Zastosowania związane z wodorem

Zielony wodór

jest wytwarzany metodą elektrolizy wody. Potrzebna do tego energia elektryczna pochodzi z odnawialnych źródeł, takich jak słońce, wiatr lub woda. Dzięki temu proces produkcji jest neutralny pod względem emisji CO2 i tym samym neutralny dla klimatu.

Szary wodór

jest wytwarzany z kopalnych nośników energii, takich jak gaz ziemny, węgiel lub olej, metodą reformingu parowego. Na jedną tonę wodoru powstaje przy tym produkt uboczny w postaci 10 ton CO2. Nie jest on neutralny dla klimatu.

Niebieski wodór

powstaje, tak samo jak szary wodór, metodą reformingu parowego. Uwalniany CO2 jest jednak składowany pod ziemią (technologia CCS: Carbon Capture and Storage). Ponieważ CO2 nie jest uwalniany do atmosfery, niebieski wodór jest neutralny pod względem emisji CO2.

Turkusowy wodór

powstaje w procesie pirolizy metanu. Gaz ziemny (metan) jest rozszczepiany na wodór i stały węgiel w procesie termochemicznym. Stały węgiel może być składowany jako granulat i wykorzystywany ponownie w późniejszym czasie.

Czerwony / różowy wodór

jest wytwarzany, podobnie jak zielony wodór, metodą elektrolizy. Potrzebny prąd pochodzi jednak z energii jądrowej. Ten rodzaj wodoru jest wprawdzie neutralnym pod względem emisji CO2, jednak powoduje powstawanie radioaktywnego odpadu, który wymaga bezpiecznego składowania.

Istnieją liczne technologie wytwarzania wodoru. Obecnie jest on pozyskiwany głównie przez reforming parowy kopalnych nośników energii, podczas którego dodatkowo powstaje CO2. Metodą, która zyskuje na znaczeniu ze względu na neutralność klimatyczną, jest elektroliza. W tym procesie woda jest rozszczepiana na składniki wodór i tlen przy użyciu energii elektrycznej pochodzącej z odnawialnych źródeł.

Najważniejszymi rodzajami elektrolizy dla przemysłu są elektroliza alkaliczna (AEC), elektroliza przy użyciu membrany protonowymiennej (PEM) oraz elektroliza tlenków stałych (SOEC). We wszystkich tych procesach woda jest rozszczepiana na pojedyncze składniki – wodór i tlen. Technologie różnią się pod względem wyboru membrany i elektrolitu.

Elektroliza alkaliczna (AEC)

Elektroliza alkaliczna to w praktyce najczęściej wykorzystywana technologia. Za elektrolit służy roztwór wodorotlenku potasu (KOH). Ta technologia jest już dostępna na szeroką skalę. Oprócz małych kosztów inwestycji i długiej żywotności zaletą jest, że praktycznie nie są wykorzystywane surowce krytyczne. Wadą jest przede wszystkim mała dynamika przy zmianach obciążenia.

Elektroliza przy użyciu membrany protonowymiennej (PEMEC)

W porównaniu z elektrolizą alkaliczną, elektroliza z wykorzystaniem membrany protonowymiennej jest znacznie młodsza, ale jest również dostępna na skalę przemysłową. Centralnym elementem procesu jest membrana protonowymienna. Jej zadaniem jest zapobieganie mieszaniu się obu produktów, tlenu i wodoru, co zapewnia wyższą czystość wodoru. Elektroliza PEM umożliwia szybką zmianę obciążenia i zastosowanie kompaktowej konstrukcji. Z drugiej strony stoją wysokie koszty materiałów katalizatorów.

Elektroliza tlenków stałych lub elektroliza wysokotemperaturowa (SOEC)

Podczas tego procesu woda jest doprowadzana do systemu w postaci pary wodnej. Pozwala to osiągnąć wysoką wydajność na poziomie do 85%. Ogniwa pracują w temperaturach do 900°C. Funkcję elektrolitu służy stały materiał ceramiczny. Kolejną zaletą SOEC jest możliwość zastosowania jej także do elektrolizy CO w procesie wytwarzania syntetycznego gazu. Wysokie temperatury powodują jednak niewielką zdolność do zmian obciążenia oraz wysokie wymagania materiałowe.

Istnieją liczne technologie magazynowania wodoru. Fizyczne magazyny mają wyższą grawimetryczną i wolumetryczną gęstość energii. Magazyny bazujące na materiale umożliwiają magazynowanie pod odpowiednim ciśnieniem i w odpowiedniej temperaturze. Dwie najistotniejsze technologie to magazynowanie gazowego wodoru pod ciśnieniem do 700 barów oraz ciekłego wodoru w temperaturze -253°C w zbiornikach z izolacją próżniową. Inne technologie obejmują magazyny wodorków metali, LOHC lub magazyny chemiczne, jak amoniak lub metanol.

Wodór może być wykorzystywany w wielu różnych branżach. Największy popyt przewiduje się w przemyśle, gdzie wodór jest niezbędny ze względu na swoje właściwości chemiczne. Możliwe zastosowania obejmują wytwarzanie amoniaku i metanolu lub produkcję stali i cementu. Wysoki popyt prognozuje się również w sektorze mobilności. Wodór jest stosowany wszędzie tam, gdzie akumulatory nie stanowią alternatywy – tj. w przypadku dużych obciążeń i dużych zasięgów. Obejmuje to zastosowania w lotnictwie i kosmonautyce, ale także w branży transportu.

Wodór składa się tylko z jednego protonu i jednego elektronu. Tym samym jest on najmniejszym i najlżejszym pierwiastkiem, dlatego bardzo szybko przenika przez różne materiały. W zależności od materiału bazowego, ciśnienia, temperatury i czasu trwania ekspozycji, może to prowadzić do kruchości wodorowej i tym samym do przedwczesnego zmęczenia elementu. Aby zapewnić szczelność i bezpieczeństwo przewodów, konieczne jest wybranie odpowiedniego materiału i konstrukcji elementów do danego zastosowania.

Do zastosowań z wodorem najlepiej nadają się wysokostopowe, austenityczne stale chromowo-niklowe o małej zawartości węgla i wysokiej zawartości niklu. Niska zawartość węgla i wysoka zawartość niklu sprawiają, że stale te są wysoce odporne na korozję międzykrystaliczną i w znacznym stopniu zapobiegają kruchości wodorowej.

Kruchość wodorowa odnosi się do penetracji i magazynowania wodoru atomowego w strukturze sieciowej materiału. Powoduje ona zmniejszenie ciągliwości, co może prowadzić do przedwczesnego zmęczenia wskutek pękania lub znacznie przyspieszonej propagacji pęknięć i nagłych uszkodzeń materiału. Kruchość wodoru w dużym stopniu zależy od materiału, ciśnienia, temperatury i wielu innych czynników.