Как алкалните електролизатори осигуряват икономически ефективно, мащабно производство на зелен водород

Принцип на алкалната електролиза на вода и нейната роля в индустриалното генериране на водород

Електролизата с алкална вода, или накратко AWE, работи чрез разграждане на водата на водород и кислород чрез течен алкален разтвор, обикновено калиев хидроксид (KOH). Съвременните системи могат да достигнат ефективност между 70 и 80 процента според данни на PlugPower от 2024 г. Тази технология разчита на електроди въз основа на никел, заедно със специална пореста преграда, която задържа газовете отделени, но все пак позволява на йоните да преминават през нея. Поради тази конфигурация, тя е особено подходяща за непрекъснато функциониране в индустриални условия. Това, което отличава AWE в сравнение с PEM електролизаторите, е, че не изисква скъпоструващи метали от платиновата група, което намалява разходите за материали с около 30 до 40 процента, както посочва проучване на MDPI от 2024 г. Като се имат предвид числата, работните плътности на тока обикновено варират между 0,4 и 0,6 ампера на квадратен сантиметър. Тези характеристики правят AWE добър избор за големи съоръжения като заводи за производство на амоняк и нефтопреработвателни заводи, където е необходима постоянна консумация на енергия в продължение на дълги периоди.

Основни компоненти: Електроди, диафрагма и електролит в системи AWE

• Електроди : Никелираните стоманени електроди предлагат дълготраенстване и икономичност, като запазват производителността си над 60 000 часа.
• Диафрагма : Напреднали композити като мембрани на базата на полисулфон намаляват преминаването на газове, като едновременно подобряват йонната проводимост.
• Електролитът : Разтвор с концентрация 25–30% КОН осигурява висока йонна мобилност, подпомаган от филтриращи системи, които удължават живота на системата и намаляват честотата на поддръжката.

Заедно тези компоненти доведоха до намаляване на капитаните разходи до 800 щ.д./kW за многомегаватови инсталации AWE, значително понижение спрямо 1 200 щ.д./kW през 2018 г. (Results in Engineering 2024).

Проектиране на системата за дълготрайност при непрекъсната промишлена експлоатация

Конструирани да работят непрекъснато, алкалните електролизьори са оборудвани с рамки от корозионноустойчива неръждаема стомана и системи, които автоматично управляват електролитния разтвор. Модулният им стаков дизайн позволява мащабиране на операциите до нива на гигаватова мощност, което вече се наблюдава на места като проекта за Азиатски център за възобновяема енергия в Австралия. Тези машини включват и резервни газови сепаратори заедно с вградени системи за контрол на температурата, които общо взето помагат да се поддържа около 95 процента време на работа дори по време на периоди на поддръжка. Най-новите версии на тези електролизьори всъщност могат да започнат отново работа след пълно изключване в рамките на около половин час, което ги прави все по-важни компоненти за изграждането на големи световни обекти за производство на зелен водород.

Предимства на алкалните електролизьори пред PEM: Зрелост, Себестойност и Мащабируемост

Доказан Опит: Десетилетия на Експлоатационен Опит с AWE Технология

Използването на алкално електролиза за промишлено производство на водород датира от 20-те години на миналия век и към 2024 г. по света има над 500 големи инсталации, повечето с капацитет над 10 мегавата. Системата работи добре благодарение на здравата си конструкция и силно разчита на никелови катализатори, което е причината много индустрии все още да избират този вариант при производството на торове или рафинирането на масла. От друга страна, технологията с протонна размяна на мембрана все още не е демонстрирала своя потенциал в големи мащаби. Най-голямата PEM инсталация, която сме виждали досега, достига едва около 20 мегавата, според някои последни отраслови доклади от миналата година.

Ниска капиталова стойност и търговска мащабируемост без зависимост от редкоземни метали

Системите за електролиза на алкална вода (AWE) имат капиталови разходи в диапазона от 242 до 388 евро на киловат, което е значително по-ниско в сравнение със системите PEM, чиито цени варират между 384 и над 1 000 евро на кВт. Тази разлика в цената се дължи на два основни фактора: AWE използва катализатори от неблагородни метали вместо скъпите, а производителите вече произвеждат тези системи от десетилетия, поради което производството е доста оптимизирано. Китайският пазар също допринесе значително за намаляване на цените. Някои китайски фабрики вече произвеждат 10 мегаватови единици за около 303 долара на кВт, което ги прави приблизително четири пъти по-евтини в сравнение с подобни устройства от Европа или Северна Америка. Тъй като AWE не зависи от метали от платиновата група, тя избягва всички проблеми с веригата на доставки, които пречат на други технологии. Това означава, че можем да увеличим производството до гигаватови нива, без да срещнем недостиг на материали, който би забавил напредъка.

Дълъг срок на служене и висока издръжливост в сурови промишлени среди

Повечето промишлени системи за електролиза с алкален разтвор (AWE) обикновено работят около 12 до 15 години, дори в трудни условия като производствени съоръжения за амоняк. Тази дълготрайност се дължи на няколко фактора, включително диафрагми, подсилени с цирконий, автоматизирани системи за управление на електролита и по-дълги интервали между обслужванията, при които електродните стакове могат да работят до 30 000 часа между сервизите. Като се има предвид реалната производителност, хлорно-алкален завод в Белгия с капацитет от 28 мегавата е поддържал впечатляваща ефективност от 78 процента в продължение на осем поредни години непрекъснато функциониране. Това всъщност е по-добре от това, което експертите в индустрията предвиждаха за системите PEM, изправени пред същите операционни предизвикателства с течение на времето.

Основни предизвикателства при мащабирането на разгръщането на алкални електролизатори

Ограничена оперативна гъвкавост при колебания на възобновяемата енергия

Системите за електролиза на алкална вода работят най-добре при постоянен доставки на електроенергия, което ги затруднява при рязките промени от слънчеви панели или вятърни турбини. Поради това ограничение, операторите често се нуждаят от допълнителни решения за съхранение или смесване на различни технологии, само и единствено за да поддържат стабилно производство на водород. Проучване на RMI от 2023 г. показва още нещо интересно. Когато заводите работят само с 25% възобновяема енергия, се нуждаят от около 2,5 гигавата електролизатори, за да произвеждат 100 хиляди тона водород годишно. Това всъщност е приблизително с 70% повече оборудване в сравнение със случая, когато същият завод може да работи с 85% зелена енергия. Такива неефективности сериозно се натрупват. За големи проекти, които целят разширяване, допълнителната инфраструктура може да увеличи разходите с до 1,8 милиарда долара според оценки на индустрията.

Прехвърляне на газ и рискове за безопасност в системи с високо налягане

Традиционните порести диафрагми позволяват 3–5% смесване на газове при налягане над 30 бара, създавайки риск от експлозия поради преминаване на водород и кислород. За да се предотврати това, операторите трябва да инсталират системи от критично значение за безопасността, като устройства за рекомбиниране на газове и механизми за отпускане на налягане, което добавя сложност и разходи.

Изисквания за управление на корозивен електролит

Използването на калиев хидроксид води до постоянни предизвикателства при поддръжката:

Тези изисквания увеличават операционните натоварвания и разходите през целия жизнен цикъл, особено при отдалечени или морски инсталации.

Спад на ефективността при ниски натоварвания

При работа под 40% капацитет алкалните електролизни системи сблъскват с с 22% по-високи разходи за производство на водород поради омични загуби в разредени електролити, увеличена мехурна свръхнапреженост и неоптимално топлинно управление. Тези фактори затрудняват интеграцията с променливи възобновяеми източници, както се посочва в проучванията за стабилността на мрежата при проекти за превръщане на вятърна енергия във водород.

Интегриране на алкални електролизьори с възобновяема енергия за устойчиво производство на водород

Съгласуване на AWE системите с моделите на доставка на слънчева и вятърна енергия

AWE работи много добре, когато условията са стабилни, но комбинирането ѝ с възобновяеми източници всъщност прави цялата система по-ефективна. Най-ефективните резултати се постигат при системи, свързани със слънчеви ферми, които работят поне на 60% от максималния си капацитет, или с вятърни инсталации, при които производството не се променя повече от 20% на час, според изследване на Гандия и колеги от 2007 г. От друга страна, внезапни скокове в интензивността на слънчевата светлина, които нарастват по-бързо от 500 вата на квадратен метър всяка минута, могат да намалят ефективността с между 15 и 20 процента. Затова правилната интеграция е толкова важна за този тип схеми.

Мулти-модови стратегии за захранване за повишаване на ефективността при променливост

За подобряване на съвместимостта с променливи източници на енергия операторите използват три ключови подхода:

1. Динамично управление на натоварването : Регулиране на плътността на тока между 0,3–0,5 A/cm² в зависимост от текущото производство от възобновяеми източници
2. Буферизиране чрез батерии : Използване на краткосрочно (⌘15-минутно) съхранение на енергия за изглаждане на върховете в подаването
3. Хибридно комбиниране на възобновяеми източници : Комбиниране на вятърна (40–60% коефициент на капацитет) и слънчева енергия (20–25%) за балансиране на дневното производство

Полеви изпитвания през 2023 г. показват, че тези методи намаляват загубите на ефективност с 35% в сравнение с едноизточни системи.

Реални проекти за превръщане на вятърна енергия в водород с алкална електролиза

Проектът „Енергиен остров“ в Дания показва колко добре може да се представи технологията AWE, като тези 24 MW системи постигат около 74% ефективност на стака, дори и при реални условия на вятъра на терен. Разглеждането на 12 различни конфигурации в Европа през 2024 г. разкрива и друга картина. Алкалните електролизьори продължават да се представят доста добре, запазвайки ефективност между 68 и 72%, независимо дали работят на половин или пълна мощност. И всичко това при захранване единствено от вятърна енергия. Това надминава значително PEM системите, които обикновено имат ефективност между 63 и 67% при подобни условия. Какво означава това? Ами тези числа ясно показват, че AWE определено заслужава внимание при мащабно производство на водород от възобновяеми източници.

Индустриални приложения и глобално разширяване на алкалната технология за електролиз

Мащабно използване в рафинериите, амоняка и гигаватови проекти за зелен водород

Алкалните електролизатори в момента представляват 65% от новите водородни инсталации в рафинериите и производството на амоняк, като работят ефективно при мощности от 1–5 MW с коефициент на полезно действие на системата 74–82% (UnivDatos Market Insights 2024). Над 40 проекта за производство на зелен водород с гигаватов клас, намиращи се в момента в разработка – предимно в ЕС, Китай и Австралия – разчитат на AWE, за да преобразуват морската вятърна и пустинната слънчева енергия в обемен водород. В рафинериите те заместват 28% от търсенето на природен газ, докато при синтеза на амоняк намаляват енергоемността с 12% в сравнение с парните метанови реформатори.

Демонстрационни съоръжения, потвърждаващи търговска мащабируемост и готовност на инфраструктурата

Демонстрационни заводи с многомегаватен капацитет постигнаха 90% време на работа при производството на амоняк и стомана, което потвърждава безпроблемната интеграция със съществуващата индустриална инфраструктура. Пилотен завод в Норвегия, който работи от 2021 г., осигурява производство на водород с мощност 1,2 kg/h/m² при само тримесечно поддръжване. Промишлени консорциуми стандартизират интерфейсите между алкални системи и тръбопроводи за CO² или солни хранилища, като по този начин се решават 34% от пропуските в инфраструктурата, посочени в доклада на Глобалния съвет по водород от 2023 г.

Тенденция: Увеличаване на разполагането в центрове за възобновяема енергия по света

Пет големи възобновяеми центъра – включително слънчевите коридори в Северна Африка и крайбрежните ветрови пояси в Австралия – планират общо 38 ГВ капацитет на алкални електролизьори до 2030 г. Тези групи използват способността на AWE да работи с гъвкавост на натоварване между 40–110% и съвместимостта ѝ с морска вода като суровина, което намалява нуждата от опресняване с 60% в сравнение с вътрешните алтернативи. Над 70% от новите производствени мощности за електролизьори в тези региони дават предимство на алкалната технология поради по-ниската ѝ зависимост от редки минерали и съгласуваност с местните вериги за доставки.

ЧЗВ: Алкални електролизьори и производство на зелен водород

Каква е разликата между алкално водно електролизиране и PEM електролизиране?

Електролизата на алкална вода (AWE) използва евтини неблагородни метали за катализатори и е по-подходяща за големи индустриални приложения поради своята икономичност и издръжливост. Електролизата с протонен разменен мембран (PEM), от друга страна, използва метали от платиновата група, което увеличава нейната цена и в момента има по-малко доказани примери в големи мащаби.

Колко ефективни са съвременните алкални електролизатори?

Съвременните алкални електролизатори достигат ефективност между 70 и 80 процента, което ги прави надежден избор за непрекъснати промишлени операции.

Какви са капитализираните разходи за инсталиране на системи за електролиза на алкална вода?

Капитализираните разходи за AWE системи варират между 242 и 388 евро на киловат, което е значително по-ниско в сравнение с PEM системите.

Защо алкалните електролизатори се предпочитат за проекти за производство на водород в голям мащаб?

Системите AWE имат доказана ефективност с работни възможности до ниво гигават, намалени рискове за веригата на доставки и мащабируемост без нужда от скъпи метали.