Elektrolys med grön el för att producera energirik och lagringsbar vätgas kommer att öka kraftigt i Tyskland. Vid elektrolysen erhålls också syrgas, som idag sällan kommer till användning. Om elektrolysanläggningarna samlokaliseras med avloppsreningsverk finns användningsområden för syrgasen. Om ozon ska tillverkas med elektrolyssyre måste dock syrgasen förbehandlas omsorgsfullt. Särskilt viktigt är att halten av vattenånga sänks kraftigt genom avkylning och torkning.
Av: Hans Holmström
I Tyskland finns ett mål att senast år 2045 upphöra med utsläpp som ökar atmosfärens halt av växthusgaser. Det förutsätter en fortsatt storskalig utbyggnad av grön energi, såsom sol- och vindkraft. Ett delmål är att elektrolys av vatten med grön el, som ger vätgas, ska fram till 2030 byggas ut till 10 GW. För att kunna möta varierande tillgång och efterfrågan på energi behövs energilagring. Det är tänkt att vätgas från elektrolysen ska lagras som energibärare.
Vid elektrolys av vatten bildas också syre, som idag vanligen bara släpps ut till omgivande luft. Avloppsreningsverk är ofta lokaliserade till områden utan bostäder i den omedelbara närheten. Reningsverk kan därför vara en bra plats för storskalig elektrolys. Bildad syrgas skulle då kunna användas som syrekälla i ett biologiskt reningssteg eller för att producera ozon till ett behandlingssteg med syftet att sänka avloppsvattnets halt av mikroföroreningar.
Pilotanläggning för elektrolys och ozonproduktion vid ett avloppsreningsverk
I artikeln redovisas resultat från en liten elektrolysenhet på 7 kW med PEM-teknik (Protone Exchange Membrane). Denna elektrolysmetod möjliggör en dynamisk drift, d v s elektrolysen kan drivas med varierande tillgång på grön el.
Driftförhållandena i elektrolysen var 70 oC och ett tryck på 10 bar. Den högsta produktionen från reaktorn var 1,5 Nm3/h vätgas och 0,75 Nm3/h syrgas, med en halt på 99 % syre (O2).
Ozongeneratorn gav maximalt 6 g O3/h vid en effektförbrukning på 2 kW och hade följande krav på inmatad syrgas: Max 25 oC, lågt innehåll av vattenånga (< 200 ppm), 0,7 bars tryck och en syrgashalt på 93 – 97 %. Inköpt teknisk syrgas och torkad syrgas från elektrolysen jämfördes som syrekälla vid ozontillverkningen.
Drifterfarenheter från pilotanläggningen
Temperaturen i elektrolysreaktorn på 70 oC medförde att syrgasens innehåll av vattenånga var mycket högt, ca 29 000 ppm (volym). Det första behandlingsåtgärden för syrgasen blev därför en effektiv avkylning och torkning för att uppnå ozonreaktorns höga krav på lågt innehåll av vattenånga. Den höga syrgashalten på 99 % påverkar också ozonbildningen negativt. För att komma ned till det ovan angivna intervallet för syre (93 – 97 %) krävdes en kontrollerad inblandning av små luftmängder.
En effektiv ozonproduktion kräver också att vätgasinnehållet i syrgasen är lågt. I detta fall var vätgashalten över 400 ppm (volym), rester från elektrolysen. Det är möjligt att en reaktion i ozongeneratorn mellan syre och vätgas kan återbilda vattenånga och på så sätt försämra ozonbildningen. Denna mekanism studerades dock inte närmare i undersökningen. I storskalig drift måste man avlägsna det mesta av vätgasen, t ex genom katalytisk oxidation till vattenånga. Ännu en torkning av syrgasen kan sedan krävas.
En jämförelse av ozonproduktionen med inköpt teknisk syrgas och syrgas från elektrolysen visade att utbytet var ca 40 % lägre för elektrolyssyret. Orsaken var troligen vätgasen, som uppkom som en restförorening från elektrolysen.
Kostnader
Kostnaden för syrgas från elektrolysen som kan användas för ozonproduktion hamnade på 56 – 76 Euro/ton. Då är inte kostnaden för att driva elektrolysen medtagen, eftersom den primärt är till för att producera energirik vätgas. Inte heller är några kostnader för att eliminera rester av vätgas är med i kostnadskalkylen. De ovan angivna kostnaderna är därför lågt räknade. Kostnaden för inköpt teknisk syrgas var 162 Euro/ton.
Källa: Pyro, P. m fl (2022): Herausforderungen bei der Nutzung von Elektrolysesauerstoff zur Ozonherstellung fur die Spurenstoffelimination, Korrespondenz Abwasser, nr 11/22, sid 949 – 954.
