Analiza emisji w elektrolizerach i ogniwach paliwowych typu PEMFCTechnologie wodorowe: w centrum uwagi – emisje PFAS
Artykuł gościnny autorstwa
Hannes Schlottmann, pracownik naukowy, IWW – Instytut Badań nad Wodą | Tłumaczenie wykonane przez sztuczną inteligencję
7 min Czas czytania
Ogniwa paliwowe i elektrolizery stanowią kluczowe elementy gospodarki wodorowej. Wraz z postępującym rozwojem tej branży na pierwszy plan wysuwa się pytanie, czy i w jakim stopniu z zastosowanych materiałów mogą uwalniać się PFAS. W ramach projektu badawczego zamierza się zbadać potencjalne emisje oraz ocenić środki zapobiegające uwalnianiu szkodliwych substancji per- i polifluoroalkilowych.
Rys. 1: Pobieranie próbek bezpośrednio z pojazdu napędzanego ogniwami paliwowymi. Zebrana woda jest następnie badana pod kątem obecności PFAS, które mogą pochodzić z membrany ogniwa paliwowego.
(Zdjęcie: ZBT)
To wizja czystej, ekologicznej przyszłości. I wydaje się, że pod względem technologicznym jest ona jak najbardziej realna. Gospodarka wodorowa jest powszechnie uznawana za jedną z kluczowych technologii służących dekarbonizacji oraz zwiększeniu odporności przemysłu, transportu i systemów energetycznych. W szczególności elektrolizery i ogniwa paliwowe oparte na membranach wymiany protonów (Proton Exchange Membrane, w skrócie PEM) umożliwiają elastyczne, wydajne i efektywne wykorzystanie wodoru w całym łańcuchu wartości. Wraz z postępującą na całym świecie rozbudową infrastruktury wodorowej, oprócz kwestii efektywności energetycznej i opłacalności, coraz większą uwagę przyciągają również przewidywalne zaostrzenie przepisów dotyczących PFAS(PFAS: substancje per- i polifluoroalkilowe) oraz aspekty środowiskowe stosowanych technologii.
Ogniwa PEM oparte na wysoce funkcjonalnych polimerach per- i polifluorowanych z grupy PFAS stanowią obecnie standard przemysłowy, a ich wyjątkowe właściwości materiałowe mają kluczowe znaczenie w wymagających warunkach pracy ogniw paliwowych i elektrolizerów. Membrany te charakteryzują się wyjątkową stabilnością termiczną, mechaniczną i chemiczną, a także wysoką przewodnością protonową. Właściwości te gwarantują niezawodną i długotrwałą pracę ogniw nawet w zmiennych warunkach obciążenia.
Pomimo swojej dużej stabilności również membrany wymiany protonowej ulegają procesowi starzenia podczas eksploatacji. Za główną przyczynę degradacji chemicznej membrany uważa się oddziaływanie wysoce reaktywnych rodników hydroksylowych, które w zależności od składu membrany i warunków eksploatacji może powodować powstawanie najróżniejszych fragmentów PFAS. I tu pojawia się poważny problem.
PFAS – właściwości, zagrożenia i znaczenie dla środowiska
W kontekście potencjalnych negatywnych skutków uwolnionych PFAS (patrz ramka informacyjna) w ostatnich latach wprowadzono liczne wartości graniczne, referencyjne i orientacyjne, na przykład dla wody pitnej. Wraz z poszerzaniem się bazy danych oraz lepszym zrozumieniem skutków zdrowotnych należy spodziewać się w przyszłości dalszego zaostrzenia wymogów regulacyjnych.
Naukowcy zidentyfikowali już różne zastosowania przemysłowe jako istotne źródła PFAS. Należą do nich m.in. niektóre zakłady produkcyjne przemysłu chemicznego, a także piany gaśnicze zawierające fluor, które były stosowane zwłaszcza na lotniskach. Podczas gdy w odniesieniu do tych źródeł przeprowadzono już badania i wprowadzono środki zaradcze, a także nadal są one opracowywane, jak dotąd dostępnych jest niewiele danych dotyczących potencjalnego uwalniania PFAS w zastosowaniach związanych z technologią wodorową. W związku z przewidywanym znacznym rozwojem elektrolizerów PEM i systemów ogniw paliwowych coraz częściej pojawia się pytanie, czy technologie te również powodują potencjalne emisje PFAS i w jakim stopniu konieczne mogą być środki techniczne lub regulacyjne.
Substancje per- i polifluoroalkilowe (PFAS)
Od kilku lat grupa związków PFAS cieszy się coraz większym zainteresowaniem ze strony środowiska naukowego, polityków i opinii publicznej. PFAS obejmują kilka tysięcy związków chemicznych, które charakteryzują się wyjątkowo wysoką stabilnością wobec procesów rozkładu chemicznego, termicznego i biologicznego.
Wiele związków PFAS utrzymuje się przez długi czas w środowisku i może się nagromadzać w glebie, wodach powierzchniowych i wód podziemnych. W szczególności perfluorowane kwasy karboksylowe i sulfonowe charakteryzują się wysoką mobilnością i mogą rozprzestrzeniać się na dużych obszarach poprzez obieg wody. Ponadto związki o krótkich łańcuchach, takie jak trifluorooctan (TFA), charakteryzują się wyjątkowo wysoką mobilnością i rozprzestrzeniają się na całym świecie poprzez transport atmosferyczny.
Wpływ wielu PFAS na zdrowie nie został dotychczas w pełni zbadany. W przypadku niektórych z nich wykazano jednak już negatywne skutki [2]. Należą do nich zaburzenia funkcjonowania układu odpornościowego, ograniczenia płodności, uszkodzenia wątroby i nerek, podwyższony poziom cholesterolu oraz zwiększone ryzyko wystąpienia niektórych nowotworów. Ze względu na połączenie trwałości, mobilności i potencjalnej toksyczności Unia Europejska sklasyfikowała PFAS jako tzw. substancje PMT (trwałe, mobilne i toksyczne).
Wstępne badania nad pojazdami napędzanymi ogniwami paliwowymi
W celu przeprowadzenia wstępnej oceny tej kwestii zespół z Centrum Technologii Ogniw Paliwowych (ZBT) oraz Instytutu Badań nad Wodą (IWW) zbadał w ramach badania emisję PFAS z różnych pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi (pojazdy elektryczne z ogniwami paliwowymi, FCEV) [3]. W tym celu pobrano próbki z dwóch samochodów osobowych oraz jednego pojazdu użytkowego i poddano je analizie pod kątem wybranych związków z grupy PFAS, stosując chromatografię cieczową sprzężoną z tandemową spektrometrią masową (LC-MS/MS) zgodnie z normą DIN EN 17892:2024-08.
Analizy wykazały obecność tych substancji we wszystkich badanych pojazdach, przy czym łącznie zidentyfikowano pięć różnych PFAS. Szczególnie rzucała się w oczy różnica w stężeniach między samochodami osobowymi a pojazdami użytkowymi, co prawdopodobnie wynika z różnej wielkości i konstrukcji układu wydechowego. Wykryte związki, z jednym wyjątkiem, były perfluorowanymi kwasami karboksylowymi. Ich powstawanie wydaje się zasadniczo prawdopodobne w kontekście omawianych obecnie procesów rozkładu membran pod wpływem rodników.
Stan na dzień: 20.11.2020 r.
Jest dla nas sprawą oczywistą, że w sposób odpowiedzialny obchodzimy się z danymi osobowymi użytkowników. Jeśli gromadzimy dane osobowe, przetwarzamy je zgodnie z obowiązującymi przepisami o ochronie danych. Szczegółowe informacje można znaleźć tutaj: Polityka prywatności.
Zgoda na wykorzystanie danych do celów reklamowych
Wyrażam zgodę na wykorzystywanie przez spółkę Vogel Communications Group GmbH & Co. KG, Max-Planck-Str. 7-9, 97082 Würzburg, Niemcy, oraz przez wszystkie spółki z nią powiązane w rozumieniu §§ 15 i nast. niemieckiej ustawy o spółkach akcyjnych AktG (dalej: Vogel Communications Group) mojego adresu e-mail do przesyłania mi newsletterów redakcyjnych. Lista spółek stowarzyszonych znajduje się tutaj.
Treść newslettera obejmuje produkty i usługi wszystkich wyżej wymienionych spółek, w tym na przykład czasopisma branżowe i książki specjalistyczne, wydarzenia i targi branżowe, a także produkty i usługi związane z wydarzeniami, oferty i usługi mediów drukowanych i wirtualnych, takie jak inne newslettery informacyjne, konkursy, kampanie leadowe, badania rynku online i offline, specjalistyczne portale internetowe i oferty e-learningowe. Jeśli pobrany został również mój osobisty numer telefonu, może być on wykorzystany do składania ofert dotyczących wymienionych wyżej produktów i usług wyżej wymienionych spółek oraz do badań rynkowych.
Moja zgoda obejmuje również przetwarzanie mojego adresu e-mail i numeru telefonu w celu porównania danych w celach marketingowych z wybranymi partnerami reklamowymi, takimi jak np. LinkedIn, Google i Meta. W tym celu Vogel Communications Group może przekazać wskazane dane w postaci zahashowanej partnerom reklamowym, a partnerzy ci mogą następnie wykorzystywać je w celu ustalenia, czy posiadam również konto w odpowiednich serwisach tych partnerów reklamowych. Grupa Vogel Communications wykorzystuje tę funkcję do celów retargetingu (upselling, cross-selling i budowanie lojalności klientów), tworzenia tzw. grup odbiorców podobnych (Lookalike Audiences) w celu pozyskiwania nowych klientów oraz jako podstawę do wykluczania odbiorców z bieżących kampanii reklamowych. Więcej informacji można znaleźć w sekcji „Porównanie danych w celach marketingowych” w polityce prywatności.
Jeśli otworzę na stronach internetowych chronione treści umieszczone na portalach Grupy Vogel Communications, w tym jej spółek stowarzyszonych w rozumieniu §§ 15 i nast. niemieckiej ustawy o spółkach akcyjnych AktG, muszę zarejestrować się, podając dodatkowe dane, aby uzyskać dostęp do tych treści. W zamian za bezpłatny dostęp do treści redakcyjnych, moje dane mogą być wykorzystywane zgodnie z niniejszą zgodą do tutaj określonych celów. Nie dotyczy to porównywania danych w celach marketingowych.
Prawo do wycofania zgody
Jestem świadomy(a), że w przyszłości mogę wycofać zgodę w dowolnym momencie. Wycofanie przeze mnie zgody nie ma wpływu na zgodność z prawem przetwarzania, którego dokonano na podstawie mojej zgody do momentu jej wycofania. Aby wycofać zgodę, mogę skorzystać z formularza kontaktowego dostępnego pod adresem https://contact.vogel.de/pl. Jeśli nie chcę już otrzymywać subskrybowanych przeze mnie newsletterów, mogę zrezygnować z subskrypcji naciskając w link znajdujący się na końcu newslettera. Więcej informacji na temat mojego prawa do wycofania zgody, a także konsekwencji wycofania zgody znajduje się tutaj: Polityka prywatności, sekcja Newslettery redakcyjne.
Rys. 2: Ilustracja przedstawia wykrycie PFAS w wodzie końcowej z trzech pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi (FCEV 1 i 2: samochody osobowe; FCEV 3: pojazd użytkowy). Przedstawiono zmierzone stężenia różnych PFAS; czerwone słupki wskazują odpowiednią łączną ilość wszystkich wykrytych PFAS. Dla lepszej przejrzystości przedstawiono wyłącznie wartości powyżej 0,005 µg/l. Litera S oznacza próbkę, C – katodę, a A – anodę.
(Zdjęcie: ZBT)
Ogólnie rzecz biorąc, zmierzone stężenia utrzymywały się na niskim poziomie. Aby właściwie zinterpretować wyniki, warto zapoznać się z wytycznymi dotyczącymi oceny PFAS w oparciu o progi nieistotności (GFS) i orientacyjne wartości zdrowotne (GOW), udostępnionymi przez Federalne Ministerstwo Środowiska, Ochrony Klimatu, Ochrony Przyrody i Bezpieczeństwa Jądrowego (BMUKN). Zgodnie z tymi wytycznymi obecnie nie ma żadnych przesłanek wskazujących na niekorzystną zmianę jakości wody.Jednak obowiązujące przepisy nie obejmują wszystkich występujących PFAS. Wraz z wprowadzeniem nowych wartości granicznych i rozszerzeniem możliwości analitycznych przyszłe oceny mogą zatem ulec zmianie.
Wstępne badania wykazały, że wiele kwestii naukowych pozostaje jak dotąd niewyjaśnionych. Jaki wpływ na powstawanie PFAS mają różne warunki eksploatacyjne? Czy poza zakresem ustalonych standardowych analiz powstają inne PFAS? Czy PFAS mogą występować również w fazie gazowej i być uwalniane wraz ze strumieniami powietrza wywiewanego? Czy wykryte związki rzeczywiście pochodzą z membran, czy też z innych elementów zawierających fluor? W jakim stopniu wyniki uzyskane w ogniwach paliwowych można przenieść na elektrolizery PEM?
Projekt badawczy „Parzell”
Aby odpowiedzieć na te pytania, zainicjowano wspólny projekt „Jakościowa i ilościowa analiza PFAS w warunkach zbliżonych do rzeczywistych podczas elektrolizy PEM i pracy ogniw paliwowych: znaczenie dla środowiska i wytyczanie działań”, w skrócie Parzell. Projekt (01LF24640N) jest finansowany w ramach programu wsparcia wspólnych badań przemysłowych (IGF) przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Energii i łączy wiedzę specjalistyczną Centrum Technologii Ogniw Paliwowych (ZBT), Instytutu Środowiska i Energii, Techniki i Analityki (IUTA) oraz Instytutu Badań nad Wodą (IWW). Projektowi towarzyszy komitet złożony z 16 partnerów przemysłowych, m.in. z dziedzin techniki analityczno-pomiarowej, techniki środowiskowej oraz produkcji komponentów i filtrów. W ramach projektu badane są ogniwa paliwowe i elektrolityczne typu PEM w warunkach zbliżonych do rzeczywistych w skali laboratoryjnej. W tym celu naukowcy dostosowują odpowiednie stanowiska badawcze specjalnie do tych wymagających testów, aby wykrywać potencjalne emisje PFAS zarówno w fazie wodnej, jak i gazowej.
Szczególny nacisk kładzie się na jak najpełniejsząidentyfikację i kwantyfikację PFAS. W tym celu rozszerza się istniejące metody analityczne i opracowuje nowe procedury. Oprócz klasycznych substancji docelowych planuje się przede wszystkim identyfikację PFAS na podstawie potencjalnych mechanizmów rozkładu.
W celu przygotowania i wzbogacania próbek stosuje się i optymalizuje nowe metody w fazie wodnej i gazowej. Celem jest wykrywanie nawet niewielkich stężeń. Równolegle bada się ewentualne straty wynikające z adsorpcji w elementach peryferyjnych, aby zapewnić jak najwyższą jakość danych. W analizie chemicznej wykorzystuje się szereg najnowocześniejszych technik (GC-MS/MS, LC-HRMS, LC-MS/MS, AOF). Metody te umożliwiają zarówno precyzyjną kwantyfikację znanych związków, jak i identyfikację dotychczas nieznanych struktur PFAS. Dodatkowo różne materiały membranowe poddawane są ukierunkowanym eksperymentom rozkładu.
Na zakończenie uczestnicy projektu zamierzają opracować, w oparciu o dane eksperymentalne, model matematyczny, który umożliwi wstępną prognozę potencjalnych emisji w różnych warunkach eksploatacyjnych oraz pozwoli zidentyfikować stany pracy charakteryzujące się minimalnymi emisjami. Wyniki badań mają zostać wykorzystane do oceny potencjalnych środków technicznych służących redukcji emisji(np. adsorpcja, rozkład elektrochemiczny, dostosowane strategie eksploatacyjne lub optymalizacja MEA).
Na rzecz bezpiecznej przyszłości ogniw paliwowych
Projekt „Parzell” dostarcza zatem ważnych podstaw naukowo-technicznych dla zrównoważonego rozwoju gospodarki wodorowej.W centrum uwagi znajduje się pytanie, czy i w jakim zakresie PFAS są uwalniane podczas eksploatacji elektrolizerów PEM i ogniw paliwowych, jakie znaczenie mają te emisje dla środowiska i zdrowia oraz w jakim stopniu konieczne jest opracowanie technologicznych środków zaradczych.
Wyniki projektu nie tylko pomogą wypełnić istniejące luki w wiedzy, ale także dostarczą konkretnych zaleceń dla producentów, operatorów i decydentów politycznych. W ten sposób projekt wnosi istotny wkład w połączenie transformacji w kierunku gospodarki wodorowej neutralnej dla klimatu z wysokim poziomem ochrony środowiska i zdrowia.
Więcej informacji na temat projektu można znaleźć na poniższych stronach: