Na PW powstaje ko-elektrolizer wysokotemperaturowy do syntezy paliw sztucznych

Politechnika Warszawska od lat rozwija technologię węglanowych ogniw paliwowych. Kolejnym krokiem w badaniach naukowców PW jest opracowanie ko-elektrolizera do produkcji wysokiej jakości gazu syntezowego.

Zespół naukowców z Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa od lat pracuje nad ogniwami paliwowymi ze stopionym węglanem (MCFC, z ang. Molten Carbonate Fuel Cell). – Kontynuujemy prace rozpoczęte przez światowe koncerny jak Ansaldo Fuel Cell czy ośrodki naukowe jak Hanbat University, znacznie jednak poprawiając procesy produkcji ogniw i konstrukcji stosów, dzięki temu nie jesteśmy od nikogo zależni – podkreśla doktorant mgr inż. Aliaksandr Martsinchyk.

Krok po kroku

– Podczas realizacji wielu projektów badawczych zdobyliśmy wiedzę jak wytwarzać ogniwa MCFC, a także je utylizować do ponownego wykorzystania. W międzyczasie uczyliśmy się masowej produkcji ogniw z wykorzystaniem metod drukarskich. Doskonalimy również ich strukturę – opowiada dr inż. Arkadiusz Szczęśniak, który ogniwami zajmuje się od początku swoje kariery naukowej.

W ramach projektu „TENNESSEE”, realizowanym ze spółką Tauron, zespół z PW zbudował urządzenie dla elektrowni w Łaziskach Górnych. Wykorzystał w nim ogniwa do wychwytu CO2 ze spalin, co pozwoliło na poprawę parametrów pracy instalacji power-to-gas.

Nowe kierunki rozwoju

– Kiedy opracowaliśmy węglanowe ogniwa paliwowe w skali przedkomercyjnej, stwierdziliśmy, że kolejnym zastosowaniem dla naszej technologii może być synteza paliw bezpośrednio z wody, CO2 i energii elektrycznej – mówi dr inż. Arkadiusz Szczęśniak.
– Dotychczas pracowaliśmy z ogniwami, w przypadku których dostarczaliśmy wodór i produkowaliśmy energię elektryczną. Chcieliśmy zbadać czy to samo ogniwo, po pewnych modyfikacjach, może pracować w drugą stronę, czyli my dostarczamy parę wodną oraz CO2 i otrzymujemy paliwo – wyjaśnia.

Udało się potwierdzić takie działanie w projekcie „Opracowanie i badania elektrolizera opartego o stopione węglany (MCE)”, który otrzymał dofinansowanie w konkursie „ENERGYTECH-1 Impulse” w ramach realizowanego w PW programu „Inicjatywa doskonałości – uczelnia badawcza” (IDUB).

A zaczęło się od jednego ogniwa 

–  Na podstawie wstępnych wyników badań postanowiliśmy powtórzyć rozwiązanie, ale już nie w skali pojedynczego ogniwa, ale stworzyć stos ogniw połączonych szeregowo. Tak narodził się projekt COYOTE i wniosek do programu LIDER 13 Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, z którego otrzymamy wsparcie – mówi dr inż. Arkadiusz Szczęśniak, kierownik projektu.

W ramach projektu COYOTE zespół, który tworzą również: mgr inż.  Aliaksandr Martsinchyk, mgr inż. Olaf Dybiński, mgr inż. Pavel Shuhayeu, prof. dr hab. inż. Jarosław Milewski, dr inż. Jakub Skibiński oraz dr inż. Kamil Futyma, będzie rozwijał pierwsze polskie urządzenie do syntezy paliw sztucznych – ko-elektrolizer MCE (ang. Molten Carbonate Electrolysis). Z wykorzystaniem CO2 i wody powstanie gaz syntezowy do dalszej konwersji na paliwa syntetyczne, czyli takie, które nie zawierają zanieczyszczeń w postaci związków siarki, tlenków azotu czy cząstek stałych. Zwiększy to udział OZE w produkcji energii i finalnie zredukuje emisje CO2 z sektora energetycznego. 

To bardzo ważne również w kontekście unijnego zakazu sprzedaży samochodów spalinowych po 2035 r. Technologia pozwala ma produkowanie tego samego paliwa, ale w sposób zeroemisyjny.

– Aktualnie budujemy narzędzia numeryczne. Chcemy przygotować modele, zrobić symulacje, żeby zbadać jak nasz stos będzie się zachowywał – wyjaśnia dr inż. Arkadiusz Szczęśniak. – Kolejnym krokiem będzie jego konstrukcja. Najpierw wszystkie elementy zewnętrzne, potem dołożymy te aktywne, złożymy całość i sprawdzimy jak działa. Jeżeli testy wyjdą pomyślne, ostatnim etapem będzie przygotowanie dokumentacji, jak to zrobić w większej skali – dodaje.

Na czym polega działanie urządzenia? – Mamy zmagazynowany, odseparowany CO2 i parę wodną. Taką mieszankę wtłaczamy do ko-elektrolizera, który zasilamy prądem elektrycznym ze źródła odnawialnego (np. energii słonecznej), co powoduje konwersję wody do wodoru i CO2 do tlenku węgla, co można dalej zastosować w reakcjach syntezy paliw – tłumaczy mgr inż.  Aliaksandr Martsinchyk.

Nieustanne poszukiwania

Koelektroliza jest pierwszym etapem syntezy paliw, kolejny to skierowanie wytworzonego gazu do reaktora Fishera-Tropscha. Taka koncepcja, o akronimie Hyflow, zajęła trzecie miejsce w organizowanym na PW Tech-Athonie.

– Budowany przez nas ko-elektrolizer MCE to urządzenie podstawowe. Hyflow to kolejny krok – mówi dr inż. Arkadiusz Szczęśniak.

Naukowcy jednocześnie szukają innych rozwiązań, które mogą zoptymalizować działanie urządzenia. – W konkursie „YOUNG PW” realizowanym w ramach programu IDUB dostaliśmy trzy granty na projekty związane z ogniwami. Jeden dotyczy takiego samego urządzenia co ko-elektrolizer, tylko działającego pod ciśnieniem – mówi mgr inż.  Aliaksandr Martsinchyk.

W innym projekcie zrealizowanym w ramach konkursu  IDUB „ENERGYTECH-2 Power” mgr inż. Olaf Dybiński wykazał możliwość zastosowania biopaliw płynnych opartych na alkoholach do zasilana ogniwa paliwowego MCFC. Takie rozwiązanie  zapewnia bardzo dużą gęstość energii i jest kolejnym krokiem do zwiększenia konkurencyjności technologii MCFC i wdrożenia jej do zastosowania w szerokiej skali na rynku źródeł energii. Na podstawie wyników złożony został też wniosek w konkursie NCBiR Lider 14 na opracowanie urządzenia MCeFC (ang. Molten Carbonate e-Fuel Cell), produkującego energię elektryczną i ciepło z CO2 – neutralnych e-paliw płynnych. Kierownikiem projektu będzie mgr inż. Olaf Dybiński.

Projekt „Opracowanie ko-elektrolizera MCE do syntezy paliw sztucznych” (COYOTE) jest realizowany od czerwca 2023 r. i potrwa trzy lata.