Vysokoteplotní elektrolýza vody v ÚJV Řež

Možná si pamatujeme ze školy pokus: z elektrod ponořených do sklenice s vodou se po zapojení elektrického obvodu začnou uvolňovat bublinky – na jedné straně kyslíku, na druhé vodíku. Což jsme mohli dokázat atraktivním třasknutím... Elektrolýzou se vodík sice dá získat, ale vzhledem ke spotřebě elektřiny to vyjde draho. U nás s vodíkovými technologiemi experimentuje např. ÚJV Řež.

Nedávno představil na odborném semináři Hydrogen Day experimentální zařízení pro vysokoteplotní elektrolýzu vody. Projekt prověřuje možnost snížit spotřebu elektrické energie při elektrolýze vody tím, že se část energie dodá ve formě tepla. Zatímco totiž při teplotě 100 °C je pro elektrolýzu třeba 350 MJ na získání 1 kg vodíku, při teplotě 850 °C stačí pro výrobu stejného množství vodíku pouze 225 MJ.  Výsledky výzkumu se mohou uplatnit při výrobě vodíku v energetických zařízeních mj. pro využití v palivových článcích.

Princip a konstrukce elektrolyzéru

Experimentální elektrolyzér tvoří jedna cela o aktivním povrchu 10 cm² (viz obrázek). Elektrolyzér pracuje při teplotě 800 °C (ohřev 1 °C/min) a atmosférickém tlaku. Ve spolupráci s VŠCHT byla vyvinuta metoda nanášení elektrod pomocí sítotisku a zkonstruovala se cela elektrolyzéru. Následoval návrh a výroba rozvodných desek. Materiálem byl Crofer 22 APU, což je slitina železa a chromu s dobrou stabilitou za vysokých teplot, vysokou elektrickou vodivostí a nízkým koeficientem roztažnosti. Dále se vybral vhodný těsnicí materiál. Ten se také nanáší pomocí sítotisku v kombinaci s použitím slídového papíru. Elektrolytem je 8YSZ, yttriem stabilizovaný ZrO₂ , tl. 250 μm, 4 × 4 cm.

Pro první experimenty vysokoteplotní elektrolýzy se užívá elektrické propojení se zdrojem ~ 50 mA/cm² při 1,5 V. Obsah vodíku ve výsledných produktech se podle analýzy VŠCHT lišil v závislosti na proudové hustotě. Maximum bylo 19 % při hustotě 0,23 A/cm², teoreticky je možných 28 %. Reakce probíhající ve vysokoteplotním elektrolyzéru je reverzní k reakci probíhající v palivových článcích s pevnými oxidy. Do elektrolyzéru vstupuje vodní pára a vodík; vystupuje z něho obohacená směs obsahující 75 % _hm vodíku a 25 % _hm páry. Vodík je pak z páry oddělen v kondenzační jednotce. Celková účinnost vysokoteplotní elektrolýzy (včetně výroby potřebné energie) může dosahovat až 45 %. Tato metoda je vedle termochemických cyklů štěpení vody slibným kandidátem na výrobu vodíku ve velkém měřítku.

Kde vyrobit vodík

„Vodík není zdroj energie, je to energetický nosič. To znamená, že se nedá těžit, musí se vyrábět,“ připomíná Ing. Luděk Janík, vedoucí oddělení vodíkových technologií divize jaderné bezpečnosti a energetiky ÚJV Řež, a dodává: „Pro jeho výrobu potřebujeme energii. Surovina je jednoduchá – je a bude to voda. Nicméně někde potřebujeme získat energii, aby byl celý proces ekonomický a bez emisí škodlivých látek.“

Roční světová produkce vodíku je přibližně 55 milionů tun. V globálním měřítku dominuje v současné době výroba z fosilních paliv. Za perspektivní řešení se považuje spojit výrobu vodíku s jadernými reaktory. Jsou to zejména jaderné reaktory 4. generace, které pracují na jiných principech než ty dnešní. Jejich vývoj je v plném proudu a existují již prototypy, s jejichž komerčním nasazením se počítá v letech 2020 až 2025. Dnešní jaderné reaktory pracují při teplotách kolem 300 °C, budoucí budou mít provozní teplotu třikrát vyšší, čili 800 až 1000 °C.

Jak vyrobit vodík

Vysoké teploty umožňují provozovat takové způsoby výroby vodíku, které dříve nebyly ekonomicky schůdné. Prvním je vysokoteplotní elektrolýza vody. Je založena na stejném principu jako klasická elektrolýza, ale probíhá při teplotách okolo 800 °C. Zásadní výhodou je mnohem vyšší účinnost. Zatímco u klasické elektrolýzy hovoříme o 25 % (spolu s výrobou elektřiny), v nejlepším případě o 30 %, tak zde běžně o 45 % – 50 %, a to je samozřejmě z ekonomického hlediska obrovský pozitivní posun!

Druhým způsobem je termochemické štěpení vody. V podstatě jde o sled několika chemických reakcí, při nichž se produkty a reaktanty vzájemně recyklují. Jako vstup slouží pouze teplo a voda a výstupem jsou vodík a kyslík.

„Tyto možnosti jsou velmi důležité,“ říká Luděk Janík. „Vodík se dnes vyrábí výhradně z ropy a zemního plynu, což vůbec neřeší problémy, které řešit chceme a potřebujeme. Vodík se dosud nepoužívá pro svůj energetický obsah, ale pro své chemické vlastnosti. Tento přístup se bude časem měnit, a to je důvod, proč to děláme. Potřebujeme své názory a snažení také prezentovat co nejlépe široké veřejnosti a k tomu se nejlépe hodí doprava. Proto se podílíme na projektu vodíkové lodi a vodíkového autobusu.“ (Psali jsme o něm v Třípólu zde: http://www.3pol.cz/cz/rubriky/obnovitelne-zdroje/1041-novy-cesky-vodikovy-autobus-se-predstavi-verejnosti)