W elektrolizie konwencjonalnej do rozszczepiania wody na wodór i tlen potrzebna jest wyłącznie energia elektryczna – droga i ograniczona. Elektroliza wysokotemperaturowa działa inaczej: para wodna jest rozszczepiana w temperaturach sięgających kilkuset stopni Celsjusza, co pozwala wykorzystać przemysłowe ciepło odpadowe jako dodatkowy nośnik energii. Efekt? Mniejsze zużycie prądu, szybsze reakcje elektrochemiczne i wyższa sprawność całego procesu.

Fraunhofer IKTS pracuje nad tą technologią od ponad dwóch dekad. Tym razem jednak zespół zrobił krok, który – według własnej oceny – wyznacza nowe globalne standardy.

Co wyróżnia opracowany stos?

Kluczowym produktem prac jest tzw. stos elektrolizy – układ wielu połączonych ogniw, który stanowi serce każdego elektrolizera i decyduje o jego wydajności oraz możliwości przemysłowego skalowania. Naukowcy z IKTS poszli jednak o krok dalej niż konkurencja: zamiast opracowywać osobne rozwiązania dla elektrolizerów i ogniw paliwowych, stworzyli system, który sprawnie funkcjonuje w obu trybach.

– Podczas gdy ogniwa paliwowe wymagają niskiej rezystancji i wysokich napięć, elektroliza wymaga długotrwałej, stabilnej, praktycznie termoneutralnej pracy z minimalnymi gradientami temperatury – tłumaczy dr Mihails Kusnezoff, kierownik Działu Energii w Fraunhofer IKTS. — Nasze podejście od samego początku miało stworzyć pomost między elektronami a cząsteczkami.

Stos pracuje stabilnie w zakresie temperatur 750–850°C. W trybie elektrolizy przetwarza parę wodną i CO₂ w wodór oraz gaz syntezowy. W trybie ogniwa paliwowego może z kolei wytwarzać energię elektryczną z różnych paliw – gazu ziemnego, biogazu, metanolu, etanolu, a nawet zielonego amoniaku.

Przełom nie jest jednak wyłącznie materiałowy. Jak podkreśla dr Sindy Mosch z grupy roboczej ds. materiałów dla systemów drukowanych: – Musieliśmy nauczyć się myśleć o efektach elektrochemicznych, termicznych i mechanicznych jako o kompletnym systemie. Tylko dzięki precyzyjnemu współdziałaniu mikrostruktury, procesów spiekania i warstw ochronnych udało nam się opracować ogniwo, które działa niezawodnie przez lata w obu trybach pracy.

Z laboratorium do fabryki w 14 miesięcy

Nawet najlepsza technologia laboratoryjna nie ma wartości, jeśli nie da się jej wyprodukować na skalę przemysłową. Fraunhofer IKTS zadbał o to równolegle z pracami badawczymi: przeprojektował metalową płytkę bipolarną pod kątem produkcji jednostapniowym prasowaniem i opracował skalowalne procesy powlekania elektrod.

Efektem jest pierwsza półautomatyczna pilotażowa linia produkcyjna, uruchomiona w zakładzie instytutu w Arnstadt – i to w ciągu zaledwie 14 miesięcy. Nie bez znaczenia jest fakt, że partnerem przy tym projekcie został thyssenkrupp nucera, jeden z czołowych graczy w branży elektrolizy przemysłowej, który ocenił stos IKTS jako szczególnie obiecujące rozwiązanie.

– Pilotażowa produkcja dowodzi, że nasze stosy są nie tylko wiodące pod względem naukowym, ale też łatwe w zarządzaniu i ekonomicznej produkcji przemysłowej – aż do fabryki o mocy gigawatów – mówi dr Stefan Megel, kierownik grupy Ceramic Energy Converters w Fraunhofer IKTS.

Co to oznacza dla dekarbonizacji przemysłu?

Jeśli wyniki pilotażu potwierdzą się przy skalowaniu, technologia Fraunhofer IKTS może istotnie zmienić rachunek ekonomiczny zielonego wodoru. Możliwość wykorzystania ciepła odpadowego z procesów przemysłowych – dostępnego bezpłatnie w hutach, rafineriach czy zakładach chemicznych – bezpośrednio obniża koszt produkcji wodoru. Dualny tryb pracy (elektrolizer i ogniwo paliwowe w jednym urządzeniu) zwiększa elastyczność i potencjalną rentowność instalacji.

Zielony wodór nie jest już tylko obietnicą. Ale droga od pilotażu do gigawatowej produkcji przemysłowej wciąż będzie wymagała czasu, kapitału i woli politycznej. Fraunhofer IKTS zrobił swój krok. Teraz kolej na resztę łańcucha wartości.

źródło: Fraunhofer IKTS