Elektroliza wody – sposób na zielony wodór?

Wodorowe ogniwa paliwowe wykorzystujące wodór coraz częściej wymieniane są jako alternatywa dla spalania paliw kopalnych w silnikach pojazdów i innych urządzeń, dotychczas korzystających z tradycyjnych jednostek napędowych. Zastosowanie wodoru, pozyskanego dzięki energii odnawialnej, pozwala na połączenie zalet samochodów o napędzie spalinowym oraz elektrycznym – szybkiego ładowania i długiego zasięgu na zbiorniku, wraz ze świetnym przyspieszeniem i niską (nawet zerową) emisją gazów cieplarnianych. By jednak uzyskać wodór, konieczna jest elektroliza. Jak zachodzi i co warto o niej wiedzieć?

Elektroliza wody – jak przebiega?

Podczas elektrolizy przepływ prądu elektrycznego powoduje zmiany struktury chemicznej substancji – w tym przypadku wody chodzi o jej dysocjację, czyli rozkład na jony. W przypadku katody (elektrody ujemnej na odbiorniku) mamy do czynienia z redukcją, równocześnie na anodzie (biegunie dodatnim) zachodzi utlenianie. W rezultacie rozkładu wody otrzymuje się jony wodoru i elektrolitów oraz tlen cząsteczkowy. Minimalnym napięciem prądu do zainicjowania elektrolizy jest 1,229 V. Wydajność tego procesu można poprawić, stosując elektrolizery, wykorzystując wysoką temperaturę czy dodając wybrane kwasy i zasady.

Jaki prąd stosowany jest do elektrolizy? Co jeszcze potrzeba?

Minimalne napięcie prądu do zainicjowania elektrolizy to 1,229 V – w postaci prądu stałego, który czerpany jest z zewnętrznego źródła z prądnicy czy akumulatora. Do jej przebiegu potrzebne są elektrody wykonane z odpowiedniego materiału – grafitowe albo metalowe. Kiedy zostaje podłączona do nich energia elektryczna, wytwarza się pole magnetyczne, które kieruje aniony (jony ujemne) w stronę anody, czyli elektrody z biegunem dodatnim. Z kolei w stronę elektrody ujemnej, czyli katody dążą jony dodatnie – kationy. Z jej okolic wydobywają się wówczas jony wodoru, a z okolic anody – tlenu cząsteczkowego.

Poprawa wydajności elektrolizy, poprzez dodanie roztworów oraz stosowanie elektrolizerów

Czysta woda nie jest najlepszym przewodnikiem prądu, dlatego aby podnieść wydajność elektrolizy, dodaje się do niej wybrane kwasy lub zasady – może to być wodorotlenek sodu (NaOH), kwas siarkowy H2SO4 (spotykany również w akumulatorach samochodowych) lub wodorotlenek potasu KOH). Przydatne jest również wykorzystanie separatora nasączonego elektrolitem, który uniemożliwia lub ogranicza ponowne łączenie cząsteczek wodoru i tlenu. Konstrukcja zakładająca ścisłe przyleganie elektrod do separatora pozwala na uzyskiwanie większej gęstości prądu, co przekłada się na większą efektywność, ale również wyższe wydatki na energię elektryczną.

Elektroliza pary wodnej w wysokiej temperaturze

Wykorzystanie wysokiej temperatury podczas przeprowadzania elektrolizy pozwala na uzyskiwanie wyższej wydajności w porównaniu do przyłożonego napięcia. Tu kolejny raz można sięgnąć po źródła odnawialne lub wykorzystać nadmiarowe ciepła, emitowane przez pracujące urządzenia. Podgrzanie pary do temperatury 750-950 stopni pozwala na ograniczenia zapotrzebowania na energię elektryczną o nawet 35%, a sprawność takiego procesu jest wówczas bliska 100%. To nowatorskie rozwiązanie dopiero znajduje swoje zastosowania i jest obiektem badań, ale daje szanse na usprawnienie samej elektrolizy.

Kiedy ogniwa wodorowe to czysta energia?

Nie każdy wodór może być uznany za paliwo ekologiczne. Kluczowe znaczenie ma tu źródło prądu, który wykorzystywany jest w procesie elektrolizy. Jeśli pochodzi ze spalania węgla w elektrowniach, to jego produkcji towarzyszy wydzielanie szkodliwych substancji, w tym dwutlenku węgla. Coraz częściej jednak energia elektryczna wykorzystywana do elektrolizy pochodzi z odnawialnych źródeł wysokiej czystości. W tym celu wykorzystuje się energię generowaną przez wiatraki w wietrznej Patagonii, która następnie używana jest do prowadzenia procesu elektrolizy, a uzyskany wodór jest skraplany i transportowany do innych części świata.

Czy to się opłaca?

W większości przypadków zastosowanie elektrolizy nie miałoby ekonomicznego uzasadnienia. W końcu jak każdemu procesowi elektrochemicznemu towarzyszą jej straty, a późniejsze wykorzystanie uzyskanego gazu jako paliwa znów obarczone jest stratami. Jednak w przypadku wykorzystania wodoru jako nośnika energii odnawialnej, co umożliwia jej transport na duże odległości, to właśnie elektroliza jest jednym z najbardziej sensownych ekonomicznie rozwiązań. Jak pokazują inwestorzy, a także rządy z całego świata – tak właśnie może wyglądać przyszłość odnawialnych źródeł energii.

Inne zastosowania elektrolizy

Nie tylko wodę można poddawać elektrolizie. W podobny sposób można traktować np. chlorek sodu, uzyskując w ten sposób wolny chlor. Dzięki elektrolizie uzyskuje się na skalę przemysłową również niektóre metale, jak aluminium, lit, sód, potas, a także takie związki chemiczne jak wodorotlenek sodu i potasu, chloran sodu i potasu oraz niektórych gazów, w tym tlenu. Z elektrolizy korzysta się także w procesach galwanicznych, których celem jest pokrywanie powłoką z jednego metalu drugiego (np. chromowanie, cynkowanie, niklowanie, złocenie). Proces ten znajduje wiele zastosowań w rozmaitych działach przemysłu i produkcji.

Elektroliza jest powszechnie wykorzystywanym procesem, w którym wydzielane są potrzebne i przydatne związki i minerały. Wiele wskazuje na to, że odegra ona również znaczącą rolę w nadchodzącej zielonej rewolucji.