Konrad Piotrowski
Inżynier ekolog
Serce wodoru: Elektrolizer alkaliczny – sprawdzona technologia produkcji wodoru – cz. II
Wśród różnych technologii elektrolizy wody elektrolizer alkaliczny zajmuje miejsce szczególne. To jedno z najstarszych, najlepiej poznanych i do dziś najczęściej stosowanych rozwiązań do produkcji wodoru na większą skalę. Choć obecnie dużo mówi się o elektrolizerach PEM i AEM, technologia alkaliczna nadal pozostaje bardzo ważna, zwłaszcza tam, gdzie liczą się trwałość, prosta konstrukcja i niższy koszt materiałów.
Podstawowa zasada działania jest taka sama jak w każdej elektrolizie: pod wpływem energii elektrycznej woda zostaje rozłożona na wodór i tlen. Różnica polega na tym, że w elektrolizerze alkalicznym proces ten jest prowadzony w sposób kontrolowany i bezpieczny, z wyraźnym rozdzieleniem obu gazów. Właśnie to odróżnia go od najprostszych układów, takich jak komórka HHO, w której wodór i tlen powstają razem i tworzą mieszaninę o wysokiej reaktywności.
W elektrolizerze alkalicznym środowiskiem pracy nie jest czysta woda, lecz wodny roztwór silnej zasady, najczęściej wodorotlenku potasu (KOH), rzadziej wodorotlenku sodu (NaOH). Pełni on bardzo ważną funkcję: umożliwia sprawny transport jonów między elektrodami. Czysta woda przewodzi prąd słabo, dlatego bez dodatku elektrolitu proces byłby mało wydajny. W układzie alkalicznym to właśnie elektrolit odpowiada za przewodnictwo jonowe i stanowi jeden z kluczowych elementów całego urządzenia.
Reakcje zachodzące na elektrodach mają tu charakterystyczny przebieg. Na katodzie zachodzi redukcja wody: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ W jej wyniku powstaje wodór oraz jony wodorotlenkowe OH⁻. Te z kolei przemieszczają się przez elektrolit w stronę anody, gdzie ulegają utlenieniu: 2OH⁻ → ½O₂ + H₂O + 2e⁻ Po zsumowaniu obu półreakcji otrzymujemy klasyczną reakcję rozkładu wody: 2H₂O → 2H₂ + O₂
Rys. 1. Schemat działania elektrolizera alkalicznego. Opracowanie własne na podstawie literatury technicznej dotyczącej AWE. Źródło: opracowanie własne na podstawie: Hyfindr, Tüysüz 2024 oraz Henkensmeier et al. 2024
Choć zapis końcowy wygląda tak samo jak w innych typach elektrolizerów, różni się sposób transportu ładunku. W technologii alkalicznej nośnikami są jony OH⁻, a nie protony H⁺, jak w elektrolizerach PEM, które zostaną dokładnie opisane w następnej serii artykułów. To właśnie ta różnica wpływa na konstrukcję ogniwa, dobór materiałów i warunki pracy całego układu. Jednym z najważniejszych elementów elektrolizera alkalicznego jest diafragma, czyli porowata przegroda oddzielająca przestrzeń anodową od katodowej. Jej zadaniem jest umożliwienie przepływu jonów, a jednocześnie ograniczenie mieszania się wodoru i tlenu. Nie jest to bariera całkowicie szczelna, jak membrana w technologii PEM, ale dobrze spełnia swoją funkcję w warunkach pracy elektrolizera alkalicznego. To właśnie dzięki niej możliwe jest uzyskanie oddzielnych strumieni obu gazów, a więc znacznie większego bezpieczeństwa i lepszej jakości produktu końcowego.
Elektrody w takich urządzeniach wykonuje się najczęściej z materiałów na bazie niklu cowynika to z dwóch powodów. Po pierwsze, nikiel dobrze sprawdza się w silnie zasadowym środowisku. Po drugie, jest znacznie tańszy niż metale szlachetne, takie jak platyna czy iryd, wykorzystywane w elektrolizerach PEM. W praktyce elektrody często mają rozwiniętą powierzchnię lub są pokrywane dodatkowymi warstwami katalitycznymi, aby przyspieszyć reakcje i zmniejszyć straty energii. Dzięki temu można poprawić wydajność procesu bez konieczności stosowania bardzo drogich materiałów. Elektrolizery alkaliczne zwykle pracują w temperaturze wyższej niż temperatura otoczenia, często w zakresie około 60–90°C. Podwyższona temperatura poprawia przewodnictwo elektrolitu i ułatwia przebieg reakcji elektrochemicznych. Oczywiście oznacza to również konieczność kontrolowania warunków pracy całego urządzenia. W praktyce przemysłowy elektrolizer alkaliczny jest nie tylko zestawem elektrod zanurzonych w roztworze, ale rozbudowanym systemem wyposażonym w obiegi elektrolitu, układy chłodzenia, separatory gazu i cieczy oraz elementy zabezpieczające.
Rys. 2. Przemysłowy układ elektrolizera alkalicznego. Wizualizacja poglądowa, opracowanie własne na podstawie materiałów producentów instalacji AWE. Źródło: opracowanie własne na podstawie materiałów thyssenkrupp nucera i Nel Hydrogen.
Największą zaletą tej technologii jest jej dojrzałość przemysłowa. Elektrolizery alkaliczne są stosowane od wielu lat, dobrze poznane i sprawdzone w praktyce. Ich dużym atutem jest możliwość wykorzystania stosunkowo tanich materiałów oraz długa żywotność. Z tego powodu są one szczególnie atrakcyjne w instalacjach, które mają pracować stabilnie przez długi czas i produkować wodór w dużych ilościach.
Nie oznacza to jednak, że technologia alkaliczna nie ma ograniczeń. W porównaniu z elektrolizerami PEM zwykle osiąga niższe gęstości prądu, a sama konstrukcja bywa większa i mniej zwarta. Obecność ciekłego elektrolitu wymaga też dodatkowej aparatury do jego cyrkulacji, kontroli i utrzymania odpowiednich parametrów. Układy alkaliczne gorzej radzą sobie również z bardzo szybkimi zmianami obciążenia, dlatego najlepiej sprawdzają się tam, gdzie proces może przebiegać w sposób dość stabilny.
Mimo tych ograniczeń elektrolizer alkaliczny nadal pozostaje jedną z najważniejszych technologii produkcji wodoru. Jego siłą nie jest efektowna nowość, lecz sprawdzona skuteczność. To rozwiązanie oparte na dobrze znanych materiałach, rozsądnych kosztach i wieloletnim doświadczeniu przemysłowym. Właśnie dlatego w świecie nowoczesnej gospodarki wodorowej technologia alkaliczna wciąż odgrywa bardzo istotną rolę.
Dla czytelnika, który zna już zasadę działania komórki HHO, elektrolizer alkaliczny jest naturalnym kolejnym krokiem. Pokazuje bowiem, jak ten sam podstawowy proces elektrochemiczny można przekształcić w rozwiązanie znacznie bardziej bezpieczne, trwałe i użyteczne przemysłowo. To właśnie na takim etapie elektroliza przestaje być prostym doświadczeniem lub demonstracją zjawiska, a staje się rzeczywistą technologią produkcji czystego wodoru.
Jednocześnie warto się również zapoznać z pierwszą częścią materiału poświęconego zaawansowanym elektrolizerom.
Źródła: 1. O’Hayre, Ryan – Fuel Cell Fundamentals 2. Newman, John; Thomas-Alyea, Karen E. – Electrochemical Systems 3. Millet, Pierre (red.) – Hydrogen Production by Water Electrolysis 4. Ursúa, Alfredo; Gandía, Luis M.; Sanchis, Pablo – publikacje przeglądowe dotyczące elektrolizy wody i technologii alkalicznej