Nowatorski elektrolizer do produkcji wodoru z odpadów chemicznych

Projekt nad innowacyjnym elektrolizerem powstał dzięki współpracy ekspertów z Wydziału Technologii i Inżynierii Chemicznej oraz Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki ZUT. – Dzięki interdyscyplinarnemu podejściu zaprojektowaliśmy wytrzymałą konstrukcję, a jako katalizatory wykorzystaliśmy materiały odpadowe. Otrzymaliśmy wyższą efektywność niż komercyjne rozwiązania oparte na platynie, irydzie czy rutenie – powiedziała prof. dr hab. inż. Ewa Mijowska, kierownik katedry fizykochemii i nanomateriałów na WTiICh.

Prof. Mijowska podkreśla, że obecne na rynku elektrokatalizatory zawierają tzw. materiały krytyczne, które są drogie ze względu na ich ograniczoną dostępność. Dlatego naukowcy na świecie szukają tańszych i bardziej dostępnych alternatyw. Właśnie taką znaleźli szczecińscy badacze, analizując odpady poprodukcyjne zakładów chemicznych w Policach pod Szczecinem. „Podjęliśmy misję przeszukiwania śmieci, aby znaleźć materiały zdolne do generowania wodoru” – wyjaśnia prof. Mijowska.

Wykorzystanie odpadów bogatych w żelazo

Badania wykazały, że odpowiednia obrobka i modyfikacja odpadów zawierających żelazo pozwala na ich skuteczne wykorzystanie jako elektrokatalizatorów. Prof. Mijowska zauważyła, że proces elektrolizy wody, polegający na rozdzieleniu cząsteczki wody na wodór i tlen przy użyciu prądu elektrycznego, od 200 lat stanowi wyzwanie dla naukowców. – Nam tylko kilka lat zabrało, żeby dzisiaj być tu, gdzie jesteśmy – podkreśla.

Prototyp elektrolizera jest już gotowy do fazy wdrożeniowej dzięki współpracy z Laboratorium Technik Wodorowych ZUT. – Stworzyliśmy techniczne wsparcie do przejścia ze skali mikroelektrolizera do prototypu w wersji laboratoryjnej. Możemy z niego stworzyć elektrolizer w pełni gotowy do zastosowań komercyjnych – powiedział prof. dr hab. inż. Piotr Pawełko, kierownik katedry mechatroniki na WIMiM ZUT.

Optymalizacja procesu elektrolizy

Techniczne wsparcie obejmowało opracowanie układów zasilania wodą, nadzoru temperatury oraz pomiarów ilości wytwarzanego wodoru i tlenu. Badania koncentrowały się na zwiększeniu efektywności elektrolizera nie tylko przez samo działanie prądu, ale także poprzez analizę zjawisk mechaniki płynów. Komputerowa analiza przepływów pozwala optymalizować procesy, a naukowcy ZUT są pionierami w tej dziedzinie. – Stopniowo zaczynamy modelować procesy, co pozwala zwiększać efektywność – zapewnia Pawełko.

Wielkim wyzwaniem technicznym było nałożenie katalizatora z siarczanu żelaza na membranę PEM (Proton Exchange Membrane). Problemem było „przyklejenie” substancji do tworzywa sztucznego. Rozwiązaniem okazało się zastosowanie lasera, który nadał powierzchni odpowiednią strukturę, co pozwoliło na skuteczniejsze wprasowanie katalizatora pod ciśnieniem 200 bar azotem. W laboratorium WIMiM przeprowadzano eksperymenty nawet przy ciśnieniach 400 bar w celu opracowania optymalnej technologii wykonania membrany.

Efektywność ZUT-olizera

Prototypowe urządzenie, pracujące w odpowiedniej temperaturze, może wytwarzać 0,6 litra wodoru na minutę przy zasilaniu ze standardowej sieci energetycznej (do 3 kW). Naukowcy podkreślają, że im więcej wodoru chce się wyprodukować, tym większa ilość energii jest potrzebna. Dlatego elektrolizer może być skonfigurowany z odnawialnymi źródłami energii, takimi jak panele fotowoltaiczne czy turbiny wiatrowe, aby produkcja była w pełni ekologiczna.

– Łatwo jest połączyć nasz elektrolizer z odnawialnymi źródłami energii, takimi jak fotowoltaika czy turbiny wiatrowe, aby był w stu procentach ekologiczny. Chcemy, aby nasza technologia nie generowała żadnych szkodliwych gazów – podsumowała dr inż. Klaudia Maślana z katedry fizykochemii i nanomateriałów ZUT.