Laboratorium innowacji Aperam – katalizator rozwoju
Aperam dostarcza materiały na potrzeby dynamicznie rozwijającej się branży procesów elektrolizy. Grupa oferuje stal nierdzewną, stopy niklu oraz dysponuje odpowiednimi ośrodkami badawczymi. W połączeniu z przemysłową produkcją seryjną daje to rozległą infrastrukturę, obejmującą również własne centra serwisowe.
Wodór to znacznie więcej niż tylko nośnik energii – to źródło nadziei. Tempo dekarbonizacji przemysłu, przy jednoczesnym zachowaniu jego konkurencyjności, zależy od możliwości pozyskiwania wodoru w niezbędnych ilościach, po akceptowalnych kosztach i przy zapewnieniu odpowiedniego bezpieczeństwa dostaw. Metody wytwarzania wodoru są znane, a niektóre z nich sprawdziły się już w zastosowaniach przemysłowych. Nadal jednak trwają intensywne prace nad optymalizacją wytwarzania tego gazu.
To, które procesy i w których branżach można wykorzystać, jest również kwestią zastosowanych materiałów. Muszą one charakteryzować się wysoką odpornością na korozję, przewodnością elektryczną i wytrzymałością mechaniczną. Oznacza to, że materiałami pierwszego wyboru są stale nierdzewne i wysokostopowe. Aperam oferuje jedno i drugie. Nic dziwnego, to przecież firma, która uznała transformację energetyczną za swój strategiczny priorytet.
Pomoc w dążeniu do celu
Firma Aperam połączyła swoje kompetencje zakładu produkcji stali nierdzewnych w Isbergues z możliwościami w zakresie produkcji stopów w Imphy, tworząc tzw. Innovation Lab. Podobne działania podjęto również w zakresie technologii produkcji, na przykład w wytwarzaniu taśm precyzyjnych i innych wyrobów płaskich, których powierzchnia jest zoptymalizowana pod kątem późniejszego nakładania dodatkowych metalowych warstw wierzchnich.
Mapa kierunków rozwoju technologicznego jest złożona. Aby obrać właściwą trasę w tym labiryncie, firma Aperam powołała, dr. Adolfo Kalergisa Do Nascimento Vianę na stanowisko dyrektora ds. innowacji rynkowych i rozwoju biznesowego – CCUS, nowych źródeł energii i wodoru. Do jego zadań należy między innymi analiza zastosowania aktualnie oferowanych produktów Aperam Stainless i Aperam Alloys w nowych aplikacjach. Co ważniejsze: patrząc przyszłościowo, ocenia gdzie nowe rozwiązania materiałowe są obiecujące i którzy partnerzy przemysłowi wchodzą w grę w zakresie wspólnych projektów. W tym celu wykorzystuje synergię między działami stali nierdzewnej, stopów niklu i centrów serwisowych.
Ważnym sojusznikiem Adolfo Kalergisa na rynku niemieckojęzycznym jest Ralf Behle, starszy menedżer ds. rozwoju biznesowego w dziale stopów Imphy. Behle dzieli się swoimi praktycznymi doświadczeniami:
– W przypadku elektrolizerów mamy do czynienia z szerokim spektrum wymagań materiałowych. Obejmuje ono zarówno podstawowe gatunki stali nierdzewnych ferrytycznych, jak i czysty nikiel oraz tytan. Równie szeroka i płynna jest wymiana wiedzy i doświadczeń między dwoma obszarami działalności grupy Aperam.
Zawsze gotowi
Dostępnych jest obecnie kilka metod wytwarzania wodoru: elektroliza alkaliczna (AEL), membrany wymiany protonów (PEM), membrany wymiany anionów (AEM) oraz ogniwa elektrolityczne z tlenkiem stałym (SOEC). Zapytany o to, którą technologię uważa za najbardziej obiecującą, Kalergis odpowiada:
– Wiatr wieje raz z jednej, raz z drugiej strony. Aperam jest otwarty na różne technologie i ma gotową gamę materiałów dla każdej z nich.
Obecnie AEL jest najbardziej dopracowaną, a tym samym dominującą metodą. W przyszłości jednak wiodącą rolę może przejąć PEM. Obecnie AEL i PEM mają łącznie około 90% udziału w rynku.
Wiele osób prawdopodobnie pamięta z eksperymentów szkolnych zasadę elektrolizy alkalicznej. Woda staje się przewodząca po dodaniu kwasu lub zasady. Po zanurzeniu dwóch elektrod i przyłożeniu prądu stałego, przy biegunie dodatnim unoszą się pęcherzyki tlenu, a przy biegunie ujemnym – wodoru.
W zastosowaniach na dużą skalę proces ten przebiega przy użyciu silnych zasad w temperaturach roboczych od 60 do 90°C. Aperam do tych wyjątkowo korozyjnych warunków dostarcza odpowiednie stopy, w szczególności stop niklu 201 do elektrod i płyt bipolarnych, który łączy wysoką odporność na korozję z dobrą przewodnością elektryczną. Optymalną pod względem kosztów alternatywą mogą być gatunki austenityczne z powłoką niklową, takie jak Aperam 316L, 316A, 310L i 904L lub duplex DX2205.
W przypadku ram ogniw, obudów i rurociągów można rozważać zastosowanie standardowych stali austenitycznych, takich jak Aperam 304 (EN 1.4301) lub 316L (EN 1.4404).
Technologia AEL jest wytrzymała i sprawdzona w przemyśle a koszty inwestycyjne są stosunkowo umiarkowane. Jej sprawność elektryczna wynosi od 60 do 70%. Nadaje się ona przede wszystkim do pracy ciągłej na dużą skalę w miejscach, gdzie dostępna jest stała dostawa prądu.
Membrany polimerowe: wędrujące cząstki elektryczne
Elektrolizery PEM są wydajne nawet podczas pracy przerywanej. Nadają się dzięki temu do wykorzystania nieregularnie dostępnej energii wiatrowej lub słonecznej, typowej na przykład dla lokalizacji w Europie Środkowej. Nadają się również do mniejszych, zdecentralizowanych instalacji. Temperatury pracy są umiarkowane i wynoszą od 50 do 80°C w środowisku silnie kwasowych cieczy procesowych. Płytki bipolarne są zazwyczaj wykonane z tytanu lub alternatywnie ze stali nierdzewnej z powłoką tytanową.
Membrany anionowymienne (AEM) stanowią obiecującą alternatywę. Łączą one mechanizmy działania technologii alkalicznej i PEM. Ich konstrukcja jest kompaktowa, nie wymagają one stosowania szczególnie szlachetnych metali katalizatorowych, a ich temperatura robocza wynosi od 40 do 70°C.
Elektrolizery AEM również zawierają media wodne. Środowisko pracy jest zazwyczaj umiarkowanie zasadowe, a ciśnienia niskie. Zastosowane materiały muszą więc być odporne na korozję w środowisku alkalicznym. Kalergis podkreśla:
– Odporność na korozję i przewodność elektryczna są ze sobą powiązane. Każdy, kto kiedykolwiek denerwował się z powodu utlenionych styków akumulatora, wie, że tlenki metali działają izolująco. W elektrolizerach korozja nie tylko zagrażałaby bezpieczeństwu komponentów, ale także wprowadzałaby jony do systemu i wpływała negatywnie na wydajność elektryczną.
W elektrolizie AEM stosuje się te same materiały, co w technologii PEM. Również wydajność elektryczna obu procesów jest na podobnym poziomie. Jednak technologia AEM znajduje się nadal w fazie intensywnego wdrażania na skalę przemysłową, a doświadczenia długoterminowe są ograniczone.
Pewna przyszłość
Ogniwa elektrolizy tlenkowej (solid oxide electrolyzer cells, SOEC) są najgorętszym – w przenośni i dosłownie – kandydatem do zapewnienia dostaw wodoru na dużą skalę. Proces elektrolizy, który przebiega przy użyciu membran ceramicznych, wymaga bowiem temperatur w zakresie od 650 do 850°C. Sprawność elektryczna wynosi od 80 do 90%. Surowcem jest para wodna, więc część potrzebnej energii można dostarczyć w postaci przemysłowego ciepła odpadowego, co dodatkowo zwiększa całkowitą efektywność.
Niestety wymagania materiałowe są równie duże jak potencjalne korzyści: odporność na pełzanie, zmęczenie materiału, utlenianie w wysokich temperaturach, dyfuzja gazów i kompatybilność powłok. Kalergis komentuje:
– Te temperatury robocze nie są dla nas niczym nowym, w końcu nasze materiały są stosowane od dziesięcioleci w procesach wysokotemperaturowych w przemyśle chemicznym. Długoletnie doświadczenia są kompleksowo dokumentowane i analizowane w naszym dziale badań i rozwoju. Wykorzystujemy je we wspólnych projektach z klientami z branży budowy instalacji. Ponadto stanowią one podstawę dla nowych rozwiązań materiałowych, które promujemy zwłaszcza wśród producentów kominów.
W przypadku płyt łączących, kolektorów prądu i płyt końcowych rynek zwraca się obecnie w stronę ferrytycznych stali nierdzewnych. Niektórzy z czołowych producentów elektrolizerów zatwierdzili już gatunki Aperam K41, K44M, K45 i K46. Rozważany jest również stop Imphy 23SO, który charakteryzuje się doskonałą odpornością na pełzanie i utlenianie w wysokich temperaturach.
