Kako PEM elektrolizori postižu visoku efikasnost sistema uz obnovljivu energiju

U slučaju da se ne primenjuje, za potrebe ovog standarda, mora se utvrditi da je u skladu sa člankom 6. stavkom 1.

Protonski izmenjeni membranski (PEM) elektrolizori pretvaraju obnovljivu električnu energiju u vodonik prilično efikasno, obično dostižu oko 60 do 80% efikasnosti sistema kada se mjeri u odnosu na nižu toplotnu vrijednost vodonika. Neki testovi provedeni prošle godine pokazali su da ovi sistemi mogu postići 70% efikasnosti čak i kada se nose sa svim usponima i padovima solarnih panela i vjetroturbina. To znači da je potrebno oko 48 do 52 kilovat-sati da se proizvede svaki kilogram vodonika. Ono što čini PEM-ove izuzetanim je to koliko brzo reagiraju na promjene u napajanju, što znači da mogu da se sinhronizuju direktno sa obnovljivim izvorima energije bez potrebe za dodatnim skladištenjem baterije. U poređenju sa starijim alkalnim sistemima, PEM jedinice se mnogo bolje nose i sa naglim promjenama u opterećenju. Mogu da pređu od nule do punog kapaciteta za manje od pet sekundi bez gubitka efikasnosti. Praktično iskustvo na stvarnim lokacijama instalacije pokazuje da efikasnost pada samo za oko 3 do 5% kada postoje 30% varijacije u ulaznom napajanju. Ova vrsta performansi sugeriše da je PEM tehnologija spremna za ozbiljnu primenu zajedno sa našom rastućom infrastrukturom obnovljivih izvora energije.

Kritske operativne poluge: hidratacija membrane, kontrola temperature i optimizacija katalizatora

Tri međusobno zavisna faktora određuju vrhunsku efikasnost PEM-a u okviru promenljive opskrbe obnovljivim izvorima:

• Hidratacija membrane: Održavanje relativne vlažnosti od 80-95% je neophodno za očuvanje vodljivosti protona. Suva operacija povećava ohmički otpor do 40%, dok poplave ometaju pristupačnost katalizatora i transport gasa.
• Kontrola temperature: Radom na hrpi između 60°C i 80°C optimalno se uravnotežava reakcijska kinetika i izdržljivost membrane. Svaki porast temperature od 10°C poboljšava efikasnost za ~1,5%, ali ubrzava pročišćavanje membrane za 15% zahtijeva precizno toplotno upravljanje.
• Optimizacija katalizatora: Ultra tanki slojevi platine (0,1 0,3 mg / cm2) deponirani na porozni transportni sloj titana smanjuju aktivni nadpotencijal za 30% u odnosu na konvencionalne modele, direktno poboljšavajući efikasnost napona i dugovječnost.

PEM elektrolizori i intermitentna obnovljiva energija: prirodna tehnička pogodnost

Dinamički odgovor u sekundi omogućava direktno spajanje sa solarnim i vetrovim sistemima

PEM elektrolizori mogu dostići brzinu rampe ispod 500 milisekundi, što znači da se gotovo odmah prilagođavaju promjenama sunčevih uslova i naglim promjenama vjetra. Ovi sistemi imaju dobru gustinu struje i rade na nižim temperaturama, tako da rade dosledno čak i kada postoji mnogo promjena opterećenja. Ova stabilnost zapravo smanjuje potrebu za skupim rešenjima za skladištenje baterija, posebno važnim u uskim prostorima ili udaljenim lokacijama kao što su offshore instalacije i gradska proizvodna područja gdje je prostor ograničen. Kontrolni sistemi u tim jedinicama stalno prilagođavaju stvari poput nivoa pritiska, protoka vode i sadržaja vlage u zraku kako bi se izbjegli opasni porasti napona, dok se hemijski omjeri održavaju u ravnoteži tokom nestabilnih perioda. Zbog ovog brzog vremena reakcije, PEM tehnologija se izdvaja kao posebno dobro prilagođena za proizvodnju vodonika iz obnovljivih izvora na manjim, raspršenim lokacijama u energetskim mrežama.

Validacija na terenu: Lekcije iz projekta integracije PEMVind od 1,25 MW u severnoj Njemačkoj

Demonstracioni projekat od 1,25 MW u severnoj Nemačkoj postigao je 91% korištenja obnovljivih izvora uprkos 40% nestabilnosti vjetra, što je pokazalo održivost u komercijalnom obimu. Ključni operativni uvidi uključuju:

• Optimizacija katalizatora smanjila je degradaciju za 63% tokom 15-minutnih ciklusa
• Adaptivni protokoli hidratacije membrane održavaju > 98% čistoće vodonika pod frekvencijskim oscilacijama od 0,3 Hz
• Precizna kontrola temperature smanjuje toplotni stres za 52% tokom brzog isključivanja
  Tokom 4.200+ radnih sati, sistem je pružio doslednu performansu od 54,3 kWh/kg H2 (LHV), čime je pojačana robusnost PEM u stvarnim uslovima intermitentnih stanja.

Izazovi izdržljivosti i strategije ublažavanja za rad PEM elektrolizatora

Degradacija anodnog katalizatora i tanjenje membrane tokom ciklusa opterećenja: dokazi iz 20.000+ ciklusa

Puno ponavljanja opterećenja ubrzava dva primarna mehanizma degradacije: rastvaranje anodnog katalizatora (preko aglomeracije iridijevih čestica i korozije podrske) i mehaničko procijenjenje membrane u membrama perfluorosulfonne kiseline (PFSA). Dugoročno testiranje preko 20.000+ ciklusa pod intermitentnošću poput obnovljivih izvora otkriva godišnje gubitke performansi koje prelaze 2,4%kritična briga za ekonomski životni vijek. Isprobane strategije ublažavanja uključuju:

• Napredne katalisatorske arhitekture , kao što su strukture oksida iridija/dioksida rutenijuma u srži, koje smanjuju opterećenje plemenitim metalima za 40% uz održavanje katalitičke aktivnosti
• S druge konstrukcije , koji uključuju ugljikovodikove čvorove i nanočestice cirkonijum fosfata, smanjujući stopu oslobađanja fluoridnih jona za 68%
• Dinamički operativni protokoli , uključujući modulaciju vlažnosti tokom perioda niskog opterećenja, koja je smanjila stopu degradacije membrane za 30% u validirajućim ispitivanjima
  Zajedno, ovi napredak produžava validirani životni vek hrpe preko 60.000 sati, zadržavajući efikasnost LHV-a od > 75%.

Ključne operativne prednosti koje definišu vrijednost PEM elektrolizatora u B2B aplikacijama

Protonski izmenjeni membranski (PEM) elektrolizori nude neke prilično velike prednosti kada je u pitanju proizvodnja vodika za industriju. Odgovaraju skoro odmah, što znači da se mogu povezati direktno sa solarnim panelima i vjetroturbinama na rubu električne mreže. Ova postavka eliminiše potrebu za dodatnim spremnicima i omogućava objektima da kupuju struju kada su cijene najniže. Uređaji koji koriste ovu vrstu fleksibilnosti zapravo uštede oko 28% na računu za energiju u poređenju sa onima koji su zaglavljeni sa fiksnim opterećenjima. Način na koji ove jedinice rade pri visokom gustini struje (više od 2 ampera po kvadratnom centimetru) održava ih efikasnim čak i kada se potražnja menja, i održavaju čistoću vodonika iznad 99,99% kroz sve vrste ciklusa početka i zaustavljanja. Taj nivo kvaliteta ispunjava stroge standarde potrebne za stvari kao što su gorivne ćelije u vozilima i proizvodnja čiste silicija. Plus, njihov kompaktan dizajn ima smisla za uske prostore kao što su naftne platforme na obali ili gradske fabrike gdje je prostor ograničen. Standardizovani dijelovi takođe znače da kompanije mogu lako proširiti kapacitet kako obnovljivi izvori energije rastu s vremenom. Svi ovi faktori ukazuju na to da PEM tehnologija postaje kamen temeljac za izgradnju robusnih, ugljen-neovisnih vodikovih mreža u svim glavnim industrijama.

Često se postavljaju pitanja

• Koliki je opseg efikasnosti za PEM elektrolizore?
  PEM elektrolizori obično postižu efikasnost od oko 60 do 80% pri pretvaranju obnovljive električne energije u vodonik na osnovu niže toplotne vrijednosti (LHV) vodonika.
• Kako PEM elektrolizori rešavaju promjene u napajanju?
  PEM elektrolizori brzo reagiraju na promjene, mogući da idu od nule do punog kapaciteta za manje od pet sekundi bez značajnog gubitka efikasnosti. To ih čini pogodnim za direktnu vezu sa obnovljivim izvorima energije kao što su sunce i vetar.
• Koji su glavni operativni izazovi za PEM elektrolizore?
  Glavni izazovi uključuju razgradnju anodnog katalizatora i pročišćavanje membrane tokom ciklusa opterećenja. Napredni dizajn katalizatora i ojačane membrane koriste se za rješavanje ovih problema.
• Zašto su PEM elektrolizori preferirani za intermitentne izvore energije?
  PEM elektrolizori imaju brzo vreme odziva i mogu se efikasno prilagoditi fluktuacijama intermitentnih izvora energije bez potrebe za dodatnim rešenjima za skladištenje.
• Koji napredak pomaže da se produži životni vek PEM elektrolizatora?
  Napredne arhitekture katalizatora, ojačane membrane i dinamični operativni protokoli razvijeni su kako bi se produžio životni vijek PEM elektrolizatora i održala efikasnost.