektrody membrany (MEA) może być interpretowany na więcej niż jeden sposób. W niektórych przypadkach rozumie się to tylko jako membrana z warstwami katalizatora, powleczonymi na niej (na jednej stronie dla reakcji katodowej; na drugiej stronie dla reakcji anodowej). Jednak często dołączone są warstwy dyfuzji gazu, ponieważ musi być ona przewodząca elektrycznie.

W zależności od technologii membrana składa się z różnych polimerów lub cerami, gdzie każda może selektywnie transportować protony, aniony (np. aniony wodorotlenków = OH) lub tlen. Warstwy dyfuzji gazu służą do transportowania wytworzonych gazów (elektroliza), a w szczególności stosowanych gazów (ogniwa paliwowe) jak najbardziej jednolicie od lub do stron reakcji (warstwy katalizatora). Te gazy są wyprowadzane z lub do ogniw elektrochemicznych przez kanały w płytach dwubiegunowych.

Płyty dwubiegunowe instalowane w konfiguracji stosu lub wielu ogniw są przede wszystkim odpowiedzialne z połączenie fizyczne i elektryczne anody z jednego ogniwa z katodą sąsiedniego ogniwa. Płyty dwubiegunowe są również odpowiedzialne za prowadzenie gazów reakcyjnych do strefy reakcji. Dla tego celu profile przepływu (pola przepływu) są frezowane lub prasowane na płyty z dwóch stron, przez które wodór przepływa po jednej stronie, a powietrze jest doprowadzane po drugiej.

Płyta dwubiegunowa składa się z dwóch biegunów pojedynczego ogniwa paliwa: płyta anodowa transportująca wodór (biegun ujemny (-)) i płyta katodowa (biegun dodatni (+)) do doprowadzania powietrza reakcji. Płyty regulują również usuwanie oparów wody oraz wyjście energii termicznej oraz elektrycznej. W ogniwach elektrolizy są one głównie stosowane do chłodzenia elektrolizera, dostarczania gazów reakcji do strony anody oraz usuwania wodoru i gazów wyprodukowanych w reakcji.

W elektrolizie i technologii ogniw paliwowych stos jest stosem ognie elektrochemicznych połączonych seryjnie, w tym z elementami obudowy/ramy/zacisków. Połączenie szeregowe umożliwia zwiększenie napięcia zasilającego i zredukowanie natężenia przy takim samym zużyciu mocy zgodnie z P=U*I. Niezależnie od tego połączenie szeregowe w stosie upraszcza również ogólną konstrukcję systemu.

Wodór gazowy może być przechowywany w zbiorniku do sprężeniu pod wysokim ciśnieniem. W czasie transportu na przykład uznaje się poziom ciśnienia 350 barów dla pojazdów użytkowych i 700 barów dla samochodów. Przy 700 barach gęstość wynosi ok. 40 kg/m³ (24 kg/m³ przy 350 barach). Akumulatory wysokiego ciśnienia oferują niskokosztowe rozwiązanie do przechowywania małych ilości i dlatego są głównie używane w zastosowaniach mobilnych, jak samochody i pojazdy użytkowe.
Obecnie na rynku są cztery różne typu pojemników ciśnieniowych:

• Typ 1: pojemnik ciśnieniowy składa się tylko ze ściany metalowej (z reguły stali). Ciśnienia znamionowe mieszczą się w zakresie 200 barów.
• Typ 2: oprócz metalowej ściany, pojemniki ciśnieniowe mają powłokę wykonaną ze szkła impregnowanego żywicą lub włókna węglowego o ciśnieniu znamionowym do 1000 barów.
• Typ 3: zbiorniki mają podkładkę wykonaną z metalu (z reguły aluminium) oraz powłokę wykonaną z włókna węglowego wokół całego zbiornika. Ciśnienia znamionowe z reguły to 350 lub 700 barów.
• Typ 4: Akumulatory mają podkładkę wykonaną z plastiku (z reguły poliamid lub polietylen), w powłoka jest wykonana z włókna węglowego, jak typem 3 pojemnika. Ciśnienia znamionowe zasadniczo to 350, 500 lub 700 barów.

W porównaniu do przechowywania wodoru gazowego, wodór ciekły jako paliwo oferuje zalety pod względem gęstości energii (71 kg/m³). Ciśnienie w zbiorniku może być również utrzymywane na niskim poziomie. Ma to korzystny wpływ na system zbiorników pod względem ciężaru zbiornika do przechowywania oraz wymaganych sprzętów, koszty (zwłaszcza dla dużych objętości składowania) i bezpieczeństwo.

Koszty produkcji wodoru kriogenicznego (-253°C) nie są jednak istotne. Wodór rozgrzewa się również, jeśli nie jest stale chłodzony. Powoduje to zwiększenie ciśnienia w zbiorniku. Może po powodować straty „skroplone”. Inaczej mówiąc, wodór gazowy jest wywiewany do środowiska.

Silnik wodorowy to silnik gazowy działający na gazowym wodorze zamiast paliwa w cieczy (np. silnik wysokoprężny i benzyna). Są silniki tylko na wodór, zasilane przez czysty wodór. Są również silniki wodorowe dwupaliwowe, zasilane mieszanką paliwową wodoru i innych gazów (jak metan i gaz ziemny).

Silnik wodorowy jest traktowany jako alternatywna dla ogniwa paliwowego, ponieważ istniejące silniki spalinowe mogą być przekształcane przy względnie niewielkich nakładach technicznych. Badania wykazują jednak, że korzyści kosztowe znacznie się zmniejszą po przyspieszeniu w ogniach paliwowych. Ponadto silniki wodorowe mają problemy z niską wydajnością, większymi wymaganiami konserwacji oraz określeniem, że nie są w 100% neutralne pod względem śladu węglowego.

„Pojazdy elektryczne z ogniwem paliwowym” (FCEV) są zasilane wyłącznie silnikiem elektrycznym jak „pojazdy elektryczne z akumulatorem” (BEV).

Inaczej niż w przypadku BEV wymagana energia elektryczna nie jest dostarczana przez duży akumulator napędowy (znany jako akumulator trakcyjny). Zamiast tego jest udostępniana przez przekształcanie energii chemicznej z alternatywnych źródeł energii na energię elektryczną - co umożliwia ogniwo paliwowe.

Obecnie ogniwa paliwowe nie są jeszcze konstruowane do tak szybkich i długich zmian obciążenia jak w silnikach spalinowych. Z tego powodu instalowany jest również (mały) akumulator napędowy, zasilany przy niskim obciążeniu i dostarczający dodatkową energię przy wysokim obciążeniu. Pozwala to na użytkowanie ogniwa paliwowego przy względnie stały obciążeniu, kiedy FCEV jest napędzany.

Elektrownie z ogniwami paliwowymi (FCPP), kogeneracyjne (CHP) oraz kogeneracyjne z ogniwem paliwowym (FC-CHPPP) zachwycają ogólnie wysokim poziomem wydajności. W zależności od zastosowaniem technologii ogniwa paliwowego wydajność elektryczna wynosi obecnie około 30-60%. Ogólna wydajność może przekraczać 95%, ponieważ elektryczność i ciepło są generowane bezpośrednio z reakcji elektrochemicznej bez dalszych kroków przekształcania.

Elektrownie z ogniwami paliwowymi dotychczas były projektowane głównie w zakresie mocy od 10 kw do 3 MW. Jednak w ostatnich latach rozwój w zakresie niskiej mocy skierował się na mikro i nano ogniwa paliwowe z kogeneracją z mocą elektryczną wyjściową 0,3-1,5 kW oraz mocą termiczną wyjściową 0,6-2,0 kW dla domów jednorodzinnych i bliźniaków. W górnym zakresie mocy elektrownie z około 80 MW już zostały uzyskane i ten trend będzie się zwiększał w nadchodzących latach ze względu na konstrukcje modułowe.

Power-to-X (zwany również PtX lub P2X) odnosi się do wykorzystania nadwyżki elektryczności z innych energii odnawialnych, aby pomóc każdemu rodzajowi technologii. Na przykład te nadwyżki można przechowywać bezpośrednio w akumulatorach (moc na moc), przekształcone na ciepło (moc na ciepło) lub stosowane do wytwarzania chemicznych źródeł energii (moc na gaz, moc na ciecz).

Jeśli elektryczność z nadwyżki jest stosowana do wytwarzania chemicznych źródeł energii, często wprowadzane są inne rozróżnienia (e.g. moc na wodór, moc na gaz syntetyczny, moc na amoniak, moc na paliwo).

Amoniak (NH3) jest związkiem chemicznych azotu i wodoru, który występuje w postaci gazu w normalnych warunkach. Od czasu nawożenia azotem przez Justusa Liebiga (około 1840) jest to jeden z najważniejszych podstawowych środków chemicznych. Jednak do czasu zastosowania procesu Habera Boscha na skalę przemysłową w firmie BASF w Ludwigshafen około 1913 roku możliwy był znaczny wzrost produkcji rocznej. Obecnie amoniak jest jednym z najczęściej produkowanych środków chemicznych (146,5 mln ton w 2021 roku, z czego 80% to nawozy) i stanowi podstawę wszystkich innych związków azotu.

W odniesieniu do rozwoju zrównoważonej ekonomii wodorowej można oczekiwać dalszego wzrostu rocznej produkcji amoniaku. Powód: lepsze przystosowanie do transportu i przechowywania niż sam wodór.

Ze względu na raczej niską temperaturę wrzenia -33°C, znacznie łatwiej i taniej jest upłynnić amoniak w porównaniu do wodoru (temperatura wrzenia -252°C). Wyższa pojemnościowa wartość energii amoniaku w porównaniu do wodoru (3,2 kWh/l w porównaniu do 2,8 kWh/l) jest również bardzo istotna, zwłaszcza w logistyce transportu.