Съотношение разходи–ефективност в мащаб: КАПЕкс, ОПЕкс и ЛКОХ за AEM и PEM системи под 100 kW

Фактори, определящи КАПЕкс: Стоимост на мембраната, натоварване с катализатор и опростяване на компонентите извън електролизера (BoP) при AEM

Електролизерите с алкална обменна мембрана (AEM) значително намаляват първоначалните разходи, тъй като заменят скъпите метали от платиновата група с по-евтини катализатори на никел и желязо. Само тази замяна намалява разходите за анодни материали с 60–70 % в сравнение с системите с протонна обменна мембрана (PEM). Самите мембрани струват около 40–60 % по-малко, тъй като не изискват скъпите перфлуорирани полимери. Освен това общият дизайн на системата е по-малко сложен — няма нужда от скъпите титанови компоненти или от сложните системи за циркулация на ултрапреминаваща вода, от които се нуждаят много други конфигурации. Всички тези фактори заедно означават, че капитализирането на AEM електролизерите може да спадне под 1500 щ.д. за киловат, след като производството се мащабира. Това е значително по-ниско от текущото ниво на PEM технологията, което според различни индустриални проучвания върху икономиката на различните електролизни технологии е около 2147 щ.д. за киловат.

Чувствителност на операционните разходи: ефективност на електричеството, толерантност към чистотата на водата и честота на поддръжката

Системите AEM намаляват експлоатационните разходи по няколко важни начина. За начало те работят добре дори когато водата не е толкова чиста, колкото изисква PEM. AEM може да обработва вода с проводимост над 1 микросименс на сантиметър, докато PEM изисква проводимост, близка до 0,1 микросименс. Това означава, че компаниите харчат около 15–30 % по-малко пари за процесите на предварителна обработка. Друг важен фактор е ефективността, с която тези системи работят при частична товарна мощност. Последните подобрения са повишили техния напреженски КПД до диапазона 67–74 %, което ги доближава значително до КПД на PEM – 56–70 %. И накрая, има и въпросът за продължителността на живота на катализаторите. Струпванията AEM имат значително по-дълъг срок на експлоатация преди необходимост от поддръжка – обикновено около 8000 часа спрямо стандартния цикъл от 5000 часа за PEM. По-дългите интервали между сервизни прегледи означават по-малко трудови часове за ремонт, по-малка нужда от резервни части и, което е особено важно, по-малко загубено време за производство поради простои на системата.

Сравнение на усреднената стойност на водорода (LCOH) при реалистични режими на работа в малък мащаб

Когато става дума за системи с мощност под 100 kW, работещи на възобновяеми енергийни източници, които не са винаги налични, технологията AEM осигурява усреднена цена на водорода между 2,50 и 5,00 долара на килограм. Тази цена е приблизително на същото ниво като тази при PEM-технологиите (2,34–7,52 долара/кг), макар че обикновено AEM има предимство пред PEM като цяло. Защо? Е, няколко фактора допринасят за това предимство. Първо, капитализираните разходи обикновено са по-ниски при решенията с AEM. Освен това тези системи запазват добра ефективност дори при често променящи се товарни условия. И нека не забравяме и продължителността на експлоатацията. Настоящите изпитания показват, че AEM-стековете остават стабилни повече от 10 000 часа при реални експлоатационни условия. В бъдеще някои проекции сочат, че те могат да издържат над 80 000 часа експлоатация, спрямо около 40 000–60 000 часа за съответните PEM-системи. Такава издръжливост има значително влияние върху намаляването на общата цена на произведен водород на килограм с течение на времето.

Предимства на катализаторите и материалите: AEM без PGM срещу PEM, зависими от PGM

Никел/желязни катализатори в АЕМ позволяват по-евтини и мащабируеми аноди

Електролизерите с анионен обменна мембрана (АЕМ) използват никел-желязни катализатори, които са широко разпространени в природата, вместо скъпите електроди от иридий или платина. Тази замяна премахва досадните проблеми с веригата за доставки и рязко намалява разходите за катализатори на анода, като ги снижава до около 32 долара на киловат. Това е значително по-евтино от цената от 140 долара на киловат за системите с протонна обменна мембрана (PEM). Сместа от никел и желязо поддържа ефективността на системата на ниво около 70–80 процента. Освен това тя добре се комбинира с методите за производство „рол-към-рол“ и остава стабилна дори при прекъсващи се режими на работа. Тези характеристики правят технологията АЕМ особено подходяща за мащабиране на производството без нужда от централизирани инсталации.

Стабилност на мембраната и съвместимост с биполярни плочи при променлива товарна мощност и условия с ниска чистота

Анионните разменни мембрани (AEM) работят чрез провеждане на хидроксидни йони вместо протони, което означава, че те могат да работят с по-евтини биполярни плочи от неръждаема стомана, а не изискват скъпи титанови компоненти. Освен това тези мембрани са по-малко чувствителни към примеси във водата в сравнение с други системи, поради което има по-малка нужда от ултрапурен суров материал. Работният температурен диапазон е удобно между около 50 и 80 °C, което ги прави доста устойчиви към напрежението, което често се наблюдава при възобновяеми източници като слънчеви панели или вятърни турбини. В миналото ранните версии на алкалните мембрани имаха сериозни проблеми с химическо разлагане с течение на времето. Но нещата се промениха радикално след 2023 г., когато производителите направиха значителни подобрения в стабилността. Сега полевите изпитания показват, че тези подобрени мембрани издържат добре над 10 000 часа работа дори при променливи натоварвания и реални условия.

Оперативна гъвкавост за интеграция на възобновяеми енергийни източници: динамичен отговор и ефективност при ниско натоварване

Превъзходната стабилност при ниско натоварване и по-бързи темпове на промяна на мощността на електролизерите AEM при променливи входни сигнали от слънчеви/ветрови енергийни системи

Електролизерите AEM могат да поддържат стабилна електрическа ефективност дори при работа само на 10–20 процента от максималната си мощност — далеч по-ниско от минималното натоварване, което обикновено понасят PEM-системите (около 30 процента). Това прави технологията AEM особено подходяща за директно свързване към възобновяеми енергийни източници, чиято мощност естествено колебливо се променя. Тези системи достигат пълна мощност за около 30 секунди — почти два пъти по-бързо от стандартните PEM-модели. Освен това те запазват над 98 процента стабилност на напрежението дори в трудните моменти, когато вятърът спадне или облаци засенчат слънчевите панели. Бързото време на отговор означава по-малко загубена енергия като цяло и намалява необходимостта от скъпи решения за енергийно съхранение, особено при по-малки инсталации, където пространството и бюджетът имат решаващо значение.

Предимства на системния дизайн за децентрализирано разполагане: заемана площ, модулност и простота на компонентите за изграждане

Архитектурата на еднослойна AEM намалява заеманата площ и осигурява модулни единици с функция „включи и работи“

Електролизаторите AEM имат интегрирана конструкция с единичен слой, която намалява изискванията за физическо пространство с около 40 % спрямо многостепенните PEM-системи. Това ги прави идеални за места, където пространството е ограничено – например на покриви, в промишлени дворове или в отдалечени райони. По-опростената тръбна система и по-малкият брой връзки означават по-ниска сложност на компонентите за балансиране на цялата инсталация и спестяване от около 30 % за свързаните разходи. Освен това тези стандартизирани модули могат лесно да се свързват помежду си, което подпомага простото разширяване при нужда. Реалните инсталации показват, че времето за монтаж е приблизително наполовина по-късо в сравнение с предишните системи, а техническият персонал има нужда от значително по-малко работно пространство за обслужване на тези системи. Тези практически предимства стават особено ценни при изграждането на децентрализирани водородни мрежи в различни локации.

Често задавани въпроси

Какви материали използват системите AEM вместо метали от платиновата група?

Системите AEM използват никел-желязни катализатори, които са по-евтини и по-разпространени от платиновите метали.

Какви предимства предлагат системите AEM на компаниите в смисъл на чистотата на водата?

Системите AEM могат да обработват вода с по-висока електропроводимост, като намаляват разходите за предварителна обработка с 15 до 30 процента спрямо системите PEM.

Какъв е типичният срок на експлоатация на AEM стек?

AEM стековете обикновено имат срок на експлоатация около 10 000 работни часа, а прогнозите сочат, че в бъдеще те може да достигнат до 80 000 часа.

Защо системите AEM се считат подходящи за децентрализирано разполагане?

Системите AEM имат еднослойна архитектура, която намалява заеманата площ и повишава модулността, което позволява лесно разполагане по принципа „включи и работи“, правейки ги подходящи за райони с ограничено пространство.