Reinstwasser, der Wegbereiter für eine nachhaltige und klimafreundliche Energieversorgung

Rysunek 3: EnviroFALK instalacja do uzdatniania wody odzyskanej

Rysunek 4: EnviroFALK oczyszczanie obiegowe

Rysunek 1: Power-to-X (PtX)

Rysunek 2: Elektrochemiczna membrana polimerowa elektrolyzatora

Christopher Lenz, Menedżer ds. Rozwoju Biznesu, EnviroFALK

Odnawialne źródła energii: wyzwania i szanse

Postępujące ocieplenie klimatu wymaga zmiany od ograniczonych paliw kopalnych na czyste, odnawialne źródła energii z elektrowni wodnych, słonecznych, wiatrowych i biogazowni.

Energia wiatrowa i słoneczna są głównymi nośnikami energii w odnawialnej produkcji prądu. Jednak dużym problemem przyszłego sektora energetycznego, wynikającym z fluktuacji odnawialnych źródeł energii, jest magazynowanie. Sieć energetyczna nie jest w stanie przechowywać energii w okresach niedoboru, co prowadzi do konieczności ograniczania pracy instalacji i tym samym do ich nieefektywności. Obecnie do krótkoterminowego magazynowania energii zwanego energią szczytową stosuje się pompy ciepła i baterie, jednakże nie wystarczają one do długoterminowego zabezpieczenia dostaw energii.

Power-to-X (PtX): kluczowa technologia dla lepszego bilansu CO2

„Power-to-X” to ogólne określenie technologii umożliwiających przetwarzanie nadmiarowej energii z odnawialnych źródeł na dalsze formy magazynowania i przetwarzania, aby zastąpić paliwa kopalne (rysunek 1).

– Nośnik energii gaz – Power-to-Gas (PtG)
– Płynne paliwa – Power-to-Liquid (PtL)
– Surowce chemiczne – Power-to-Chemicals (PtC)

Power to Gas (PtG)

W metodzie PtG nadmiar energii elektrycznej z odnawialnych źródeł jest wykorzystywany do produkcji tzw. „zielonego wodoru”, który jako nośnik energii w przyszłości będzie pozostawiał po sobie wyłącznie wodę jako produkt uboczny spalania.

W tym celu stosuje się różne rodzaje elektrolizerów, zwanych „elektrolizerami”, które rozkładają wodę na jej chemiczne składniki – wodór (H2) i tlen (O2) – za pomocą energii elektrycznej. Szczególnie ważną rolę odgrywa „Polimerowa membrana elektrolityczna (PEM)” (rysunek 2), ze względu na jej odporność na zmiany obciążenia wynikające z fluktuacji energii odnawialnej, wysoką wydajność i szybkie reakcje.

Po elektrolizie wodór jest sprężany, aby można go było przechowywać i transportować. Zielony wodór znajduje zastosowanie jako ekologiczny paliwo w pojazdach napędzanych ogniwami paliwowymi, w przemyśle oraz jako surowiec w przemyśle chemicznym i farmaceutycznym.

W celu transportu i dalszego wykorzystania wodór może być, pod określonymi warunkami, wprowadzany do istniejących sieci gazu ziemnego. Jednakże ze względu na mniejszą gęstość energetyczną możliwa jest jedynie ograniczona ilość. Aby wprowadzić większe ilości, z H2 najpierw wytwarza się gaz palny metan (CH4) poprzez metanizację, a następnie jest on podawany do sieci gazu ziemnego, gdzie może być wykorzystywany do ogrzewania i/lub produkcji energii elektrycznej.

Ponadto, pojazdy i ciężarówki zasilane gazem mogą być tankowane zielonym wodorem i tym samym działać niemal bezemisyjnie.

Power-to-Liquid (PtL)

Zielony wodór znajduje również zastosowanie w produkcji syntetycznych paliw płynnych. W technologii PtL nadmiar energii elektrycznej jest wykorzystywany do produkcji syntezowego gazu z wodoru i tlenku węgla, z którego wytwarzane są płynne syntetyczne paliwa (E-Fuels). Technologia ta umożliwia stopniowe zastępowanie benzyny i diesla pochodzących z ropy naftowej. Można także wytwarzać syntetyczne paliwa dla lotnictwa i żeglugi. Dużą zaletą tej technologii jest możliwość korzystania z istniejącej infrastruktury, takiej jak stacje benzynowe i systemy transportowe.

Ponieważ syntetyczna produkcja E-Fuels z energii odnawialnej wiąże tyle samo CO2, ile uwalnia podczas spalania, te paliwa są uważane za klimatycznie neutralne.

Power-to-Chemicals (PtC)

W technologii PtC, opierając się na metodzie PtG, z energii elektrycznej i syntezy wodoru z CO2 i azotu powstają surowce chemiczne, które mają zastąpić paliwa kopalne, takie jak ropa i gaz ziemny. Przykładami są tworzywa sztuczne, środki piorące i dodatki, które odgrywają ważną rolę w wielu gałęziach przemysłu.

Czysta woda: niezbędny surowiec dla technologii PtX

Czysta woda odgrywa kluczową rolę we wszystkich technologiach PtX, szczególnie przy produkcji zielonego wodoru metodą elektrolizy. Ta wysokiej czystości woda jest niemal wolna od zanieczyszczeń, takich jak substancje organiczne, bakterie, cząstki i rozpuszczone gazy, i charakteryzuje się bardzo niską przewodnością, zwykle 0,055 µS/cm, co czyni ją idealną do zastosowań w wrażliwych procesach, takich jak elektroliza PEM. Czysta woda jest pozyskiwana z różnych źródeł, które w zależności od pochodzenia mogą się znacznie różnić pod względem jakości. Ta różnorodność wymaga indywidualnie dostosowanej technologii oczyszczania, aby usunąć wszelkie niepożądane minerały i gazy, które mogłyby zakłócać procesy elektrolizy.

Znaczenie czystej wody dla procesów PtX jest nie do przecenienia: bez odpowiedniej jakości wody mogą powstać osady soli na membranach i elektrodach elektrolizerów, co znacznie obniża ich wydajność i żywotność. Dlatego procesowe oczyszczanie wody (rysunek 3) jest nie tylko istotnym kryterium, ale także kluczowym czynnikiem sukcesu dla zrównoważonej produkcji syntetycznych paliw.

Od surowej wody do czystej wody

Podczas planowania instalacji do oczyszczania wody kluczowe jest jej bezproblemowe zintegrowanie z systemem PtX. Należą do tego m.in. lokalne planowanie w ramach całościowego systemu, techniczne powiązanie poprzez określone interfejsy komunikacyjne, standardowe komponenty urządzeń i spójna dokumentacja. Podczas projektowania instalacji do oczyszczania wody należy również uwzględnić LCOE (Levelized Cost Of Electricity), czyli poziomowe koszty energii elektrycznej, obejmujące zarówno koszty inwestycyjne, jak i koszty operacyjne, takie jak zużycie energii i mediów, ilość odprowadzanych ścieków, koszty obsługi i serwisu.

Proces oczyszczania surowej wody do produkcji wodoru metodą elektrolizy odbywa się na kilku etapach, dostosowanych do lokalnej jakości wody, w ramach szczegółowego inżynieringu. Wśród stosowanych etapów są m.in.:

– Wstępne filtrowanie za pomocą filtrów odwróconej osmozy, filtrów żwirowych lub ultrafiltracji
– Usuwanie twardości, czyli wapnia i magnezu, za pomocą zmiękczaczy jonowymiennych (alternatywnie dozowanie środków przeciwosadowych w celu stabilizacji twardości)
– Usuwanie/wiązywanie CO2 za pomocą membranowej dekarbonizacji lub ługu sodowego
– Odsalanie powyżej 98% metodą odwróconej osmozy (RO)
– Całkowite odsalanie za pomocą drugiego stopnia odwróconej osmozy lub elektrodejonizacji (EDI)
– Instalacje do recyklingu wody procesowej w celu ciągłego odsalania do < 0,1 µS/cm i filtracji cząstek poniżej 1 µm
– Instalacje do odgazowania w celu usunięcia resztek H2 i O2
– System wstępnego przygotowania wody procesowej z zbiornikiem magazynowym i systemami podnoszenia ciśnienia
– Urządzenia do chłodzenia wody procesowej (opcjonalnie)

Jakości czystej wody, które mogą się różnić w zależności od procesu:

Głównym celem systemów oczyszczania czystej wody EnviroFALK, szczególnie do wysokociśnieniowych i wysokotemperaturowych zastosowań, takich jak elektroliza PEM, jest recyrkulacja obiegu (rysunek 4), umożliwiająca recykling „zanieczyszczonej” wody procesowej. Technologia ta aktywnie przyczynia się do ochrony środowiska i optymalizacji kosztów w procesach przemysłowych. Systemy obiegowe są specjalnie zaprojektowane do oczyszczania wody procesowej pod wysokim ciśnieniem roboczym do 50 barów i temperaturami powyżej 65°C. Dzięki zastosowaniu najnowocześniejszych technologii, zaprojektowanych do pracy ciągłej, zapewniona jest niezawodna i ekonomiczna oczyszczalnia wody.

Wysokowydajne rozwiązania do czystej wody dla maksymalnego bezpieczeństwa procesu i elastyczności

W EnviroFALK wszystko koncentruje się na rozwiązaniach dla oczyszczania wody w szpitalach, laboratoriach i wybranych gałęziach przemysłu. Eksperci opracowują także systemy do produkcji czystej wody, które zaopatrują elektrolizery w wysokiej jakości wodę. Dzięki temu firma umożliwia niezawodną i wydajną produkcję wodoru.

Jakość i dostępność czystej wody są kluczowe dla procesu PtX. Wysoka dostępność serwisowa i krótkie czasy napraw (Mean Time To Recover - MTTR), a także wysoki poziom dostępności systemu (Service Level Agreement - SLA) są nieodzowne dla instalacji do oczyszczania wody. Aby zminimalizować awarie, konieczne są działania takie jak redundancja krytycznych elementów, zoptymalizowane magazynowanie części zamiennych, stosowanie sprawdzonych komponentów i dokładny monitoring parametrów procesu. Strategie te pozwalają na osiągnięcie dostępności systemu powyżej 99%. EnviroFALK oferuje szeroki wybór wysokiej jakości komponentów, zapewniających maksymalne bezpieczeństwo procesu.

Systemy procesowe czystej wody EnviroFALK charakteryzują się modułową budową, co pozwala na elastyczną integrację z istniejącymi koncepcjami instalacji. Modularność ta umożliwia indywidualne rozmieszczenie różnych etapów procesu w zależności od warunków przestrzennych i technicznych. Niezależnie od tego, czy systemy będą ustawione obok siebie, jedna na drugiej, czy w osobnych pomieszczeniach – można je optymalnie dostosować do konkretnej sytuacji.

Zaawansowane systemy czystej wody dla zielonej energii

W ostatnich latach EnviroFALK, dzięki ścisłej współpracy z renomowanymi producentami systemów elektrolizy, opracował i wdrożył liczne systemy czystej wody do projektów PtX, dostosowane do różnych potrzeb.

Od początków w 2012 roku do dziś zrealizowano ponad 100 systemów czystej wody w różnych koncepcjach i mocach dla różnych projektów PtX. Obecnie znacząco przyczyniają się one do rozwoju wodoru jako zrównoważonego nośnika energii i promują ekologiczne, nowoczesne metody produkcji energii.

W 2015 roku w parku przemysłowym Mainz-Hechtsheim została uruchomiona jedna z największych na świecie, elastyczna instalacja do produkcji wodoru o mocy 6 MW. Obecnie, za pomocą elektrolizerów PEM firmy Siemens, co godzinę wytwarzanych jest do 1000 Nm³ zielonego wodoru z nadmiarowej energii wiatrowej. Wodór jest magazynowany lokalnie i następnie kierowany do różnych zastosowań, takich jak transport, przemysł i sieć gazowa. Surowiec „woda” jest dostarczany przez system czystej wody o wydajności 1000 l/h, który usuwa zanieczyszczenia i rozpuszczone sole za pomocą systemu oczyszczania wody procesowej o wydajności 4200 l/h.

W 2023 roku firma Air Liquide, we współpracy z Siemens Energy, uruchomiła projekt „Trailblazer” – 20 MW elektrolizer PEM do produkcji zielonego wodoru. Trailblazer zaopatruje kluczowe gałęzie przemysłu, takie jak stal, chemia, rafinerie i transport, w 2900 ton zielonego wodoru rocznie oraz tlen. EnviroFALK dostarczyła system recyrkulacji o przepływie 30 000 l/h. Modułowa instalacja została wstępnie zamontowana w fabryce w Leverkusen i szybko zainstalowana na miejscu, gotowa do pracy.

Kolejne przekonujące przykłady sukcesów:

– Windgas Kassel GmbH (projekt PtG)
Moc elektryczna 1,25 MW z energii wiatrowej, produkcja wodoru ok. 200 Nm³/h, system czystej wody 300 l/h, recyrkulacja 600 l/h

– Salzgitter Flachstahl (projekt PtG)
Moc elektryczna 2,2 MW z energii wiatrowej, produkcja wodoru ok. 400 Nm³/h, system czystej wody 900 l/h, recyrkulacja 4200 l/h

– Ludwigshafen (projekt PtC)
Moc elektryczna 54 MW, produkcja wodoru 8000 t/rok, system czystej wody 10 500 l/h, recyrkulacja 150 000 l/h

Projekty PtX dla klimatycznie neutralnej Europy

Planowanie innowacyjnych projektów PtX to kluczowy krok na drodze do klimatycznie neutralnej Europy do 2050 roku. Projekty te pomagają zmniejszyć zależność od paliw kopalnych i zdywersyfikować źródła energii. Pierwszy na świecie atlas PtX, opracowany przez Fraunhofer Institute for Energy Economics and Energy System Technology, pokazuje ogromny potencjał, szczególnie w regionach bogatych w odnawialne źródła energii. Takie projekty mogą nie tylko przemienić Europę, ale także zrewolucjonizować globalną infrastrukturę energetyczną, tworząc sytuację korzystną zarówno dla środowiska, jak i gospodarki.

EnviroFALK jest gotowy wspierać projekty PtX zaawansowanymi systemami czystej wody, aby dalej promować ich klimat-neutralność.

Vita Christopher Lenz:

Christopher Lenz, urodzony w 1994 roku w Limburg an der Lahn, już od młodości wykazywał duże zainteresowanie zrównoważonym rozwojem i efektywnością energetyczną. W 2019 roku uzyskał tytuł licencjata inżyniera w dziedzinie technologii energii, specjalizując się w technologii wodoru dla dużych zakładów produkcyjnych we współpracy z firmą Trianel GmbH. W 2021 roku ukończył studia magisterskie na kierunku Odnawialne Źródła Energii, pisząc pracę na temat analizy wielokryterialnej dla gospodarki wodorem, obejmującej aspekty ekonomiczne, ekologiczne i techniczne. Obie prace odzwierciedlają jego głębokie zainteresowania technologią wodoru. Jako kierownik projektu w Trianel GmbH aktywnie uczestniczył w projektach związanych z wodorem. Od 2023 roku, jako Business Development Manager w EnviroFALK, odpowiada za dział systemów czystej wody dla projektów PtX.