كيف تحقق محلية التحليل الكهربائي بالغشاء البولي إلكتروليتي كفاءة عالية للنظام باستخدام الطاقة المتجددة

كفاءة الجهد، كيلوواط ساعة/كغ ه₂، وأداء القيمة الحرارية الدنيا في الواقع العملي تحت إمدادات متقطعة

تحوّل أجهزة التحليل الكهربائي لغشاء تبادل البروتون (PEM) الكهرباء المتجددة إلى هيدروجين بكفاءة جيدة، حيث تبلغ الكفاءة النظامية عادةً حوالي 60 إلى 80% عند قياسها مقابل القيمة الحرارية الدنيا للهيدروجين. وأظهرت بعض الاختبارات الواقعية التي أُجريت العام الماضي أن هذه الأنظمة لا تزال قادرة على تحقيق كفاءة تصل إلى نحو 70% حتى عند التعامل مع التقلبات المستمرة الناتجة عن الألواح الشمسية وتوربينات الرياح. وهذا يعني الحاجة إلى ما يقارب 48 إلى 52 كيلوواط ساعة لإنتاج كل كيلوجرام من الهيدروجين. ما يميّز تقنية PEM هو سرعتها العالية في الاستجابة لتغيرات إمدادات الطاقة، ما يسمح لها بالتزامن مباشرة مع المصادر المتجددة دون الحاجة إلى تخزين إضافي بالبطاريات. مقارنةً بالنظم القلوية الأقدم، فإن وحدات PEM تعالج التغيرات المفاجئة في الأحمال بشكل أفضل بكثير. ويمكنها الانتقال من الصفر إلى السعة الكاملة في أقل من خمس ثوانٍ دون فقدان كبير في الكفاءة. ويُظهر التطبيق العملي في مواقع التركيب الفعلية أن الكفاءة تنخفض فقط بنسبة 3 إلى 5% عند حدوث تقلبات في دخل الطاقة بنسبة 30%. هذا النوع من الأداء يشير إلى أن تقنية PEM أصبحت جاهزة للنشر الواسع جنبًا إلى جنب مع البنية التحتية المتزايدة للطاقة المتجددة.

أذرع تشغيلية حرجة: ترطيب الغشاء، التحكم في درجة الحرارة، وتحسين العامل الحفاز

ثلاثة عوامل مترابطة تحكم الكفاءة القصوى لخلايا PEM تحت إمدادات متجددة متغيرة:

• ترطيب الغشاء: يُعد الحفاظ على رطوبة نسبية تتراوح بين 80–95% أمرًا ضروريًا للحفاظ على توصيلية البروتون. يؤدي التشغيل الجاف إلى زيادة المقاومة الأومية بنسبة تصل إلى 40%، في حين أن الفيضان يعيق وصولية العامل الحفاز ونقل الغاز.
• التحكم في درجة الحرارة: يعمل التوازن الأمثل بين الديناميات التفاعلية ومتانة الغشاء عند تشغيل الكومة بين 60–80°م. حيث تُحسّن كل زيادة بمقدار 10°م الكفاءة بنحو 1.5%، لكنها تسرّع ترقق الغشاء بنسبة 15%—مما يتطلب إدارة حرارية دقيقة.
• تحسين العامل الحفاز: تقلل الطبقات الرقيقة جدًا من البلاتين (0.1–0.3 ملغ/سم²) المترسبة على طبقات النقل المسامية من التيتانيوم من فائض الجهد التنشيطي بنسبة 30% مقارنةً بالتصاميم التقليدية، مما يعزز كفاءة الجهد والعمر الافتراضي مباشرةً.

أجهزة التحليل الكهربائي PEM والمصادر المتجددة المتقطعة: توافق تقني طبيعي

استجابة ديناميكية تقل عن الثانية تتيح الربط المباشر على حافة الشبكة مع الطاقة الشمسية وطاقة الرياح

يمكن لمحللات الكهرباء بالغشاء الإلكتروليتي (PEM) الوصول إلى معدلات صعود تقل عن 500 مللي ثانية، مما يعني أنها تتكيف تقريبًا فورًا مع التغيرات في الظروف الشمسية والتقلبات المفاجئة للرياح. وتتمتع هذه الأنظمة بكثافة تيار جيدة وتعمل عند درجات حرارة منخفضة، وبالتالي فإنها تُبقي على أداء مستقر حتى في حالات التغيرات المتكررة في الحمل. وينتج عن هذا الاستقرار تقليل الحاجة إلى حلول تخزين البطاريات المكلفة، وهي نقطة مهمة بشكل خاص في الأماكن الضيقة أو النائية مثل المنشآت العائمة ومناطق التصنيع داخل المدن حيث تكون المساحة محدودة. تقوم أنظمة التحكم في هذه الوحدات بضبط مستويات الضغط ومعدلات تدفق المياه ومحتوى الرطوبة في الهواء باستمرار لتجنب حدوث قفزات جهد خطيرة، مع الحفاظ على توازن النسب الكيميائية خلال الفترات غير المستقرة. وبفضل زمن الاستجابة السريع هذا، تبرز تقنية PEM على وجه الخصوص كحل مناسب جدًا لإنتاج الهيدروجين من مصادر متجددة في مواقع صغيرة ومتناثرة عبر شبكات الطاقة.

التحقق الميداني: دروس مستفادة من مشروع دمج 1.25 ميجاواط من الكهرباء الناتجة عن التحليل الكهربائي (PEM) مع طاقة الرياح في شمال ألمانيا

حقق مشروع تجريبي بقدرة 1.25 ميجاواط في شمال ألمانيا نسبة استخدام للطاقة المتجددة بلغت 91% بالرغم من تقلب إنتاج الرياح بنسبة 40%—مما يُظهر جدوى تنفيذ المشروع على نطاق تجاري. وشملت أبرز الرؤى التشغيلية:

• قللت عملية تحسين العامل الحفاز من التدهور بنسبة 63% خلال فترات الدوران التي مدتها 15 دقيقة
• حافظت بروتوكولات الترطيب التكيفية للأغشية على نقاء الهيدروجين بأكثر من 98% تحت تقلبات ترددية نسبتها 0.3 هرتز
• قلل التحكم الدقيق في درجة الحرارة من الإجهاد الحراري بنسبة 52% أثناء عمليات الإيقاف السريع
  خلال أكثر من 4,200 ساعة تشغيل، قدّم النظام أداءً ثابتًا عند 54.3 كيلوواط ساعة/كغ هـ₂ (قيمة حرارية منخفضة)، مما يعزز متانة تقنية التحليل الكهربائي من نوع PEM في ظروف تشغيل حقيقية متقطعة.

تحديات المتانة واستراتيجيات التخفيف في تشغيل وحدات التحليل الكهربائي من نوع PEM

تآكل العامل الحفاز في المصعد ونقصان سمك الغشاء أثناء تغير الأحمال: أدلة من أكثر من 20,000 دورة تشغيل

يؤدي التحميل المتكرر للدورات إلى تسريع آليتين رئيسيتين للتدهور: ذوبان المحفز في المعدن السالب (عبر تجميع جزيئات الإيريديوم وتcorrosion الدعم) وترقية غشاء ميكانيكية في أغشية حمض البروفلوروسلفونيك (PFSA). تُظهر الاختبارات طويلة الأمد عبر أكثر من 20,000 دورة في ظل تقطع مشابه للطاقة المتجددة خسائر سنوية في الأداء تتجاوز 2.4%—وهو أمر بالغ الخطورة بالنسبة العمر الاقتصادي. تشمل الاستراتيجيات المثبتة للحد من هذه التدهور:

• هياكل عوامل حفازة متقدمة مثل هياكل محفز مركب من أكسيد الإيريديوم/أكسيد الروثينيوم بنظام النواة-الغلاف، التي تقلل من كمية المعدن الثمين بنسبة 40% مع الحفاظ على النشاط الحفازي
• أغشيات مُعزّزة ، التي تدمج هياكل عضوية هيدروكربونية وجزئيات نانوية من فوسفات الزركونيوم، مما يقلل من معدلات تسريب الأيونات الفلورية بنسبة 68%
• بروتوكولات تشغيل ديناميكية ، تشمل تعديل الرطوبة خلال فترات التحمل المنخفض، والتي قللت معدلات تدهور الغشاء بنسبة 30% في التجارب الت.validation
  معًا، تُمكّن هذه التحسينات من تمديد عمر التكدس المُثبت لأكثر من 60,000 ساعة مع الحفاظ على كفاءة تزيد عن 75% من القيمة الحرارية الدنيا (LHV).

المزايا التشغيلية الرئيسية التي تحدد قيمة الكهربائي PEM في التطبيقات التجارية

توفر وحدات التحليل الكهربائي لغشاء تبادل البروتون (PEM) مزايا كبيرة إلى حد ما عند إنتاج الهيدروجين للصناعات. فهي تستجيب بشكل شبه فوري، مما يعني أنه يمكن الاتصال المباشر بها من الألواح الشمسية والتوربينات الريحية على أطراف شبكة الطاقة. ويقلل هذا التكوين الحاجة إلى خزانات تخزين إضافية، ويجعل المنشآت قادرة على شراء الكهرباء في أي وقت تكون فيه الأسعار منخفضة. إن المنشآت التي تستفيد من هذا النوع من المرونة توفر بالفعل حوالي 28٪ من فواتيرها الكهربائية مقارنة بتلك العالقة بحمولات ثابتة. إن طريقة تشغيل هذه الوحدات بكثافة تيار عالية (أكثر من أمبيرين لكل سنتيمتر مربع) تحافظ على كفاءة تشغيلها حتى عند تقلب الطلب، كما تحافظ على نقاء الهيدروجين بأكثر من 99.99٪ خلال جميع أنواع دورات التشغيل والإيقاف. ويُلبّي هذا المستوى من الجودة المعايير الصارمة المطلوبة في تطبيقات مثل خلايا الوقود في المركبات وإنتاج السيليكون النظيف. علاوةً على ذلك، فإن تصميمها المدمج يجعلها مناسبة للمساحات الضيقة مثل منصات النفط البحرية أو المصانع داخل المدن حيث تكون المساحة محدودة. كما أن استخدام قطع غيار قياسية يعني أن الشركات يمكنها بسهولة توسيع سعتها مع نمو مصادر الطاقة المتجددة بمرور الوقت. وكل هذه العوامل تشير إلى أن تقنية PEM ستُصبح حجر الزاوية في بناء شبكات هيدروجينية قوية وصديقة للمناخ عبر الصناعات الرئيسية.

الأسئلة الشائعة

• ما هو نطاق الكفاءة لمحول الكهرباء بالتحليل الكهربائي من نوع غشاء تبادل البروتون (PEM)؟
  يبلغ معدل كفاءة محول الكهرباء بالتحليل الكهربائي من نوع غشاء تبادل البروتون (PEM) عادةً ما بين 60 و80% عند تحويل الكهرباء المتجددة إلى هيدروجين، استنادًا إلى القيمة الحرارية الدنيا (LHV) للهيدروجين.
• كيف يتعامل محول الكهرباء بالتحليل الكهربائي من نوع غشاء تبادل البروتون (PEM) مع التغييرات في إمداد الطاقة؟
  يستجيب محول الكهرباء بالتحليل الكهربائي من نوع غشاء تبادل البروتون (PEM) بسرعة للتغييرات، حيث يمكنه الانتقال من الصفر إلى السعة الكاملة في أقل من خمس ثوانٍ دون فقد كبير في الكفاءة. مما يجعله مناسبًا للاتصال المباشر بمصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح.
• ما هي الت Retali Challenges التشغيلية الرئيسية لمحول الكهرباء بالتحليل الكهربائي من نوع غشاء تبادل البروتون (PEM)؟
  تتمثل التتحديات الرئيسية في تهالك العامل الحفاز عند المجمع وترقق الغشاء أثناء تغيير الأحمال. ويتم استخدام تصاميم متقدمة للعامل الحفاز وأغشية معززة لمعالجة هذه القضايا.
• لماذا يُفضل محول الكهرباء بالتحليل الكهربائي من نوع غشاء تبادل البروتون (PEM) للمصادر المتقطعة للطاقة؟
  تتميز أجهزة التحليل الكهربائي PEM بأوقات استجابة سريعة ويمكنها التكيف بكفاءة مع تقلبات مصادر الطاقة المتقطعة دون الحاجة إلى حلول تخزين إضافية.
• ما هي التطورات التي تساعد في إطالة عمر أجهزة التحليل الكهربائي PEM؟
  تم تطوير هياكل محفزة متقدمة، وأغشية معززة، وبروتوكولات تشغيل ديناميكية لإطالة عمر أجهزة التحليل الكهربائي PEM والحفاظ على كفاءتها.