مقياس الإلكترولايزر والاختلافات الفنية الرئيسية

فهم حجم الإلكترولايزر وقدرة إنتاج الهيدروجين

يؤثر حجم المُحلِّل الكهربائي تأثيرًا مباشرًا على كمية الهيدروجين التي يمكنه إنتاجها. نحن نتحدث عن كل شيء بدءًا من النماذج الصغيرة بسعة 1 كيلوواط التي تنتج أقل من نصف كيلوجرام يوميًا وصولاً إلى التركيبات الضخمة ذات الحجم الجيجاواطية القادرة على إنتاج أكثر من 50 طنًا يوميًا. عند النظر إلى الوحدات الأصغر، فإنها تميل إلى التركيز على استهلاك مساحة أقل والاستجابة السريعة للتغيرات. أما الأنظمة الصناعية فتركز بالكامل على تحقيق أكبر قدر ممكن من الإنتاج. خذ على سبيل المثال محلل قلوي نموذجي بقدرة 10 ميغاواط يعمل بكفاءة تتراوح بين 40 و60 بالمئة ويُنتج حوالي 4,500 كيلوجرام يوميًا. قارنه بأنظمة PEM المماثلة في الحجم والتي تحقق في الواقع كفاءات تتراوح بين 60 و80 بالمئة ولكنها تأتي بتكلفة أولية أعلى بشكل ملحوظ. يوضح هذا التباين الكامل لماذا يصبح مواءمة قدرات إنتاج الهيدروجين مع مصادر الطاقة المتاحة والاحتياجات الفعلية للناس أمرًا بالغ الأهمية في التطبيق العملي.

كفاءة النظام، وقابلية التوسع، والتدهور عبر المقاييس

تتعامل التقنيات المختلفة مع التوسع بطرق مختلفة جدًا. فخذ على سبيل المثال وحدات التحليل الكهربائي PEM، فهي تحافظ على كفاءة جيدة نسبيًا تتراوح بين 70 و80 بالمئة حتى عند التشغيل بقدرة جزئية، مما يجعلها شريكًا ممتازًا لمصادر الطاقة المتجددة التي تتقلب حدتها. وما عيوبها؟ تعتمد على عوامل حفازة باهظة الثمن من مجموعة البلاتين، ومع الوقت تتحلل هذه العناصر بسرعة نسبيًا، حيث تفقد الكفاءة بنسبة تتراوح بين 2 و4 بالمئة سنويًا. أما الأنظمة القلوية فقصتها مختلفة. فكفاءتها أقل، وتتراوح بين 60 و70 بالمئة، ولكن ما تفقده في الأداء تعوّضه في توفير التكاليف. فالمواد المستخدمة هنا أرخص، كما أن التآكل يحدث ببطء شديد جدًا، بأقل من 1 بالمئة سنويًا، وهو ما يفسر سبب رؤيتنا لها منتشرة على نطاق أوسع في القطاع الصناعي. ثم تأتي وحدات التحليل الكهربائي الصلبة المعيارية (SOE) التي يمكن أن تحقق كفاءات مثيرة للإعجاب تصل إلى 85 بالمئة. المشكلة هي أنها تحتاج إلى درجات حرارة عالية ثابتة تتراوح بين 700 و850 درجة مئوية، مما يخلق قيودًا جادة من الناحية التشغيلية والتجارية. وتجد معظم الشركات أن هذا الشرط مقيدًا للغاية لاعتماد واسع النطاق في الوقت الحالي.

القدرة على التوسع والمرونة في التصميم في الأنظمة الكبيرة مقابل الصغيرة

تُعد خلايا التحليل الكهربائي القلوية الخيار المفضل عادةً للمنشآت المركزية الكبيرة، لأن تصميمها القياسي يقلل التكاليف الأولية بنسبة تقارب 30%. من ناحية أخرى، تقدم تقنيات PEM وAEM شيئًا مختلفًا تمامًا. هذه الأنظمة الوحدوية تعمل بشكل ممتاز لتلبية احتياجات الإنتاج اللامركزي. نحن نتحدث عن كل شيء بدءًا من حاويات صغيرة بسعة 500 كيلوواط وصولاً إلى منشآت ضخمة متعددة الميغاواط مثبتة على منصات. ما يميز هذه الأنظمة هو قدرتها على التوسع أو الانكماش بوحدات 100 كيلوواط. بالنسبة لبعض القطاعات مثل تصنيع الأمونيا، فإن هذه المرونة مهمة حقًا، حيث تتذبذب الحاجة موسميًا بنسبة تقارب زائد أو ناقص 25%. هذا النوع من التكيف غير ممكن مع المعدات التقليدية ذات الحجم الثابت.

مقارنة تقنيات خلايا التحليل الكهربائي وقدرتها على التوسع

نظرة عامة على تقنيات خلايا التحليل الكهربائي PEM وAEL وAEM وSOE

يعتمد إنتاج الهيدروجين الحديث على أربع تقنيات رئيسية:

• غشاء تبادل البروتون (PEM) يتفوق في التشغيل الديناميكي، وهو مثالي للتكامل مع مصادر الطاقة المتجددة
• المحلل القلوي (AEL) تستخدم تصاميم ناضجة ومنخفضة التكلفة ولكنها تقدم أداءً ضعيفًا تحت الأحمال المتغيرة
• غشاء تبادل الأنيون (AEM) يجمع بين كفاءة معتدلة (50–65% في الإعدادات المعملية) وانخفاض تكاليف المواد
• المحلل ذو الأكسيد الصلب (SOE) تصل كفاءته إلى 70–90% عند درجات الحرارة العالية لكنه يواجه تحديات في المتانة

أدت التطورات الحديثة إلى خفض تدهور غشاء تبادل البروتونات (PEM) إلى متوسط 3% سنويًا، في حين تظل أنظمة (SOE) محدودة بمتطلبات الاستقرار الحراري.

قابلية التوسع لأنظمة المحاليل القلوية (AWE) مقابل أنظمة غشاء تبادل البروتونات (PEM)

تملك الأنظمة القلوية هيمنة في التطبيقات الصغيرة بسبب تكاليف رأسمالية أقل (1,816 دولارًا/كيلوواط – أقل بنسبة 40% من نظام PEM)، لكنها عادةً ما تصل إلى حد أقصى قدره 10 ميجاواط. أما محاليل PEM فتكبر حجمها بكفاءة تفوق 100 ميجاواط رغم الاستثمار الأولي الأعلى (2,147 دولارًا/كيلوواط). ويُبرز تحليل صناعي لعام 2024 الفروق الرئيسية:

تسمح كثافة التيار الأعلى في غشاء تبادل البروتونات (PEM) بتقليل المساحة بنسبة 40% لكل كغ من إنتاج الهيدروجين، وهي ميزة حاسمة للمشاريع المتجددة في المناطق الحضرية أو ذات المساحات المحدودة.

ملاءمة التكنولوجيا لمختلف مقاييس النشر والنماذج التشغيلية

تتجه المرافق الصناعية العاملة على نطاق الميغاواط إلى تقنية PEM لأنها تحافظ على كفاءة تبلغ حوالي 65 إلى 75 بالمئة حتى عند تقلب الأحمال، في حين لا تزال أنظمة الإلكتروليت القاعدية (Alkaline) هي السائدة في معظم وحدات إنتاج الأمونيا التي تقل طاقتها عن خمسة ميغاواط. غالبًا ما تتضمن الإعدادات اللامركزية الحديثة وحدات AEM وحدوية مصممة خصيصًا لمحطات تزويد الهيدروجين بالوقود في المناطق النائية، وعادةً ما تعمل هذه المنشآت بسلاسة نحو 90 بالمئة من الوقت وتتطلب صيانة أقل بنسبة تقارب 25 بالمئة مقارنةً بالخيارات التقليدية. عندما يتعلق الأمر بظروف قاسية مثل تلك الموجودة في منصات النفط البحرية، يجد العديد من المشغلين أن مقاومة تقنية PEM الفائقة للتآكل تعد خيارًا منطقيًا، رغم دفعهم ما بين 15 إلى 20 بالمئة إضافية مقدمًا مقارنةً بالحلول القلوية القياسية المتاحة حاليًا في السوق.

التطبيقات في إنتاج الهيدروجين المركزي مقابل المنتشر

ألكتروليزرات كبيرة الحجم في المصانع المركزية وتخزين الطاقة المتجددة

في الإنتاج المركزي للهيدروجين، تساعد وحدات التحليل الكهربائي الكبيرة (عادةً من النوع القلوي أو نوع غشاء تبادل البروتونات PEM) في تحقيق اقتصاديات أفضل لحجم الإنتاج عندما تسير الأمور بسلاسة، وغالبًا ما تصل إلى معدلات كفاءة تزيد عن 65%. ما يُكسب هذه الأنظمة قيمتها العالية هو قدرتها على العمل بالتعاون مع مشاريع طاقة الرياح والطاقة الشمسية. فعندما تتوفر طاقة متجددة إضافية من هذه المصادر، بدلًا من السماح لها بالضياع، تقوم هذه الأنظمة بتحويل الفائض إلى تخزين هيدروجيني. وعادةً ما يتطلب هذا العملية أقل من 4.5 كيلوواط ساعة لكل متر مكعب من الهيدروجين المنتج. ومن خلال النظر إلى ما يحدث حاليًا على أرض الواقع، نجد أن العديد من المشاريع الجديدة تقوم بتركيب وحدات تحليل كهربائي قلوية ضخمة تتجاوز قدرتها 200 ميجاواط بالقرب من مزارع رياح بحرية. وتوفر هذه المواقع إمدادًا كهربائيًا مستقرًا يُلزم العمليات التشغيلية بالاستمرار دون انقطاع.

دراسة حالة: مشاريع الهيدروجين الأخضر على نطاق الجيجاواط باستخدام التقنيات القلوية وتقنية غشاء تبادل البروتونات (PEM)

يجمع مشروع مبتكر في بحر الشمال بين 1.2 جيجاوات من أجهزة التحليل الكهربائي القلوية التي تعمل بكفاءة تبلغ حوالي 72٪ من القيمة الحرارية الدنيا، وأنظمة احتياطية من نوع PEM بنسبة كفاءة تبلغ نحو 65٪ من القيمة الحرارية الدنيا. يساعد هذا النهج المختلط في التعامل مع طبيعة شبكات الطاقة غير المتوقعة. ما يجعل هذا النظام فعالًا للغاية هو قدرته على تحقيق استخدام سعة يقارب 90٪، ما يُترجم إلى إنتاج حوالي 220,000 طن من الهيدروجين سنويًا خصيصًا لإنتاج الأمونيا. ومن حيث الجدوى الاقتصادية، فإن التكنولوجيا القلوية تمتلك بالفعل الأفضلية عند التشغيل المستمر، حيث تبلغ تكلفتها الأولية حوالي 450 دولارًا أمريكيًا لكل كيلوواط. في المقابل، تُعد وحدات PEM ممتازة للتكيف السريع مع التغيرات المفاجئة في توفر طاقة الرياح خلال ثوانٍ فقط، وهي بالضبط الحاجة المطلوبة في مشهد الطاقة المتجددة اليوم.

أجهزة التحليل الكهربائي صغيرة الحجم للاستخدام الموقعي والبعيد والتخصصي الصناعي

الأنظمة الموزعة (10–500 كيلوواط) مجدية في الحالات التي تتجاوز فيها تكاليف النقل 3 دولارات/كجم. وتشمل التطبيقات الرئيسية ما يلي:

تُقلّص هذه النشرات تكاليف اللوجستيات بنسبة 38% مقارنة بسلاسل التوريد المركزية في المناطق النائية.

وحدات PEM وAEM الوحداتية في أنظمة الطاقة خارج الشبكة والموزعة

أصبحت أنظمة PEM المحصورة في حاويات تدوم 1,500 ساعة في المناخات الصحراوية بفضل التحكم المتقدم في الرطوبة، في حين تدعم أجهزة التحليل الكهربائي AEM (كفاءة 55–60%) تصنيع الأمونيا في المناطق الزراعية باستخدام صفائف شمسية أقل من 100 كيلوواط. وقد وجد اختبار ميداني عام 2024 أن الوحدات الوحداتية تقلل التكلفة المُوحَّدة للهيدروجين بنسبة 22% في الشبكات الصغيرة من خلال المطابقة الديناميكية مع توليد الطاقة المتجددة.

الأداء والكفاءة ومقايضات التشغيل حسب المقياس

مقارنة الكفاءة بين المحلل الكهربائي الكبير مقابل الصغير في الظروف الواقعية

عندما يتعلق الأمر بنظم المحلل الكهربائي الكبيرة التي تزيد عن 5 ميغاواط، فإنها عادة ما تعمل بكفاءة تتراوح بين 70 و75 بالمئة عند العمل بشكل مستمر. أما النماذج الأصغر التي تقل عن 1 ميغاواط فغالباً ما تكون أقل أداءً عند حوالي 60 إلى 68 بالمئة بسبب فقدانها لمزيد من الحرارة أثناء التشغيل. الشيء المثير للاهتمام هو أن الأنظمة القلوية الوحدوية تتفوق فعلياً على نظيراتها من نوع PEM بنسبة تتراوح بين 5 و8 نقاط مئوية عند التعامل مع مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة. ومن خلال النظر إلى النتائج الميدانية الفعلية، تُظهر المصانع التي تعمل على مدار الساعة تفضيلها للأنظمة القلوية الكبيرة التي تحقق متوسط كفاءة قدره 73 بالمئة. وفي الوقت نفسه، تستمر وحدات PEM الصغيرة في الأداء الجيد بكفاءة تتراوح بين 65 و69 بالمئة حتى عند تشغيلها بشكل متقطع بواسطة الألواح الشمسية خلال اليوم.

تأثير التشغيل المستمر على المتانة وأداء النظام

تُسرع التشغيل المستمر من التدهور في أجهزة التحليل الكهربائي PEM بنسبة 0.8–1.2% لكل 1,000 ساعة، مقارنةً بـ 0.3–0.5% في الأنظمة القلوية تحت دورة الإيقاف والتشغيل. وتقلل المنشآت الكبيرة من هذا التأثير باستخدام أنظمة متقدمة لإدارة الحرارة، مما يحد من فقدان الكفاءة إلى أقل من 2% على مدى 15,000 ساعة. على النقيض، تتطلب وحدات PEM صغيرة الحجم غالبًا استبدال الغشاء كل 3–5 سنوات، ما يزيد تكاليف الملكية الإجمالية بنسبة 12–18%.

دحض الأسطورة: هل توفر الأجهزة المحللة الكهربائية الأكبر حجمًا دائمًا كفاءة أفضل؟

إن تحليل البيانات من 142 تركيباً حول العالم يُظهر شيئاً مثيراً للاهتمام حول أداء المحلل الكهربائي. ففي الواقع، الأنظمة التي تقل قدرتها عن 500 كيلوواط تعمل بشكل أفضل بحوالي 4 إلى 7 بالمئة مقارنة بالأنظمة الأكبر عندما تعمل بأقل من 40٪ من طاقتها. وهذا يتناقض مع ما يعتقده الكثيرون، وهو أن المعدات الأكبر تكون تلقائياً أكثر كفاءة. وعندما تتناسب الأنظمة مع الطلب الفعلي بدلاً من أن تكون ذات سعة زائدة، فإنها تعمل بأفضل أداء لها. وتصل أحدث أنظمة المحالل الكهربائي المعيارية من نوع AEM إلى كفاءة تبلغ حوالي 72٪ عند مقياس 200 كيلوواط، وهو ما يماثل ما نراه في محطات التحليل القلوية الصناعية التقليدية. وتشير هذه النتائج إلى أن الحلول الصغيرة لم تعد فقط قابلة للتطبيق، بل أصبحت متقدمة تقنياً بما يكفي للتطبيقات الجادة في الوقت الحاضر.

تحليل التكلفة والجدوى الاقتصادية عبر المقاييس المختلفة

المصروفات الرأسمالية (CapEx) والتكلفة لكل كيلوجرام من الهيدروجين: الأنظمة الصغيرة مقابل الأنظمة الكبيرة

في الواقع، تبلغ تكلفة أنظمة المحاليل الكهربائية الكبيرة التي تزيد قدرتها عن 50 ميغاواط حوالي 35 إلى 40 بالمئة أقل لكل كيلوواط مقارنةً بنظيراتها الأصغر حجمًا التي تقل عن 5 ميغاواط. وينتج هذا الفرق في السعر أساسًا من شراء المواد بكميات كبيرة واتباع عمليات إنتاج قياسية. ووفقًا لأرقام صادرة عن مختبر الطاقة المتجددة الوطني لعام 2023، يمكن للمحاليل الكهربائية القلوية الكبيرة إنتاج الهيدروجين بحوالي 3.10 دولارًا أمريكيًا لكل كيلوجرام، وهي تكلفة أقل بكثير من علامة 6.80 دولارًا أمريكيًا للكيلوجرام الخاصة بوحدات PEM المعبأة في حاويات. من ناحية أخرى، لا تتطلب الأنظمة الأصغر استثمارات باهظة في شبكات خطوط الأنابيب، ما يجعلها ذات قيمة جيدة للتطبيقات مثل محطات تعبئة الهيدروجين المحلية حيث تكون المساحة محدودة ولا يمكن تحقيق التوزيع الواسع.

المتانة، وتكاليف الصيانة، والتكلفة الإجمالية للملكية حسب المقياس

يمكن للمحلل الكهربائي القلوي المستخدم في الصناعة أن يعمل لمدة تقارب 80,000 ساعة قبل أن تنخفض كفاءته بأقل بقليل من 0.2٪ كل عام. أما الوحدات الصغيرة من نوع PEM فهي أقل حظًا، إذ تحتاج عادةً إلى عوامل محفزة جديدة بعد حوالي 45,000 ساعة عمل. كما أن عبء الصيانة يقع بشكل أثقل على هذه الأنظمة الموزعة. فخدمة الموقع وحدها تضيف ما بين 40 و90 سنتًا لكل كيلوجرام من الهيدروجين المنتج، مقارنة بأقل من 15 سنتًا في المحطات المركزية الأكبر. لحسن الحظ، فإن التصاميم الوحداتية الأحدث تُحدث تغييرًا. فهي تسمح للتقنيين باستبدال أجزاء من وحدات النظام بدلاً من الوحدات الكاملة، مما يقلل وقت التوقف عن العمل للعمليات الأصغر بنحو الثلثين وفقًا لاختبارات حقلية حديثة.

اقتصاديات الحجم مقابل مرونة النشر في الشبكات الموزعة

يمكن للمشاريع المركزية الكبيرة على نطاق الجيجاواط أن تقلل تكاليف إنتاج الهيدروجين بنسبة تتراوح بين 18 و22 في المئة تقريبًا مقارنةً بالعمليات الأصغر. لكن هذه المنشآت الضخمة تحتاج أولًا إلى استثمارات رأسمالية كبيرة، عادة ما تكون ما بين 180 مليونًا و450 مليون دولار أمريكي كمبلغ مبدئي. من ناحية أخرى، توفر الشبكات الصغيرة الموزعة التي تتراوح قدرتها بين 5 و20 ميجاواط مزايا مختلفة. فهي تفقد بعض وفورات التكلفة، لكنها تعوّض ذلك بسرعات تركيب أسرع وإمكانية وضعها بجوار مزارع الرياح أو صفائف الطاقة الشمسية حيث يتم توليد الكهرباء. ويبدأ المراقبون في القطاع برؤية أنظمة هجينة تحقق زخمًا أيضًا. فهذه الأنظمة تجمع بين وحدات الإلكتروليز القلوية التقليدية التي تقوم بنحو ثلاثة أرباع العبء، مع وحدات تكنولوجيا PEM أو AEM الأحدث التي تغطي الربع المتبقي. ويبدو أن هذا المزيج يُحقق توازنًا جيدًا بين الحفاظ على انخفاض التكاليف والحفاظ في الوقت نفسه على المرونة عند تغير ظروف السوق.

الأسئلة الشائعة

ما العوامل التي يجب أخذها بعين الاعتبار عند اختيار نظام المُحلل الكهربائي؟ عند اختيار نظام المحلل الكهربائي، فكر في الحجم والكفاءة وقابلية التوسع والتكلفة والتطبيق المحدد (مركزي أو موزع). تختلف التقنيات حسب الاحتياجات المختلفة، مثل استخدام غشاء تبادل البروتون (PEM) للتشغيل الديناميكي ومصادر الطاقة المتجددة، واستخدام التحليل القاعدي (alkaline) لإنتاج كبير الحجم مركزي.

ما هي الميزة الأساسية للأنظمة المحللة الكهربائية الوحداتية؟ توفر الأنظمة المحللة الكهربائية الوحداتية مرونة. يمكن توسيعها أو تصغيرها على هيئة وحدات، مما يسمح بتعديل سعة الإنتاج بناءً على الطلب، وهو ما يناسب القطاعات ذات التغيرات الموسمية.

كيف تؤثر ظروف التشغيل على كفاءة المحلل الكهربائي؟ يمكن أن تؤثر ظروف التشغيل تأثيرًا كبيرًا على الكفاءة. على سبيل المثال، تحافظ أنظمة غشاء تبادل البروتون (PEM) على كفاءة عالية حتى مع الأحمال المتقلبة، في حين تتعرض الأنظمة القلوية إلى تدهور أكثر بمرور الوقت لكنها توفر توفيرًا في تكاليف المواد.

ما التحديات الشائعة في تكبير نطاق تقنيات المحلل الكهربائي؟ تشمل التحديات في التوسع الحفاظ على الكفاءة، والتعامل مع المحفزات المكلفة في أنظمة PEM، وإدارة درجات الحرارة العالية في وحدات SOE، وإيجاد التوازن المناسب بين الاستثمارات الرأسمالية والمرونة التشغيلية.