03.11.2021

Naukowcy z AGH opracowują niskoemisyjne technologie produkcji wodoru


Grafika z powielonym tytułem artykułu.

Grafika przedstawia symbol wodoru w otoczeniu białych sześciokątów i wiatraków. Znajdują się na niej również napisy w języku angielskim takie jak: zielony, wodór, odnawialne źródła energii. Na zdjęciu dominują kolory niebieski oraz zielony, a na drugim planie widoczny jest zarys planety z kontynentami.

Wodór jest powszechnie uznawany za paliwo przyszłości, które może pomóc ograniczyć emisję gazów cieplarnianych. Aby jednak energetyka wodorowa miała sens, do produkcji H2 nie może być wykorzystywana energia pochodząca z kopalin.

Zredukowanie śladu węglowego jest obecnie jednym z największych wyzwań stojących przed społeczeństwami krajów rozwiniętych i rozwijających się. Aby zapobiec gwałtownym zmianom klimatycznym, należy m.in. podjąć próby ograniczenia emisji CO2, który to gaz istotnie przyczynia się do globalnego ocieplenia. Jego antropogenicznym źródłem są przede wszystkim procesy przemysłowe wykorzystujące paliwa kopalne, czyli węgiel kamienny, ropę naftową lub gaz ziemny. Dobrą dla nich alternatywą może być wykorzystanie wodoru jako nośnika energii, ponieważ produktem jego spalania są tylko para wodna oraz ciepło. Aby jednak energetyka wodorowa, czy szerzej, technologie wodorowe, miały sens, do wytworzenia H2 nie może być wykorzystana energia pochodząca z kopalin (zarówno w aspekcie ich spalania, jak i przetwórstwa celem produkcji wodoru). Opracowanie efektywnego systemu wytwarzania H2 przy pomocy energii z OZE jest celem konsorcjum zawiązanego przez AGH, Instytut Energetyki i Grupę LOTOS SA. W jego ramach inżynierowie spróbują uczynić produkcję tego nośnika energii bardziej ekologiczną.

Misja: dekarbonizacja

Ograniczenie emisji gazów cieplarnianych do atmosfery to jeden z głównych motywów europejskiej transformacji energetycznej. Środkiem do osiągnięcia tego celu może być oparcie gospodarki na wodorze, który jest postrzegany jako paliwo przyszłości. Takie właśnie założenie stoi u podstaw Polskiej Strategii Wodorowej, wskazującej działania, jakie należy podjąć na rzecz budowy gospodarki niskoemisyjnej. Zgodnie z tym dokumentem, wodór może nie tylko pomóc w zrealizowaniu celów Porozumienia paryskiego w sprawie przeciwdziałania zmianom klimatu, lecz może też zwiększyć konkurencyjność Polski pod względem nowych technologii. Osiągnięcie neutralności klimatycznej w krajowym przemyśle, energetyce oraz transporcie ma się bowiem dokonać poprzez rozwój rodzimych rozwiązań czy patentów. Chodzi przede wszystkim o to, aby opracować zielone i jednocześnie efektywne metody uzyskiwania wodoru o wysokiej czystości.

Odcienie wodoru

Istnieje wiele różnych sposobów produkcji wodoru. Najpopularniejszymi dziś metodami pozyskiwania tego najprostszego pierwiastka jest tak zwany reforming parowy gazu ziemnego, częściowe utlenianie metanu czy też zgazowanie węgla. Nie są to metody ekologiczne, ponieważ opierają się na nieodnawialnych źródłach energii w postaci kopalin, a jednym z produktów ubocznych tych procesów jest CO2. Ze względu na fakt, że emisje tego gazu można bezpośrednio powiązać z efektem cieplarnianym, należy je zatem zminimalizować lub w ogóle wyeliminować. Z tego właśnie powodu wodór otrzymywany wspomnianymi metodami oznacza się powszechnie kolorem szarym, czarnym bądź brązowym, w zależności od tego, czy wykorzystano metan (gaz ziemny), węgiel kamienny czy węgiel brunatny. Jeżeli w danym rozwiązaniu technologicznym prowadzony jest wychwyt dwutlenku węgla, który następnie będzie składowany lub ponownie wykorzystany, to uzyskany w ten sposób H2 można oznaczyć kolorem niebieskim. Najbardziej natomiast pożądanym kolorem wodoru jest odcień zielony.

Grafika przedstawia przezroczysty symbol wodoru na tle żyłek zielonego liścia.Tak zwany zielony, czyli praktycznie rzecz biorąc, zeroemisyjny wodór można uzyskać poprzez elektrolizę wody, a zatem rozdzielanie H2O pod wpływem przyłożonego do niej zewnętrznego napięcia elektrycznego. Ta metoda jest niemal w stu procentach ekologiczna, ale pod warunkiem, że użyta energia elektryczna pochodzić będzie z produkcji wykorzystującej odnawialne źródła, czyli np. energię pochodzącą ze słońca, wiatru lub wody. Żadna z obecnie dostępnych metod elektrolizy, a więc np. w roztworze alkalicznym, przy wykorzystaniu niskotemperaturowych elektrolizerów z membranami polimerowymi, czy wreszcie ta prowadzona w elektrolizerach wysokotemperaturowych, nie jest na dzień dzisiejszy tak popularna czy szeroko stosowana. Metody te są droższe oraz mniej efektywne w porównaniu np. do reformingu parowego gazu ziemnego. Naukowcy pracują jednak na tym, aby uczynić proces elektrolizy bardziej wydajnym, stabilnym i tańszym. Taki cel obrali sobie inżynierowie prowadzący prace w ramach konsorcjum naukowo-wdrożeniowego, będącego wspólną inicjatywą Grupy LOTOS SA, Instytutu Energetyki i AGH, którą reprezentuje m.in. prof. dr hab. inż. Konrad Świerczek z Wydziału Energetyki i Paliw.

– Wodór jest obecnie uważany za bardzo atrakcyjny nośnik energii, który może stanowić podstawę transformacji energetycznej. Pierwiastek ten ma bardzo interesujące właściwości fizykochemiczne, część z nich jest bardzo pożądana z punktu widzenia praktycznego zastosowania H2. Ponadto, technologie wodorowe wydają się stanowić doskonałe uzupełnienie technologii bazujących na OZE, niwelując ich negatywne cechy, np. dobowe czy sezonowe wahania poziomu produkcji energii z farm fotowoltaicznych lub wiatrowych. W przypadku nadmiaru energii pochodzącej na przykład ze Słońca, można ją wykorzystać do wytworzenia wodoru, a więc zamienić energię elektryczną (której nie można oddać do sieci) na energię chemiczną zmagazynowanego H2. Stąd też właśnie próba wykorzystania OZE do produkcji wodoru metodą elektrolizy wysokotemperaturowej – twierdzi prof. Konrad Świerczek, kierownik zespołu badaczy ze strony AGH.

Kryptonim: VETNI

Nowo powołane konsorcjum otrzymało dofinansowanie z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju na realizację projektu badawczo-rozwojowego o nazwie VETNI oznaczającej w języku islandzkim wodór. Jego celem jest wypracowanie innowacyjnych rozwiązań produkcji tego pierwiastka przez elektrolizer stałotlenkowy (SOE), który będzie zasilany przy użyciu OZE i zostanie zintegrowany z istniejącą instalacją przemysłową, dostarczającą parę wodną do systemu. Działania obejmą opracowanie, budowę oraz badania przemysłowe wysokosprawnej instalacji do produkcji wodoru, która ma m.in. umożliwić zredukowanie nakładów energetycznych o ok. 30% w porównaniu do elektrolizerów niskotemperaturowych, funkcjonujących na rynku. Szacuje się, że urządzenie powinno wyprodukować 16 kg H2 w ciągu doby, co umożliwiłoby zatankowanie wodorem kilku samochodów.

Na pierwszym planie grafiki znajduje się stacja do tankowania wodoru z niebieskim napisem hydrogen. W tle widać panele fotowoltaiczne odbijające światło słoneczne.VETNI ma trzy istotne aspekty ekologiczne. Po pierwsze, bardzo ważne jest, że energia przeznaczona do zasilania elektrolizera będzie pochodziła z OZE, dzięki czemu wytworzony wodór będzie zielony, a więc praktycznie pozbawiony śladu węglowego. Po drugie, do budowy systemu zostanie wykorzystana istniejąca instalacja w Jaśle, należąca do Grupy LOTOS SA (LOTOS Infrastruktura). W instalacji tej jest dostępna technologiczna para wodna, która zasilać będzie elektrolizer. Po trzecie wreszcie, inżynierowie z Wydziału Energetyki i Paliw oraz Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki podejmą pracę nad udoskonaleniem materiału anody (elektrody tlenowej elektrolizera), także w zakresie ograniczenia użycia toksycznego oraz kosztownego kobaltu. Związki typowo wykorzystywane do konstrukcji anody elektrolizerów SOE zawierają dość dużą ilość tego pierwiastka. Badacze spróbują zatem zmodyfikować i ulepszyć elektrolizer stałotlenkowy, opracowany i rozwinięty uprzednio przez Instytut Energetyki, który już dzisiaj z powodzeniem stosowany jest w instalacjach dostarczanych dla branży paliwowo-energetycznej.

– Liderem w zakresie technologii elektrolizerów wysokotemperaturowych jest Instytut Energetyki – Instytut Badawczy. W opracowanym przez Partnera rozwiązaniu stosowany jest materiał anodowy, który jednak zawiera kobalt, a więc pierwiastek, od którego odchodzi się obecnie w wielu technologiach bateryjnych czy ogniw paliwowych. Oczywiście, opracowane rozwiązanie konstrukcyjne elektrolizera w pełni wykorzystamy, zamieniając jednak materiał elektrody tlenowej na taki, który powinien, po pierwsze, zwiększyć aktywność elektrokatalityczną oraz poprawić długoczasową stabilność pracy elektrolizera, a po drugie, umożliwić eliminację kobaltu, którego nie chcemy wykorzystywać. Naszym krokiem docelowym będzie ograniczenie zawartości tego toksycznego pierwiastka o min. 50% i podmienienie go poprzez dodatek obojętnej środowiskowo miedzi. Warto podkreślić, że pomysł modyfikacji miedzią materiałów elektrodowych pojawił się w realizacji pracy doktorskiej dr inż. Anny Niemczyk z Wydziału Energetyki i Paliw, która jest obecnie pracownikiem Instytutu Energetyki. Ciekawe wyniki uzyskane w trakcie realizacji doktoratu mogą zatem znaleźć obecnie praktyczne zastosowanie i być przedmiotem wdrożenia – opowiada prof. Konrad Świerczek.

Praktyczne zastosowania

Wielką zaletą projektu VETNI, realizowanego w ramach powstałego konsorcjum, są jego przyszłe potencjalne zastosowania i próba wdrożenia opracowywanej instalacji. Wyprodukowany zielony wodór o wysokiej czystości z powodzeniem mógłby zostać wykorzystany jako paliwo do napędzania pojazdów lub urządzeń przemysłowych. Jest to też jedna z pierwszych inicjatyw, która ma na uwadze praktyczne urzeczywistnienie postulatów Polskiej Strategii Wodorowej. AGH jako wiodący uniwersytet techniczny wypełnia więc zobowiązania wobec gospodarki, dostarczając użyteczną wiedzę, mającą istotny wpływ na dynamiczny postęp technologiczny. Warto też nadmienić, na co zwraca uwagę prof. Konrad Świerczek, że projekt ten znakomicie wpisuje się w plan działań uczelni na rzecz zrównoważonego rozwoju i wykorzystania rodzimych rozwiązań technicznych.

– Celem tego projektu jest przede wszystkim pokazanie, że posiadamy niskoemisyjne metody produkcji wodoru o wysokiej czystości i te nasze polskie rozwiązania działają bardzo dobrze zarówno od strony konstrukcyjnej, jak i materiałowej. Niewątpliwą zaletą realizacji projektu jest także pokazanie, że możliwa jest – w moim przekonaniu, bez żadnych problemów – owocna współpraca pomiędzy uczelnią badawczą, instytutem badawczym, a także bardzo dużym przedsiębiorstwem – przekonuje prof. Konrad Świerczek.