Kako AEM elektrolizeri omogućavaju distribuiranu proizvodnju vodika

Pomak ka dezentralizovanoj infrastrukturi za vodik

Dolazi do velike promjene u načinu na koji proizvodimo i koristimo energiju širom svijeta. Tradicionalni sistemi na fosilna goriva polako se zamjenjuju onim što se naziva modularnim vodoničnim mrežama. Zašto? Zato što je lokalno skladištenje obnovljive energije postalo znatno jeftinije tokom posljednjih godina. Prema istraživanju Hydrogen Council iz 2023. godine, troškovi skladištenja su smanjeni za skoro 60% od 2020. godine. To čini AEM elektrolizere izuzetno važnim za ovaj prijelaz. Ovi uređaji omogućavaju zajednicama da proizvode vodik upravo na mjestu gdje im je potreban, bilo da je riječ o maloj solarnoj farmi koja proizvodi oko 500 kW snage ili većim instalacijama kapaciteta do 20 MW za industrijske potrebe. Najbolje od svega? Ne zahtijevaju skupe cjevovode za transport vodika. Također, dobro funkcionišu uz povremene obnovljive izvore poput vjetra i sunca, zbog čega ih mjesta sa nestabilnim električnim mrežama smatraju izuzetno korisnim. Zamislite te male električne postrojenja u udaljenim dijelovima Afrike izvan Sahare gdje redovni priključci na mrežu jednostavno nisu izvodljivi.

Osnovni princip: Elektroliza vode s anionskom izmjenom membrane (AEM)

Sistemi s anionskom izmjenom membrane (AEM) rade tako što razlažu molekule vode na vodik i kisik pomoću specijalnih membrana koje provode hidroksid, uz upotrebu katalitičkih materijala poput slitina nikla i željeza. Ovi se sistemi razlikuju od tradicionalnih jedinica za elektrolizu s protonskom izmjenom membrane (PEM) koje zahtijevaju skupu platinu i druge metale platinske grupe. Prema nedavnim nalazima Izvještaja o inovacijama u materijalima iz 2024. godine, AEM tehnologija postiže efikasnost od oko 75 posto pri radu na gustoći struje od oko 2 ampera po kvadratnom centimetru. Ono što ih ističe je činjenica da smanjuju troškove katalizatora za otprilike devedeset posto u poređenju s alternativama. Budući da nude dobar učinak bez prevelikih troškova, mnogi stručnjaci smatraju da ovi sistemi imaju smisla za manje ili decentralizovane postrojenja za proizvodnju energije gdje su troškovi i dalje glavni problem.

Primjena u stvarnom svijetu: AEM u ruralnim mikromrežama na obnovljivu energiju

2023. godine, istraživači su uočili kako AEM elektrolizeri održavaju stabilan rad 5 megavatnog solarnog mikromreže na čitavom indonezijskom arhipelagu. Ovi sistemi su proizvodili oko 12 tona vodika svakog mjeseca, koji su lokalni poljoprivrednici koristili za proizvodnju đubriva, kao i za rezervno napajanje tokom oblačnih dana. Čak i kada se nivo sunčeve svjetlosti mijenjao za 40% tokom dana, instalacija je i dalje ostvarivala efikasnost od 68%. To je zapravo prilično impresivno u poređenju sa starijim alkalnim modelima, koji su zaostajali oko 22% pri promjenama energetskih potreba. Danas, nekoliko vodećih proizvođača lansira kompaktne AEM jedinice smještene u kontejnerima. One se mogu lako povezati sa postojećim vjetroelektranama ili solarnim instalacijama, bez potrebe za skupom novom infrastrukturom, što čini proizvodnju zelenog vodika dostupnijom zajednicama širom svijeta.

Strateška usklađenost s ciljevima lokalne otpornosti energije

Kada je u pitanju proizvodnja vodika, AEM tehnologija zaista pomaže zemljama da poboljšaju sigurnost u pogledu energije, posebno planovima poput REPowerEU iz EU-a koji ciljaju na oko 20 miliona tona zelenog vodika godišnje do 2030. godine. Lokalna proizvodnja smanjuje potrebu za uvozom stranih goriva, što je danas od velikog značaja. Osim toga, dešava se i jedna zanimljiva stvar koja se naziva kružna ekonomija. Uzmimo Norvešku, primjerice, oni koriste prekomjerni vodik za pogon ambulanskih vozila. Također, u Njemačkoj, višak vodika pomaže u čišćenju čeličana. Ono što ovaj pristup čini pametnim je njegova sposobnost prilagođavanja stvarnim potrebama različitih regiona, a sve to bez zaglavljivanja u čekanju na one problematične retke zemlje koje svi posljednje vrijeme žestoko traže.

Tehnološki napredak i performanse AEM elektrolizera

Katalizatori bez dragocjenih metala: Pokretač inovacija u AEM sistemima

Elektrolizeri s alkalnom elektrolitskom membranom (AEM) uklanjaju našu zavisnost od skupih metala platinske grupe tako što prelaze na katalizatore napravljene od nikla i željeza. Prema nekim nedavnim istraživanjima objavljenim u Arapskom časopisu za hemiju još 2023. godine, ovi novi materijali zapravo imaju jednaku učinkovitost kao i stari PEM sistemi kada je u pitanju gustina struje, ali smanjuju troškove materijala za trideset do pedeset posto. Ono što čini ovaj razvoj toliko zanimljivim je njegova uklopljenost u globalne trendove koji čine proizvodnju zelene vodika sve dostupnijom. Proizvođači počinju prihvatati ove metode jer postoji jasna mogućnost proširenja proizvodnje, što potvrđuju recenzije u časopisima za nauku o materijalima.

Učinkovitost i skalabilnost: Poređenje AEM-a s drugim tipovima elektrolizera

Elektrolizeri s alkalnom izmjenom membrane (AEM) obično imaju efikasnost od oko 70 do 75 posto pri radu na nižim temperaturama, što je bolje od standardnih alkalnih sistema koji imaju efikasnost između 60 i 65 posto. Oni također mogu konkurisati tehnologiji sa protonskom izmjenom membrane (PEM), bez potrebe za skupim katalizatorima na bazi iridija koji povećavaju troškove. Ono što ovaj sistem stvarno ističe je modularna konfiguracija koja omogućava operaterima skaliranje kapaciteta od samo 1 kilovata sve do više megavata. Ova fleksibilnost znači da se dobro uklapaju u sve, od malih lokalnih električnih mreža pa sve do velikih industrijskih postrojenja za proizvodnju amonijaka. Prema nedavnim procjenama tržišta, unificirana cijena vodika za AEM tehnologiju zapravo pada ispod tri dolara po kilogramu kada cijena obnovljive električne energije ostane ispod dvadeset dolara po megavat-satu.

Izdržljivost naspram cijene: Ključni izazovi u razvoju AEM membrana

Nedavna poboljšanja u hemiji membrana su produžila vijek trajanja AEM-a znatno iznad 30.000 sati, prema studijama objavljenim u Arapskom žurnalu za hemiju još 2023. godine. Međutim, održavanje izdržljivosti ovih membrana bez prevelikih troškova i dalje predstavlja veliki izazov za proizvođače. Najnovija generacija anionski provodnih polimera zapravo pokazuje oko 40 posto bolju ionsku provodljivost u odnosu na ranije dostupne materijale, iako zahtijevaju vrlo pažljive procese proizvodnje kako bi se izbjegli problemi kontaminacije elektrolitima. Trenutno istraživači rade na metodama smanjenja degradacije membrana čak do 80 posto korištenjem specijalnih nanostrukturiranih armirajućih slojeva. Njihov cilj je da cijena membrana padne ispod pedeset dolara po kvadratnom metru pri komercijalnoj prodaji, što bi ih učinilo znatno pristupačnijima za široku primjenu.

Ekonomski potencijal: Proizvodnja vodika niskih troškova pomoću AEM elektrolizera

Inovacije materijala za smanjenje troškova sistema elektrolizera

Prednost AEM elektrolizera u pogledu troškova proizilazi uglavnom iz napretka u katalizatorima i membranama. Kada proizvođači zamijene skupocene metale platinske grupe jeftinijim varijantama nikla i željeza, smanjuju troškove katalizatora otprilike 60 posto u odnosu na PEM sisteme, prema ScienceDirect-u iz prošle godine. Istraživanje objavljeno u Applied Energy-u još 2023. godine pokazalo je da ovi AEM sistemi zapravo imaju početne troškove niže za oko 30 do 40 posto za istu količinu proizvodne snage, jer materijali nisu tako skupi i potrebno je manje pomoćne opreme. Neke stvarne testove također su pokazale obećavajuće rezultate kod novijih dizajna membrana koje traju znatno duže od 8.000 radnih sati, čak i kada rade na neusklađenim izvorima obnovljive energije, što pomaže u ublažavanju zabrinutosti o vremenu trajanja ovih uređaja prije nego što se pokvare.

Putanje ka postizanju ekonomičnog zelenog vodika

Četiri strategije ubrzavaju AEM-ov put ka <$3/kg vodika:

1. Standardizirani modularni dizajni omogućuju masovnu proizvodnju 1–5 MW stekova
2. Hibridna integracija obnovljivih izvora kombinovanje solarne/vjetro energije sa izravnavanjem mrežne snage
3. Podsticaji za zajedničko lokaciranje pozicioniranje elektrolizera u blizini čvorova s niskim troškovima obnovljive energije
4. Iskorištavanje otpadne toplote ponovna upotreba 15–20% toplotnih gubitaka za daljinsko grejanje

Testovi urađeni u stvarnim uslovima pokazuju da AEM sistemi mogu proizvoditi vodik po cijeni od oko 2,50 USD po kilogramu kada je dostupna obnovljiva električna energija po cijeni ispod 0,03 USD po kilovat-satu. To predstavlja smanjenje od oko 45 posto u odnosu na rezultate iz 2022. godine. Stručnjaci procjenjuju da će svjetska potreba za zelenim vodikom do kraja ove decenije doseći otprilike 150 miliona tona godišnje. S obzirom na ove brojke, padajući troškovi povezani s AEM tehnologijom čine je istaknutom opcijom koja se može razmjeriti na različitim lokacijama gdje trenutno postoji potreba za rješenjima za čistu energiju.

Integracija AEM elektrolizera s izvorima obnovljive energije

Proizvodnja zelene vodike korištenjem solarnih i vjetrovnih AEM sistema

AEM elektrolizeri koriste dodatnu električnu energiju iz obnovljivih izvora i pretvaraju je u vodik, čime pomažu solarnim i vjetro parkovima da skladište energiju u situacijama gdje baterije nisu dovoljne. Ovi uređaji prilično dobro rade čak i kada ne rade na punom kapacitetu, već između 30% i 120%, pa stoga nepredvidljive ulazne energije bolje upravljaju u odnosu na tradicionalne sisteme. Nekim testovima prošle godine analizirani su solarni sistemi i utvrđena efikasnost od oko 68% kada sunce izlazi i zalazi, što je za 12 procentnih poena više od PEM sistema u istim uslovima. Za one koji upravljaju malim mrežama u udaljenim područjima, ova fleksibilnost znači da mogu nastaviti proizvodnju vodika čak i onih dana kada se pojave oblačenja ili kada vjetar prestane puhati.

Dinamički rad pod uvjetima povremenog napajanja obnovljivom energijom

Ovi elektrolizeri automatski reaguju na fluktuacije kvaliteta struje putem:

• Regulacija napona (±15% tolerancije bez gubitka efikasnosti)
• Brzina porasta od 10% kapaciteta po sekundi
• odnos prigušenja od 95% za uslove rada sa niskom snagom

Podaci iz terena iz projekta hibridne vjetroturbine i AEM-a iz 2023. godine pokazali su 1.200 dnevnih ciklusa paljenja-gašenja bez degradacije membrane — značajna prednost u odnosu na alkalne sisteme koji su ograničeni na 50 ciklusa. Ova otpornost čini AEM tehnologiju kompatibilnom s prosječnim indeksom volatilnosti od 76% koji se uočava na mrežama sa velikim udjelom obnovljivih izvora.

Ravnoteža između stabilnosti mreže i potreba za distribuiranom proizvodnjom vodika

AEM sistemi imaju dvostruku ulogu:

Model distribuirane energije pokazao je da zajednice koje koriste hibridne AEM elektrolizere smanjuju zavisnost od rezervnih goriva na dizel do 89% i istovremeno održavaju smanjenje proizvodnje iz obnovljivih izvora ispod 15%. Ova dvostruka funkcionalnost čini AEM tehnologiju ključnim elementom za postizanje ciljeva energetske sigurnosti i dekarbonizacije.

Skalabilnost i komercijalna spremnost AEM elektrolizerske tehnologije

Pilotski projekti koji potvrđuju performanse i skalabilnost AEM elektrolizera

Pilotne studije pokazuju da AEM elektrolizeri zaista mogu rasti od malih laboratorijskih modela do većih sistema, bez gubitka učinkovitosti tokom procesa. Istraživači u Evropi su istraživali ovo još 2023. godine i otkrili da njihov 2 kW AEM sistem postiže učinkovitost od oko 60%, iako koristi jeftinije katalitičke materijale umjesto skupih metala. Već sada se govori o proširenju ovih sistema na 200 kW u narednih nekoliko godina. Kada su kompanije testirale modularne verzije ovih elektrolizera u udaljenim područjima povezanim sa manjim električnim mrežama, dobile su impresivne rezultate. Ovi sistemi dostigli su gotovo 90% kapaciteta radeći uz solarne panele, što pomaže u rješavanju jednog od najvećih problema sa obnovljivim izvorima energije koji ne proizvode struju konstantno tokom cijelog dana.

Procjena nivoa zrelosti tehnologije (TRL) i budući plan razvoja

Trenutno AEM elektrolizeri imaju nivo TRL-a oko 6 do 7, pri čemu neki industrijski prototipovi pokazuju da mogu trajati oko 8.000 sati kada rade s promjenjivim izvorima obnovljive energije. Učesnici u industriji ciljaju dostići TRL 8 do 9 do kraja ove decenije, uglavnom produžujući vijek trajanja membrana – idealno ih prilagođavajući za rad od približno 30.000 radnih sati prije zamjene. Napredovanje u razvoju usmjeren je na tri glavna područja. Prvo je smanjenje količine katalizatora koji se koristi, sa ciljem ispod 1 mg po kvadratnom centimetru. Zatim slijedi poboljšanje načina povezivanja ćelija kako bi sustavi efikasno radili u rasponu veličina od 1 do 10 megavata. I konačno, proizvođači žele smanjiti troškove ostalih komponenti postrojenja (balance-of-plant) otprilike za 40 posto, koristeći naprednije tehnike termalnog upravljanja kroz cijeli sistem.

Česta pitanja (ČP)

• Šta su AEM elektrolizeri?
  AEM elektrolizatori su uređaji koji koriste anionske izmjenjivače membrana za proizvodnju vodika iz vode, nudeći učinkovito i jeftino rješenje za proizvodnju vodika u odnosu na tradicionalne metode.
• Kako AEM elektrolizatori podržavaju dezentralizovanu proizvodnju energije?
  Omogućavajući proizvodnju vodika na mjestu korištenja, AEM elektrolizatori eliminiraju potrebu za skupim cjevovodima i transportnom infrastrukturom, čineći ih idealnim za dezentralizovane energetske mreže.
• Koju ulogu AEM elektrolizatori imaju u sistemima obnovljivih izvora energije?
  AEM elektrolizatori pretvaraju višak električne energije iz obnovljivih izvora u vodik, pružajući pouzdanu soluciju za skladištenje energije koja dopunjava solarne i vjetrenjačke sisteme, posebno u područjima sa povremenim opskrbama energijom.
• Zašto su neplemeniti metalni katalizatori važni u AEM sistemima?
  Oni smanjuju ukupne troškove elektrolizatora korištenjem jeftinijih i rasprostranjenih materijala poput nikla i željeza, umjesto skupih metala platinske grupe, uz održavanje visoke učinkovitosti.
• Koji su ekonomski benefiti korištenja AEM elektrolizera?
  Napredak u tehnologijama katalizatora i membrana smanjuje početne troškove sistema i poboljšava izdržljivost, što dovodi do značajnih ušteda i pristupa proizvodnji vodika niskih troškova.