Výzkum > Technologické experimentální okruhy > VA5 Vodíkové technologie

VA5 Vodíkové technologie

Vodík

Popis aktivity

Cílem této výzkumné aktivity je výzkum a vývoj na poli vysokoteplotní elektrolýzy vody typu SOEC. Hlavním bodem je provoz experimentální smyčky pro výrobu vodíku, která simuluje propojení vysokoteplotní elektrolýzy vody v kogeneraci s vysokoteplotním, plynem chlazeným, jaderným reaktorem IV. generace experimentální smyčka by také měla pomoci objasnit dlouhodobou degradaci použitých komponent a materiálů.
K tomuto účelu slouží také testovací jednotka, na které lze testovat jednotlivé keramické články používané při vysokoteplotní elektrolýze vody.

Obě tyto zařízení jsou podrobněji popsány v kapitole „Popis zařízení – experimentální smyčka, testovací jednotka“.

Vodíkové hospodářství

Plynný vodík se na zemi takřka nevyskytuje, a proto si jej musíme vyrábět. Z tohoto důvodu nelze na vodík pohlížet jako na zdroj energie, ale pouze jako na nosič energie, do kterého lze primární energii ukládat podobně jako do baterií.  Odborný pojem „Vodíková ekonomika“ popisuje možné využití vodíku nejen v energetice, kde je využíván k ukládání energie, ale i v dopravě či v chemickém průmyslu. Do vodíkové energetiky spadá také systém Power-to-Gas. V dnešní době se však pohlíží na vodík pouze jako na chemickou surovinu, nikoliv jako na nosič energie.

V současnosti pochází zhruba 96 % vyrobeného vodíku z fosilních paliv, kde nejčastěji používaným procesem je parní reforming zemního plynu. Při tomto procesu však vzniká velké množství CO2. Proces, který životní prostředí nezatěžuje, nebo jen velmi málo, je elektrolýza vody. Elektrolyticky se v současné době vyrábí pouhé 4 % vodíku.

Z použití vodíku mají mnozí lidé obavy, zvláště kvůli jeho výbušnosti. Málokdo si však uvědomuje, že do roku 1996 byl v České republice běžně využívaný svítiplyn s obsahem vodíku okolo 50%. Po tomto roce byl svítiplyn již plně nahrazen zemním plynem. Více než 100 leté zkušenosti s používáním vodíku jsou také v průmyslu například při výrobě hnojiv či v petrochemickém průmyslu.

Vysokoteplotní elektrolýza vody

Elektrolýzu vody lze rozdělit podle skupenství vstupující vody na nízkoteplotní (kapalná) a vysokoteplotní (vodní pára). Dále ji můžeme rozdělit podle iontu přenášejícího náboj na kyselou (ionty H+) a alkalickou (ionty OH). V případě vysokoteplotní elektrolýzy je přenos náboje zajišťován ionty O2-.

Vysokoteplotní elektrolýza vody se provozuje při teplotách od 700 °C do 900 °C a díky takto vysoké teplotě není nutné používat katalyzátor z platinových kovů jako v případě PEM elektrolýzy. Vysokoteplotní elektrolýza oproti jiným typům elektrolýzy dosahuje vysoké účinnosti. To je dáno především dodáváním části energie potřebné pro výrobu vodíku ve formě tepla, což snižuje nároky na energii elektrickou. S vysokoteplotní elektrolýzou vody, někdy též nazývanou parní elektrolýzou, se do budoucna počítá jako se slibným procesem pro centrální výrobu vodíku.

Elektrolytický článek se skládá z katody, anody a elektrolytu. Schéma takového článku je znázorněno na obrázku 1. Na porézní katodu je přiváděna vodní pára, která reaguje s elektrony za vzniku vodíku a kyslíkového aniontu. Vodík odchází společně se zbytkem vodní páry a kyslíkový anion prochází přes iontově vodivý elektrolyt na porézní anodu, kde dochází ke vzniku kyslíku. Směs vystupující z katodového prostoru obsahuje cca 90 obj. % vodíku a 10 obj. % vodní páry, která se oddělí kondenzací.  Z anody odchází čistý kyslík, případně směs kyslíku s plynem, který proudí kolem elektrody.

 

 

 

 

 

Obrázek 1: Schématické znázornění vysokoteplotního elektrolyzéru pro elektrolýzu vody

 

Jednotlivé články bývají sériově zapojeny do tzv. stacků, čímž se zvětší aktivní plocha, respektive množství vyvíjeného vodíku.

Popis zařízení – experimentální smyčka, testovací jednotka

Na obr. 2 je schematický náčrtek smyčky vysokoteplotní elektrolýzy vody v CVŘ, kde ústředním prvkem je tepelný výměník simulující propojení vysokoteplotní elektrolýzy s jaderným reaktorem IV. generace. V levé dolní části schématu je znázorněn zdroj tepla simulující vysokoteplotní jaderný reaktor a v pravé dolní části je znázorněn systém elektrolýzy (SOEC). Mezi těmito částmi se nachází tepelný výměník předávající teplo z okruhu reaktoru (zdroje tepla) do okruhu s vodní párou, která následně vstupuje do elektrolyzéru. Smyčka je navržena pro elektrolyzér o maximálním výkonu 1 kW.

Velký důraz je zde kladen na rekuperaci tepla. Z tohoto důvodu jsou zde další tepelné výměníky, ve kterých se využívá teplo z výstupních plynů na předehřev vstupních plynů. Cílem je vytvořit systém, který bude maximálně energeticky efektivní. Úpravami systému lze s určitým omezením (teplota, tlak a různé druhy plynů) simulovat i další vysokoteplotní procesy (zdroje tepla), např. zplyňování biomasy, procesy nových plynových turbín, atd.

Za účelem vyhodnocení dat dlouhodobého provozu experimentální smyčky je nezbytné detailní porozumění chování procesu na úrovni jednotlivých elektrolytických cel. K tomuto účelu byla v CVŘ vybudována testovací jednotka, ve které je možno testovat různé druhy keramických článků. Ty mohou být testovány jak v módu elektrolýzy, tak v módu palivových článků.

 

zjednodušené schéma smyčky

Obrázek 2: Schéma smyčky vysokoteplotní elektrolýzy vody v CVŘ

Výběr publikací

  • TKÁČ, M., STEHLÍK, K. Akumulace energie přeměnou elektřiny na plyn, Chemické listy 2018, vol. 112, no. 5, p. 306-311
  • Stehlík, K.; Bouzek, K. Recent Advances in Hydrogen Technologies in the Czech Republic, In THE 7TH WORLD HYDROGEN TECHNOLOGY CONVENTION TOGETHER WITH CZECH HYDROGEN DAYS 2017 Jul 9-12, 2017; 2017
  • TKÁČ, M., STEHLÍK, K. Centrální výroba vodíku, Chemické listy 2017, vol. 111, no. 2, p. 121-128
  • TKÁČ, M. Elektřinu společně s teplem si budeme vyrábět doma pomocí palivových článků, PRO-ENERGY 2016, no. 1/2016, p. 44-47