Reinstwasser, der Wegbereiter für eine nachhaltige und klimafreundliche Energieversorgung

Obrázek 3: EnviroFALK Čistící zařízení na vodu

Obrázek 4: EnviroFALK oběhové čištění

Obrázek 1: Power-to-X (PtX)

Obrázek 2: Polymerová elektrolytová membránová elektrolyza

Christopher Lenz, Manažer rozvoje podnikání, EnviroFALK

Obnovitelné zdroje energie: Výzvy a příležitosti

Pokračující globální oteplování vyžaduje přechod od vyčerpatelných fosilních paliv k čisté, obnovitelné energii z vodních, solárních, větrných a bioplynových zařízení.

Větrná a solární energie jsou přitom nejdůležitějšími nosiči energie v regenerativní výrobě elektřiny. Velkým problémem budoucí energetiky je však skladování energie způsobené kolísáním obnovitelných zdrojů. Elektrická síť není schopna ukládat energii při nedostatku, což vede k nutnosti regulace zařízení a jejich neefektivnímu provozu. Pro krátkodobé skladování tzv. „ekologické“ energie se zatím používají vodní elektrárny s přehradami a baterie, avšak tyto kapacity nestačí k dlouhodobému zajištění dodávek energie.

Power-to-X (PtX): Klíčová technologie pro lepší bilanci CO2

„Power-to-X“ je obecný pojem pro technologie, které umožňují dále zpracovávat a skladovat přebytečnou elektřinu z obnovitelných zdrojů, a tím nahradit fosilní nosiče energie (Obrázek 1).

– Nosič energie plyn – Power-to-Gas (PtG)
– Kapalná paliva – Power-to-Liquid (PtL)
– Chemické základní látky – Power-to-Chemicals (PtC)

Power to Gas (PtG)

U metodiky PtG se přebytečná ekologická energie využívá k výrobě tzv. „zeleného vodíku“, který jako nosič energie v budoucnosti zanechává pouze vodu jako zbytkový produkt spalování.

Zde se používají různé typy elektrolyzérů, tzv. „elektrolyzérů“, které rozdělují vodu pomocí elektrického proudu na chemické složky vodík (H2) a kyslík (O2). Zejména „Polymer elektrolyt membránový elektrolyzér (PEM)“ (Obrázek 2) hraje důležitou roli díky odolnosti vůči změnám zatížení způsobeným kolísáním obnovitelných zdrojů, vysoké účinnosti a rychlé reakční době.

Po elektrolyze je H2 stlačen, aby mohl být skladován a přepravován. Zelený vodík nachází uplatnění například jako ekologické palivo v palivových článcích a průmyslových provozech, stejně tak v dalších formách jako surovina v chemickém a farmaceutickém průmyslu.

Pro přepravu a další využití může být vodík za určitých podmínek vháněn do stávajících plynovodů s zemním plynem. Nicméně vzhledem k nižší energetické hustotě je to možné pouze v omezeném množství. Pro větší objemy se nejprve z H2 pomocí methanizace vyrábí hořlavý plyn methan (CH4), který je následně přiváděn do plynovodů, kde je využíván například k vytápění nebo výrobě elektřiny.

Kromě toho lze také tankovat vozidla s pohonem na plyn a zelený vodík tak provozovat téměř klimaticky neutrálně.

Power-to-Liquid (PtL)

Zelený vodík se dále používá při výrobě syntetických kapalných paliv. Technologie PtL využívá přebytečnou elektřinu k výrobě syntetického plynu z vodíku a oxidu uhelnatého, ze kterého se následně vyrábí kapalná syntetická paliva (E-fuels). Tato technologie umožňuje postupně nahrazovat benzín a naftu z ropy. Také syntetická paliva pro leteckou a námořní dopravu lze tímto způsobem vyrábět. Velkou výhodou této technologie je využití stávající infrastruktury, například čerpacích stanic a dopravních systémů.

Protože syntetická výroba E-fuels z ekologické energie zachytává stejnou množství CO2, jaké při spalování uvolňuje, jsou tato paliva považována za klimaticky neutrální.

Power-to-Chemicals (PtC)

U technologie PtC, vycházející z PtG, se z ekologické energie a syntézy vodíku s CO2 a dusíkem vyrábějí chemické základní látky, které mají nahradit fosilní suroviny, například ropu a zemní plyn. Příklady jsou plasty, prací prostředky a přísady, které jsou důležité v mnoha průmyslových odvětvích.

Čistá voda: Nezbytná surovina pro PtX technologie

Čistá voda hraje klíčovou roli ve všech technologiích PtX, zejména při výrobě zeleného vodíku elektrolyzou. Tato vysoce čistá voda je téměř bez nečistot, jako jsou organické látky, bakterie, částice a rozpuštěné plyny, a má velmi nízkou vodivost obvykle 0,055 µS/cm, což ji činí ideální pro použití v citlivých procesech, například v PEM elektrolyzéru. Čistou vodu lze získat z různých výchozích vod, jejichž kvalita se liší podle zdroje. Tato rozmanitost vyžaduje individuálně přizpůsobenou úpravu, aby byly odstraněny všechny nežádoucí minerály a plyny, které by mohly narušit elektrolyzní procesy.

Význam čisté vody pro PtX procesy nelze dostatečně zdůraznit: bez správné kvality vody mohou vzniknout usazeniny soli na membránách a elektrodách elektrolyzérů, což může výrazně snížit jejich účinnost a životnost. Proto je procesní úprava vody (Obrázek 3) nejen klíčovým kritériem, ale i kritickým faktorem úspěchu udržitelných výrobních procesů syntetických paliv.

Od surové vody k čisté vodě

Při plánování zařízení na úpravu vody je klíčová bezproblémová integrace do systému PtX. Patří sem například místní začlenění do celkového systému, řízení přes specifické komunikační rozhraní, jednotné typy zařízení a důsledná dokumentace. Při plánování zařízení na úpravu vody je také třeba vzít v úvahu LCOE (Levelized Cost Of Electricity), což znamená zohlednění nejen investičních nákladů, ale i provozních nákladů, včetně spotřeby energie a médií, množství odpadních vod, provozních prostředků a servisních nákladů.

Úprava surové vody na výrobu vodíku elektrolyzou probíhá ve více fázích v přesně stanoveném pořadí, které je přizpůsobeno místní kvalitě vody v detailním inženýrství. Používají se různé procesní kroky, například:

– Předfiltrace pomocí zpětných protiproudových filtrů, křemičitých filtrů nebo ultrafiltrace
– Odstranění tvrdosti způsobené vápníkem a hořčíkem pomocí iontově výměnných změkčovacích zařízení (alternativně dávkování antiscalantů pro stabilizaci tvrdosti)
– Odstranění/-vázání CO2 pomocí membránové dekarbonizace nebo hydroxidu sodného
– Odstranění solí s účinností > 98 % pomocí reverzní osmózy (RO)
– Plná demineralizace pomocí druhé stupně reverzní osmózy nebo elektrodeionizace (EDI)
– Zařízení na recyklaci procesní vody pro kontinuální odstranění solí na < 0,1 µS/cm a filtrace částic na méně než 1 µm
– Zařízení na odplynění pro odstranění zbytkového H2 a O2
– Předřazený systém na procesní vodu s nádrží a tlakové zvýšení
– Chlazení procesní vody (volitelné)

Kvality čisté vody, které se liší podle procesu:

Hlavním rysem zařízení EnviroFALK na úpravu čisté vody, speciálně určených pro vysokotlaké a vysokoteplotní aplikace, například PEM elektrolyzéry, je cirkulační čištění (Obrázek 4), které umožňuje recyklaci „kontaminované“ procesní vody. Tato technologie aktivně přispívá k ochraně životního prostředí a optimalizuje náklady v průmyslových procesech. Cirkulační systémy jsou navrženy tak, aby upravovaly procesní vodu pod vysokým provozním tlakem až do 50 barů a teplotami přes 65 °C. Díky použití nejmodernějších technologií, které jsou koncipovány pro nepřetržitý provoz, je zajištěna spolehlivá a ekonomická úprava vody.

Vysoce výkonné systémy na čištění vody pro maximální bezpečnost a flexibilitu procesů

Ve společnosti EnviroFALK se vše točí kolem řešení pro úpravu vody v nemocnicích, laboratořích a vybraných průmyslových odvětvích. Experti také vyvíjejí systémy na čištění vody, které zásobují elektrolyzéry vysoce čistou vodou. To umožňuje spolehlivou a efektivní výrobu vodíku.

Kvalita a dostupnost čisté vody jsou klíčové pro PtX proces. Vysoce dostupné služby, krátké doby opravy (Mean Time To Recover - MTTR) a vysoká dostupnost systému (Service Level Agreement - SLA) jsou nezbytné pro zařízení na úpravu vody. K minimalizaci provozních výpadků jsou nutná opatření jako redundance kritických komponent, optimalizovaná zásoba náhradních dílů, použití osvědčených komponent a přesný monitoring procesních parametrů. Tyto strategie umožňují systémovou dostupnost přes 99 %. EnviroFALK nabízí širokou škálu vysoce kvalitních komponent pro maximální procesní bezpečnost.

Procesní systémy na čištění vody EnviroFALK se vyznačují modulární konstrukcí, která umožňuje flexibilní integraci do stávajících systémových konceptů. Tato modularita umožňuje individuální uspořádání různých procesních stupňů podle prostorových a technických požadavků. Ať už vedle sebe, nad sebou nebo v samostatných místnostech – systémy lze optimálně přizpůsobit konkrétním podmínkám.

Pokročilé systémy na čištění vody pro zelenou energii

V posledních letech společnost EnviroFALK vyvinula ve spolupráci s předními výrobci elektrolyzérů řadu aplikačně orientovaných systémů na čištění vody pro projekty PtX.

Od začátků v roce 2012 bylo realizováno více než 100 systémů na čištění vody v různých konceptech a výkonnostních úrovních pro různé projekty PtX. Tyto systémy významně přispívají k etablování vodíku jako udržitelného nosiče energie a tím i k ekologické a moderní výrobě energie.

V roce 2015 byla v průmyslovém parku Mainz-Hechtsheim zprovozněna jedna z největších na světě flexibilních vodíkových zařízení s výkonem 6 MW. Zde jsou dnes pomocí PEM elektrolyzérů od Siemensu denně vyráběny až 1 000 Nm³ zeleného vodíku z přebytečné větrné energie. Vyrobený vodík je skladován na místě a dále využíván v různých odvětvích, například v dopravě, průmyslu a plynovodech. Surovina „voda“ je zajištěna pomocí zařízení na čištění vody s kapacitou 1 000 l/h, které odstraňuje nejjemnější částice a rozpuštěné soli pomocí systému s kapacitou 4 200 l/h.

V roce 2023 společnost Air Liquide ve spolupráci se společností Siemens Energy realizovala projekt „Trailblazer“ – 20 MW PEM elektrolyzér na výrobu zeleného vodíku. Trailblazer zásobuje klíčová odvětví, jako je ocelářství, chemie, rafinerie a doprava, ročně 2 900 tunem zeleného vodíku a kyslíkem. Společnost EnviroFALK dodala cirkulační systém s kapacitou 30 000 l/h. Tento modulární systém byl předmontován v továrně v Leverkusenu a mohl být velmi rychle instalován a uveden do provozu na místě.

Další přesvědčivé příklady úspěšných projektů:

– Windgas Häsfurt GmbH (projekt PtG)
Elektrický výkon 1,25 MW z větrné energie, výroba vodíku cca 200 Nm³/h, zařízení na čištění vody 300 l/h, cirkulační systém 600 l/h

– Salzgitter Flachstahl (projekt PtG)
Elektrický výkon 2,2 MW z větrné energie, výroba vodíku cca 400 Nm³/h, zařízení na čištění vody 900 l/h, cirkulační systém 4 200 l/h

– Ludwigshafen (projekt PtC)
Elektrický výkon 54 MW, výroba vodíku 8 000 t/rok, zařízení na čištění vody 10 500 l/h, cirkulační systém 150 000 l/h

Projekty PtX pro klimaticky neutrální Evropu

Plánování inovativních projektů PtX je klíčovým krokem na cestě k klimaticky neutrální Evropě do roku 2050. Tyto projekty přispívají ke snížení závislosti na fosilních palivech a diverzifikaci energetických zdrojů. První globální atlas PtX, vytvořený Fraunhoferovým institutem pro energetiku a energetické systémy, ukazuje obrovský potenciál, zejména v regionech bohatých na obnovitelné zdroje energie. Takové projekty mohou nejen transformovat Evropu, ale i globální energetickou infrastrukturu a vytvořit výhodnou situaci pro životní prostředí i ekonomiku.

Společnost EnviroFALK se přizpůsobila tak, aby podporovala projekty PtX s nejmodernějšími systémy na čištění vody a tím dále posilovala klimatickou neutralitu.

Vita Christopher Lenz:

Christopher Lenz, narozený v roce 1994 v Limburgu an der Lahn, již od mládí projevoval výrazný zájem o udržitelnost a energetickou účinnost. V roce 2019 získal bakalářský titul v oboru energetická technika, přičemž se specializoval na vodíkovou technologii pro velkokapacitní výrobní zařízení ve spolupráci se společností Trianel GmbH. V roce 2021 ukončil magisterské studium v oboru Obnovitelné energie prací o vícekriteriální analýze vodíkové ekonomiky, která zkoumala ekonomické, ekologické a technické aspekty. Obě závěrečné práce odrážejí jeho hluboký zájem o vodíkovou technologii. Jako vedoucí projektu ve společnosti Trianel GmbH významně přispíval k vodíkovým projektům. Od roku 2023 zastává funkci Business Development Manager ve společnosti EnviroFALK, kde má na starosti oblast systémů na čištění vody pro projekty PtX.