Produkcja wody ultraczystej do zasilania elektrolizera w celu uzyskania zielonego wodoru

Ultraczysta woda (UPW) do produkcji zielonego wodoru

Jeden kilogram wodoru zawiera 33 kWh użytecznej energii, czyli mniej więcej trzy razy więcej niż jeden kilogram benzyny i oleju napędowego. W związku z tym jest on wykorzystywany w szerokim zakresie zastosowań, od wytwarzania energii i magazynowania energii po ogniwa paliwowe do transportu. Jest również częścią krytycznych procesów przemysłowych, takich jak proces Habera-Boscha do produkcji amoniaku.

Zastosowania wodoru

Rysunek 1 – Szeroki zakres zastosowań wodoru

Wodór można syntetyzować poprzez szeroki zakres procesów, wykorzystując jako bazę do jego produkcji węglowodór, wodę lub oba. W przypadku zielonego wodoru, elektroliza wody, zasilana energią odnawialną, jest wykorzystywana do produkcji tego niezbędnego gazu zgodnie z następującym równaniem:

Wodór jest produkowany z ultraczystej wody w stosunku 9:1, tj. do wytworzenia jednego kilograma wodoru potrzeba dziewięciu kilogramów ultraczystej wody. Przy uwzględnieniu łańcucha uzdatniania wody stosunek między zużyciem wody zasilającej a produkcją wodoru może się wahać w przybliżeniu od 15:1 do 30:1 w zależności od źródła zasilania.

Rysunek 2 – Ilość wody potrzebna do wytworzenia jednego kilograma wodoru w zależności od źródła zasilania

Aby zapewnić maksymalną wydajność i chronić wysoce wrażliwe elektrolizery, jakość wody zasilającej musi spełniać najwyższe standardy jakości. Aby spełnić te wymagania, generalnie konieczny jest kompletny system demineralizacji, obejmujący w szczególności dwuprzebiegową odwróconą osmozę i elektrodejonizację.

Ponieważ woda jest stale recyrkulowana w jednostce elektrolizera, wszelkie zanieczyszczenia przechodzące przez system demineralizacji lub zanieczyszczenia pochodzące z wyposażenia jednostki elektrolizera mogą szybko gromadzić się do ważnych poziomów. Aby zapobiec gromadzeniu się zanieczyszczeń wewnątrz pętli elektrolizera, można zastosować polerkę Point-Of-Use w celu oczyszczenia części lub całości recyrkulowanej wody.

Rysunek 3 — Podział cen CAPEX i OPEX dla zielonych zakładów wodorowych

Podczas gdy system uzdatniania wody stanowi zazwyczaj 1-5% całkowitych nakładów inwestycyjnych zakładu, stosy elektrolizerów stanowią 50-60% całości. Tym ważniejsze jest posiadanie odpowiednio zaprojektowanego systemu w górnym biegu rzeki i pętli elektrolizera, aby chronić stosy i wydłużyć ich żywotność.

Ponadto koszty energii elektrycznej stanowią zazwyczaj 60-80% wszystkich wydatków operacyjnych i są jednym z głównych czynników kosztowych w trakcie istnienia zakładu. Właściwa jednostka uzdatniająca jest ponownie najważniejsza, aby zapewnić, że na powierzchni elektrolizera nie będą gromadzić się żadne zanieczyszczenia, które mogłyby prowadzić do wyższego zużycia energii elektrycznej.

Produkcja UPW  ~ 2-5 kWh/m³ Elektroliza UPW ~ 5000 kWh/m³

Rysunek 4 — Przybliżona energia elektryczna wymagana na m³ do produkcji wody ultraczystej i elektrolizy wody ultraczystej

Chociaż jest to marginalne zarówno pod względem CAPEX, jak i OPEX w skali zakładu, nieskuteczny lub nieoptymalny system uzdatniania wody może jednak prowadzić do poważnych konsekwencji:

• Uszkodzenie stosu elektrolizera
• Dłuższe przestoje z powodu częstszych przerw konserwacyjnych
• Wzrost kosztów posiadania z powodu większego zużycia energii elektrycznej i wody