Az elemzések, statisztikák napjainkban három fő elektrolizáló típust különböztetnek meg, és ezt lényegében az elektrolit típusa szerinti teszik: i) alkálikus (AEL), ii) protoncserélő-membrános (PEM), és iii) szilárd oxidos (SOEL) elektrolizálók. Az első két, alacsony hőmérsékleten (<80-90 oC) működő típussal sokat foglalkoztunk eddig is, azonban a harmadik típusról, a magas (>700 oC) hőmérsékleten működő elektrolizálóról eddig kevés szó esett. Részben azért, mert ez a típus még nemigen terjedt el.
A Harold Topsoe nevű dán vállalat, mely katalizátorokra, komplett vegyipari technológiákra, különösen ammónia-, metanol- és hidrogénelőállításra specializálódott, nemrég bejelentette, hogy egy viszonylag nagy kapacitású SOEL elektrolizáló gyártó üzemet készül megépíteni. Az új üzem teljes gyártási kapacitása 500 MW/év lesz. Ez a kapacitás távlatilag akár 5 GW/év értékre növelhető. Az építkezés 2022-ben kezdődhet, a gyártás pedig már 2023-ban elindulhat.
Rövidítések: YSZ: ittrium-stabilizált cirkónium-oxid; LSC: lantán-stroncium-kobaltit (perovszkit szerkezet); CGO: cérium-gadolónium oxid. Forrás: [3]
Tekintsük át, hogyan is működik a szilárd oxidos elektolizáló. A SOEL alapvetően ugyanúgy épül fel, mint a többi elektrolizáló, azaz elemi celláját egy anód, egy katód és egy elektrolit alkotja. Utóbbi egy kerámia anyag, amelynek igen magas (600-850 oC) az üzemi hőmérséklete. A katódon redukciós folyamat zajlik: a vízmolekula felbomlik elemi hidrogénre és oxigén-ionra, és a kerámia anyagú elektroliton keresztül csak az oxigén-ion (O2-) tud áthaladni. Ezután az anód oldalon – a külső áramkörön áthaladó és ott hasznos munkát végző elektronokkal egyesülve – oxigén molekulává (O2) oxidálódik. A magas hőmérsékletű működés több előnnyel is jár: gyakorlatilag vízgőz elektrolízise történik, jobb reakciókinetikai, termodinamikai paraméterek érvényesülnek, így a fajlagos energiaigény alacsonyabb, azaz a SOEL hatásfoka magasabb (~90%). A magas üzemi hőmérsékletből adódó további előny, hogy nincs szükség drága katalizátor anyagokra, mint a PEM-EL esetében pl. a platinára, hanem bőségesen rendelkezésre álló és olcsó kerámiaanyagok, továbbá nikkel, cirkónium is megfelelőek, amelyek egy fém házban kerülnek elhelyezésre. Előnye még, hogy nagy áramsűrűségek mellett képes működni, ami kompakt, kis méretű elektrolizáló stack-et eredményez. Annyi kritikai megjegyzést azért tennünk kell, hogy a legtöbb SOEL gyártó cég alapvető „adottságnak” tekinti a SOEL elektolízishez szükséges hőforrás, ráadásul egy meglehetősen magas hőfokszintű hőforrás meglétét. Jó esetben ez a hő valamilyen hulladékhő formájában áll rendelkezésre. Nemigen szokták hangsúlyozni, hogy az említett, magas villamos hatásfok azért valósulhat meg a SOEL esetében, mert a szükséges energia egy részét hőként lehet bevinni a folyamatba, és így értelemszerűen kevesebb villamos energiát kell felhasználni. Másként fogalmazva a SOEL elektrolízis főként ott ideális megoldás, ahol nem csak nagyjából folyamatos hidrogéntermelésre van szükség, hanem ahol viszonylag jelentős mennyiségű hulladékhő is rendelkezésre áll. Utóbbi esetben – és az említett magas hatásfok alapján – kb. 40-41 kWh/kgH2 fajlagos villamosenergia-igény érhető el SOEL technológiával, amely 2030-ig – az FCH-JU technológiai útiterve szerint – még tovább javulhat 37 kWh/kgH2 értékre.
Természetesen komoly hátrányai is vannak a SOEL-nek: leginkább a hosszú indítási és leállítási idő, mivel a kerámia anyag felmelegítése és lehűtése csak meghatározott hőfoklépcsőkkel, lassan történhet, és működés közbeni terhelésváltozásra csak lassan és korlátozottan képes. A SOEL-t tehát főként zsinórüzemű hidrogéntermelésre lehet használni, és kevésbé illeszthető a gyorsan fluktuáló, megújuló energiaforrásokhoz. A hátrányok, vagy inkább a leküzdendő nehézségek közé tartozik, hogy egyelőre alacsony a várható hasznos élettartam. Valós ipari alkalmazáshoz még túl rövid életű, ráadásul egyelőre csak kis egységteljesítményű berendezések léteznek. Néhány x10 kW egységteljesítmény, melyből modulárisan persze nagyobb rendszerek is összeállíthatók, de a bekerülési (CAPEX) költség igen magas. Ugyanakkor megjegyezzük, hogy minden ilyen adattal, megállapítással nagyon óvatosan kell bánni, mivel a hidrogéntechnológiák, és különösen a SOEL igen gyorsan fejlődnek:
- néhány, ~1 MW körüli rendszer már működik, és éppen idén tavasszal jelent meg a közlemény a Sunfire cégtől – egy másik SOEL specialistától –, mely szerint egy 225 kW-os SOEL stack sikeres demonstrációját tudhatják maguk mögött. Ez képezi majd alapját az immáron MW léptékű jövőbeni SOEL elektrolizáló üzemeknek. Sőt, már tudható, hogy egy idei EU-s demó (MultiPLHY[1]) projekt keretében egy 12 stack-ből álló, 2,7 MW teljesítményű SOEL elektrolizáló üzem megvalósítását kezdték meg a rotterdami biofinomítóban. A tervek szerint itt magas, 84%LHV-to-AC hatásfokkal termelnek majd hidrogént 2022-től. E projekt TRL-8 technológiai érettségi szinten demonstrálja a SOEL üzemet, de a vonatkozó EU-s technológiai útiterv általánosságban még csak TRL 6-7 szintre teszi e technológiát,
- az utóbbi hét évben a SOEL cellák degradációs rátája kb. tizedére csökkent, ami értelemszerűen sokat javít az élettartamon. Néhány éven belül remélhetőleg elérhető lesz az ipari alkalmazáshoz elvárt élettartam.
A szilárd oxidos technológiának további előnyei közé tartozik, hogy – megfelelő konstrukcióban – képes reverzibilis módban is működni: áramfelesleg esetén elektrolizálóként működik és hidrogént (valamint O2-t) termel, illetve áramhiány esetén, tüzelőanyag-cellaként (SOFC) működik és a tárolt hidrogént visszaalakítja árammá (és hővé). Emellett CO2 elektrolízisre is alkalmas lehet, melynek terméke CO, mellékterméke pedig az O2. A SOEL-ben lehetőség van víz(gőz) és CO2 együttes elektrolízisére, ami hidrogén és szén-monoxid elegyét, azaz szintézisgázt eredményez. Ezt CO2-koelektrolízisnek nevezzük, angolul: „co-electrolysis mode”. Ez utóbbi vegyipari folyamatoknál előnyös lehet, pl. zöld ammónia, e-metanol, vagy egyéb e-üzemanyagok gyártásánál. A CO2 elektrolízis lehetséges technológiai megoldás a széndioxid-leválasztással (CCUS) nyert CO2 hasznosítására. Említés szintjén már írtunk róla korábban, hogy a Szaudi-Arábiában tervezett, rendkívüli méretű – 4 GW(!) megújuló energiatermelő kapacitást is tartalmazó – Neom gigaprojekt részeként, egy Helios nevű projekt keretében a Harold Topsoe nyerte el az 1,2 millió t/év kapacitású zöld ammónia üzem megépítésének lehetőségét. 2025 körül várhatóan ez lesz a világ legnagyobb zöld ammónia üzeme.
A Harold Topsoe SOEL elektrolizálója – a többi típushoz hasonlóan – önmagában álló (stand-alone) kivitelű és jelentős mértékben automatizált lesz. A villamosenergia- és gázrendszereket, továbbá a hőmenedzsmentet kell „csak illeszteni hozzá”, azaz nagyon „felhasználóbarátra” tervezik a rendszert. A moduláris tervezésnek köszönhetően szinte tetszőleges üzemméretet lehet majd létrehozni. A cég abban látja a siker kulcsát, hogy komoly vegyipari tapasztalata van a hidrogén-előállításban, ráadásul nem csak földgáz bázison, hanem elektrolízis alapon is, illetve az ezt követő downstream oldalon az ammónia-, metanol-, e-üzemanyag (jet-fuel) gyártásban is, vagyis teljes gyártási láncot tud kínálni.
Forrás:
[1] https://science.sciencemag.org/content/370/6513/
[3] A. Hauch, R. Küngas, P. Blennow, A.B. Hansen, : B. V. Mathiesen (2020): Recent advances in solid oxide cell technology for electrolysis. In Science, 2020.10.09, Vol. 370.
[4] Sunfire GmbH sajtóközlemény, 2021.05.04.
[1] MultiPLHY: Multimegawatt high-temperature electrolyser to generate green hydrogen for production of high-quality biofuels