Dlaczego elektrolizery zasadowe są lepsze przy użyciu wody o niskiej czystości

Nauka stojąca za odpornością zasadową: rola jonów wodorotlenowych (OH–)

Elektrolizery zasadowe działają poprzez wykorzystanie jonów wodorotlenowych OH⁻ w swoich cieczowych elektrolitach, zazwyczaj roztworach wodorotlenku potasu lub sodu o stężeniu około 20–30 procent. Tworzą one środowisko o wysokim pH, które pomaga zobojętniać irytujące zanieczyszczenia kwasowe, takie jak chlorki i siarczany występujące w wielu źródłach wody. Skład chemiczny nadaje tym systemom naturalną odporność na zanieczyszczenia, dzięki czemu nie wymagają one tak czystej wody jak systemy PEM. Wszyscy wiemy, że systemy PEM mają problemy z truciem katalizatora różnymi zanieczyszczeniami. Ostatni raport Rady Wodorowej z 2024 roku pokazał również coś interesującego: jony OH⁻ zwiększają przewodność jonową o około 1,7 razy lepiej niż w warunkach normalnych. Oznacza to, że system może działać płynnie nawet przy obecności rozpuszczonych substancji o stężeniu dochodzącym do 500 części na milion, co czyni go bardzo uniwersalnym w różnych środowiskach eksploatacyjnych.

Jak ciekłe elektrolity chronią przed typowymi zanieczyszczeniami

Cykliczny elektrolit alkaliczny działa jako dynamiczny bufor zanieczyszczeń:

• Jony metali ciężkich wytrącają się jako nierozpuszczalne wodorotlenki, minimalizując osadzanie się brudu na elektrodach
• Cząstki zawieszone są zatrzymywane w matrycy elektrolitu, zamiast zatykać krytyczne komponenty
• Jony wodorowęglanowe rozkładają się na CO₂ i wodę w warunkach alkalicznych, zapobiegając problemom z przenikaniem gazu

Testy wykazały, że systemy alkaliczne utrzymują sprawność na poziomie 92% przy zasilaniu wodą zawierającą 100 ppm krzemionki, podczas gdy wydajność PEM spada o 18% w tych samych warunkach. Dzięki tej odporności Global Electrolyzer Consortium zalecił technologię alkaliczną do stosowania w przypadku słonawych lub niskiej jakości źródeł wody.

Przykład z życia: Produkcja wodoru z wykorzystaniem wody rzecznej w projektach pilotażowych

W 2023 roku projekt pilotażowy w Azji Południowo-Wschodniej uruchomił elektrolizery alkaliczne wykorzystujące nieoczyszczoną wodę rzeczną (pH 6,8, mętność 25 NTU), wymagającą jedynie podstawowego sedymentowania. Po 8000 godzinach ciągłej pracy nie zaobserwowano degradacji napięcia, co potwierdza:

• O 3,3% niższy koszt wodoru uzyskanego w systemach zasadowych w porównaniu do systemów PEM zależnych od dejonizacji
• o 45% niższe zapotrzebowanie na energię w procesie wstępnego oczyszczania
• Możliwość skalowalnego wdrożenia w regionach pozbawionych infrastruktury dostarczania ultraczystej wody

Te wyniki podkreślają praktyczną przewagę systemów zasadowych w zdecentralizowanych lub ograniczonych zasobowo środowiskach

Systemy zasadowe vs. elektrolizery PEM: wymagania dotyczące czystości wody w porównaniu

Ścisłe wymagania dotyczące czystości wody dla elektrolizerów PEM i AEM

Dla elektrolizerów PEM (protonowej membrany wymieniającej) i AEM (anionowej membrany wymieniającej) użycie wody dejonizowanej o oporności powyżej 1 MΩ·cm jest absolutnie konieczne, jeśli chcemy uniknąć problemów takich jak zanieczyszczenie membrany i degradacja katalizatora w przyszłości. Gdy te systemy wchodzą w kontakt z wodą zawierającą ponad 50 części na miliard jonów metali, ich wydajność znacząco spada – gdzieś między 15% a 20% utraty efektywności, jak niedawno podano w raporcie Hyfindr. Systemy alkaliczne przedstawiają jednak inną sytuację. Radzą sobie z zanieczyszczeniami na poziomach od 10 do nawet 100 razy wyższych niż systemy PEM, ponieważ ich ciekły elektrolit KOH działa jak tarcza chroniąca przed zanieczyszczeniami. To czyni je znacznie bardziej wyrozumiałymi pod względem wymagań dotyczących jakości wody.

Kompromis wydajności: Czy wydajność systemów PEM uzasadnia ich wysokie wymagania dotyczące czystości?

Elektrolizery PEM działają z wyższą sprawnością, w okolicach 75–80 procent, w porównaniu do około 60–70 procent dla jednostek alkalicznych. Istnieje jednak haczyk, ponieważ ich eksploatacja jest znacznie droższa pod względem konieczności utrzymywania odpowiednio czystej wody. Aby wyprodukować jeden kilogram wodoru, systemy PEM potrzebują od dziewięciu do dwunastu litrów wody zdejonizowanej, według badań przeprowadzonych przez ACS Industries w 2025 roku. To znacznie więcej niż pięć do ośmiu litrów wymaganych przez tradycyjne metody alkaliczne. Dodatkowo, biorąc pod uwagę fakt, że technologia PEM w dużym stopniu polega na drogich katalizatorach z grupy platynowej, całkowity koszt okazuje się być o 25% aż do nawet 40% wyższy niż w przypadku systemów alkalicznych w dłuższym okresie czasu. Dlatego też, mimo że są one technicznie bardziej wydajne, dodatkowe wydatki znacząco ograniczają wszelkie potencjalne korzyści finansowe.

Kluczowe różnice w wrażliwości na zanieczyszczenia i długości użytkowania systemu

Elektrolizery zasadowe potrafią radzić sobie ze wszystkimi rodzajami zanieczyszczeń bez uszkodzenia, w tym z chlorkami, siarczanami, a nawet krzemionką, które z czasem niszczą membrany PEM. Wynik? Te systemy działają znacznie dłużej w warunkach rzeczywistych. Mówimy o czasie pracy wahającym się od około 60 tys. do prawie 90 tys. godzin dla modeli zasadowych, co jest mniej więcej dwukrotnie więcej niż najlepsze wyniki większości jednostek PEM (zwykle między 30 tys. a 45 tys. godzin). Kolejną dużą zaletą technologii zasadowej jest jej prosta konstrukcja stosu. Ta prostota oznacza mniejszy kłopot podczas prac serwisowych i znacznie obniża koszty napraw, często o 35% do połowy w porównaniu z innymi rozwiązaniami dostępnymi na rynku.

Rosnąca eksploatacja w regionach narażonych na niedobór wody i odległych

Analiza trendów: Wdrażanie w obszarach o ograniczonym dostępie do oczyszczania wody słodkiej

W miejscach, gdzie oczyszczalnie wody nie istnieją lub ich eksploatacja jest po prostu niemożliwa, ludzie coraz częściej sięgają po elektrolizery zasadowe. Te systemy mogą działać praktycznie z dowolnym lokalnie dostępnym źródłem wody, niezależnie od tego, czy pochodzi ona z rzek, czy nawet lekko zasolonej wody, bez konieczności wykonywania różnorodnych zaawansowanych etapów wstępnego przetwarzania. To czyni je szczególnie przydatnymi do zakładania stacji wytwarzania wodoru w odległych rejonach, daleko od głównych ośrodków zamieszkania. Weźmy jako przykład ostatni przypadek testowy z 2023 roku. Udało się utrzymać pracę systemu na poziomie około 92% sprawności, nawet przy użyciu surowej wody rzecznej zawierającej sporo zawiesiny oraz ponad 15 części na milion rozpuszczonych substancji. W regionie Azji i Pacyfiku ta tendencja ostatnio nabiera tempa. Systemy zasadowe zapewniają zwykłym ludziom alternatywę dla bardzo drogich wojskowych filtrów wodnych. I nie zapominajmy, że te instalacje zmniejszają zużycie energii potrzebnej do przygotowania wody o około jedną trzecią w porównaniu z tradycyjnymi metodami.

Korzyści z zasad zrównoważonego rozwoju: zmniejszenie zależności od infrastruktury wody dejonizowanej

Dzięki tolerancji wobec wapnia (do 50 mg/L) i krzemionki (do 20 mg/L), elektrolizery alkaliczne eliminują potrzebę stosowania odwróconej osmozy lub systemów jonowymiennych, które zużywają 2–4 kWh/m³ oczyszczonej wody. To znacząco obniża:

• Emisję dwutlenku węgla o 18–22% na kilogram wyprodukowanego wodoru
• Wydatki inwestycyjne na infrastrukturę oczyszczania wody o 400 000–740 000 USD (Ponemon 2023)
• Przestojów serwisowych spowodowanych zabrudzeniem membran w jednostkach oczyszczania

Ta efektywność jest zgodna z Celami Zrównoważonego Rozwoju ONZ nr 6, szczególnie w regionach suchych, gdzie mniej niż 5% dostępnej wody naturalnie spełnia przemysłowe normy czystości, co czyni elektrolizę alkaliczną zrównoważoną ścieżką rozwoju zielonego wodoru.

Często zadawane pytania

• Co czyni elektrolizery alkaliczne lepszym wyborem dla wody o niskiej czystości? Elektrolizery zasadowe wykorzystują jony wodorotlenowe, które tworzą środowisko o wysokim pH, neutralizując zanieczyszczenia kwasowe. Ta struktura naturalnie opiera się zanieczyszczeniom, w przeciwieństwie do elektrolizerów PEM, które wymagają wody ultra czystej, aby uniknąć trucia katalizatora i innych problemów.
• Jak elektrolizery zasadowe radzą sobie z zanieczyszczeniami? Ich ciekły elektrolit działa jako bufor, wytrącając metale ciężkie w postaci nierozpuszczalnych wodorotlenków i wiążąc zawieszone cząstki, zapobiegając zapychaniu i osadzaniu się brudu na elektrodach.
• Dlaczego systemy zasadowe są preferowane w odległych i narażonych na niedobór wody obszarach? Mogą one efektywnie działać przy użyciu różnych źródeł wody bez konieczności intensywnej obróbki wstępnej wymaganej przez inne systemy, co czyni je idealnym wyborem dla zdecentralizowanej produkcji wodoru w regionach o ograniczonym dostępie do oczyszczonej wody.
• Jakie są implikacje dotyczące sprawności i kosztów elektrolizerów zasadowych w porównaniu z PEM? Chociaż systemy PEM są nieco bardziej wydajne, to systemy zasadowe są bardziej opłacalne, ponieważ wymagają mniej czystej wody, wykorzystują tańsze katalizatory i charakteryzują się dłuższą trwałością, co zmniejsza ogólne koszty eksploatacji.