Najprej malce teorije in napovednik izdelave.
KAJ JE ELEKTROLIZE VODE?
- Gre za kemijski proces, pri katerem se električna energija uporablja za razgradnjo molekul vode (H₂O) na vodik (H₂) in kisik (O₂). Proces poteka v generatorju vodika, ki vsebuje anodo in katodo.
- Vodik, pridobljen z elektrolizo vode, je čist energent, ki pri izgorevanju sprošča le vodo, s čimer zmanjšuje emisije toplogrednih plinov. Vodik se lahko uporablja v gorivnih celicah za pogon vozil ali za proizvodnjo elektrike in toplote.
- Proizvedeni kisik se kot “stranski produkt” običajno sprošča v ozračje, lahko pa se tudi uporabi v industrijske namene, medicini ali čiščenju odpadnih voda. Elektroliza je torej čista energija brez odpadnih snovi in CO₂ + vse je uporabno.
ČISTA ENERGIJA BREZ CO₂
- Vir energije za elektrolizo so lahko tudi obnovljivi viri energije kot so sončna, vetrna ali hidroenergija, ki oskrbujejo generatorje vodika z električno energijo in tako omogočimo popolnoma trajnostno proizvodnjo zelenega vodika.
- Elektroliza vodika omogoča prehod od fosilnih goriv k sistemu, kjer lahko energijo shranjujemo in uporabljamo brez onesnaževanja. Pri tem pa uporabljamo najpogostejšo snov na planetu – vodo.
- Uporaba vodika kot energenta ni le tehnologija, ampak pot k čistejšemu, bolj neodvisnemu in trajnostnemu načinu življenja za prihodnje generacije. Izzivi so še, a tehnologija hitro napreduje in postaja vedno bolj dostopna.
Zeleni vodik. Pomemben predpogoj za elektrolizo vodika je upoštevanje trajnostnih standardov. Če želimo zagotoviti proizvodnjo vodika brez CO2 mora električna energija za elektrolizo prihajati iz obnovljivih virov energije. Zajamčiti je treba tudi trajnostno oskrbo z vodo brez vplivov na lokalno oskrbo s pitno vodo ali namakanje v kmetijstvu.
Osnovno načelo elektrolize je razdelitev vode na kisik in vodik s pomočjo električne energije. Cepljenje poteka v dveh deljenih reakcijah, ki potekata na dveh elektrodah – katodi (-) in anodi (+) – v elektrolizni celici generatorja vodika. V praksi so generatorji sestavljeni iz več med seboj povezanih celic za elektrolizo, v sklade. Ko priključimo napetost se na katodi proizvaja vodik, na anodi pa kisik.
Med obema reakcijama poteka izenačitev naboja v obliki ionske prevodnosti preko elektrolita (ki je električno prevodna snov). Dodamo lahko membrano, ki prostorsko loči obe reakciji in prepreči mešanje nastalih plinov. Tako ionski naboj kot vrsta elektrolita se razlikujeta pri različnih tehnologijah elektrolize.
Uporabimo lahko osnovno alkalno elektrolizo (AEL), elektrolizo s protonsko izmenjalno membrano (PEM) in elektrolizo s trdnimi oksidi (SOEL). AEL in PEM elektroliza delujeta v območju nizkih temperatur, SOEL pa v območju visokih temperatur.
KATERO TEHNOLOGIJO IZBRATI
- AEL je najbolj uveljavljena tehnologija, ki dosega najvišjo nominalno moč. Vendar pa je za uporabo nihajočih obnovljivih virov energije zaradi svojih fleksibilnih in dinamičnih lastnosti najbolj primerna PEM* elektroliza.
- Poleg tega je treba upoštevati, da raziskave elektrolize še vedno potekajo. Ne le v smislu izboljšanja tehnologij, temveč tudi novih tehnologij. Primer nadaljnje tehnologije je elektroliza z anionsko izmenjalno membrano (AEM), ki bi lahko v prihodnosti postala obetavna možnost.
- SOEL je trenutno še v fazi razvoja. Zato ima v primerjavi z AEL in PEM največje kapitalske izdatke in najmanjšo nazivno moč (150 kW). Poleg tega so časi hladnega zagona zelo dolgi, saj trajajo več ur.
Preizkušene metode elektrolize
Vse tehnologije elektrolize imajo svoje prednosti in slabosti. Zato je treba pri izbiri tehnologije za generatorje vodika upoštevati specifične zahteve projekta.
01. ALKALNA ELEKTROLIZA (AEL)
Deluje s tekočim elektrolitom v obliki kalijevega hidroksida. Elektrode so izdelane iz kovine. Med elektrodama je lahko membrana, ki ne prepušča vodika in kisika. Je preizkušen postopek in dosega približno 70 % učinkovitost, ima nižje investicijske stroške ter daljšo življenjsko dobo kot drugi dve. Niso tako robustni kot PEM generatorji, občutljivejši na nečistoče v plinu. Čas hladnega zagona znaša 50 minut.
02. ELEKTROLIZA (PEM)
Ali elektroliza s protonsko izmenjalno membrano deluje v kislem okolju. Zato je treba za zaščito elektrod pred korozijo uporabiti plemenite kovine, kot sta iridij ali platina. Uporablja plinotesno, protonsko prevodno plastično membrano, ki omogoča doseganje višje čistosti kot pri drugih tehnologijah. Je primernejša za delovanje s nihajočo električno energijo iz obnovljivih virov. Čas hladnega zagona le približno 15 minut.
03. ELEKTROLIZA (SOEL) IN (AEM)
Pri elektrolizi trdnega oksida (SOEL)-u sta elektrodi ločeni s trdnim oksidom, ki prevaja kisikove ione. Posebnost SOEL-a je, da deluje pri temperaturah do 1000 °C (vodna para). Učinkovitosti 80 %. SOEL je v fazi razvoja, zahteva visoke vložke, hladni zagon traja več ur. Elektroliza vode z anionsko membrano (AEM) je prihodnost z velikim potencialom. Poceni, v kompaktni enoti, ki proizvaja vodik pod visokim tlakom.
01. ALKALNA ELEKTROLIZA (AEL)
Deluje s tekočim elektrolitom v obliki kalijevega hidroksida. Elektrode so izdelane iz kovine. Med elektrodama je lahko membrana, ki ne prepušča vodika in kisika. Je preizkušen postopek in dosega približno 70 % učinkovitost, ima nižje investicijske stroške ter daljšo življenjsko dobo kot drugi dve. Niso tako robustni kot PEM generatorji, občutljivejši na nečistoče v plinu. Čas hladnega zagona znaša 50 minut.
02. ELEKTROLIZA (PEM)
Ali elektroliza s protonsko izmenjalno membrano deluje v kislem okolju. Zato je treba za zaščito elektrod pred korozijo uporabiti plemenite kovine, kot sta iridij ali platina. Uporablja plinotesno, protonsko prevodno plastično membrano, ki omogoča doseganje višje čistosti kot pri drugih tehnologijah. Je primernejša za delovanje s nihajočo električno energijo iz obnovljivih virov. Čas hladnega zagona le približno 15 minut.
03. ELEKTROLIZA (SOEL) IN (AEM)
Pri elektrolizi trdnega oksida (SOEL)-u sta elektrodi ločeni s trdnim oksidom, ki prevaja kisikove ione. Posebnost SOEL-a je, da deluje pri temperaturah do 1000 °C (vodna para). Učinkovitosti 80 %. SOEL je v fazi razvoja, zahteva visoke vložke, hladni zagon traja več ur. Elektroliza vode z anionsko membrano (AEM) je prihodnost z velikim potencialom. Poceni, v kompaktni enoti, ki proizvaja vodik pod visokim tlakom.
Prednosti & slabosti
AEL - VŠEČ
- Dokazana tehnologija
- Zmogljivost z najvišjim nazivnim izkoristkom
(>100MW) - Stroški naložbe
(1.000 EUR/kW) in dolga življenjska doba - Ne zahteva kritičnih (redkih) surovin
- Možne nečistoče v plinih na izhodu
- Relativno dolgo obdobje hladnega zagona (50 min)
PEM - VŠEČ
- Vodik z najvišjo čistostjo
- Dobre dinamične lastnosti in visok gradient obreme-nitve: primerno ob nihanju
obnovljivih virov energije. - Hladen zagon v samo 15-ih minutah
- Elektrode iz plemenitih kovin
- Visoki stroški naložbe, (2000 €/kW)
SOEL - VŠEČ
- Visoka učinkovitost (nad 80 %)
- Primerno za so-elektrolizo: kot neposredna sinteza plina
- Trenutno še vedno v razvoju (samo pilotne naprave)
- Najvišji stroški naložbe, (2500 €/kW)
- Dolg čas hladnega zagona (več ur)
%
ZMOGLJIVOST ALKALNE ELEKTROLIZE
%
ZMOGLJIVOST PEM ELEKTROLIZE
%
ZMOGLJIVOST SOEL ELEKTROLIZE
Nagibam se k preizkušeni AEL-alkalni elektrolizi, (in je primerna tudi za moj žep) kasneje mogoče še PEM. Naredili bi enostaven generator z 12 ali 24 ploščami in enosmernim 24-48V/25A napajanjem.
ZA RAZLIČNE NAMENE
Brez membran za ločevanje. Tako, da lahko vodik, skupaj z kisikom uporabimo ali kot gorilnik za najrazličnejše potrebe, ali recimo za čiščenje karbonskih oblog v motorjih z notranjim izgorevanjem ali…
nadgradimo
Iziv ki je pred nami je povečanje površine obstoječih nerjavnih elektrod z NiZn ali podobno abrazivno prevleko in povečanje učinkovitosti elektrolize za večkratnik. Nato naredimo še PEM generator.
POJDIMO V DELAVNICO
Trenutno sem osredotočen na projekt »Vodni oven« tako, da je izdelava generatorja vodika na čakanju. Če koga zanima elektroliza naj se javi in lahko se zgodi, da se bo vse skupaj prej začelo.
