Hogyan teszik lehetővé a lúgos elektrolizátorok a költséghatékony, nagy léptékű zöld hidrogén előállítást

A lúgos vízelektrolízis elve és szerepe az ipari hidrogén előállításban

Az lúgos vízelektrolízis, rövidítve AWE, a vizet hidrogénre és oxigénre bontja egy folyékony lúgos oldat segítségével, általában kálium-hidroxid (KOH) alkalmazásával. A modern rendszerek hatásfoka elérheti a 70–80 százalékot a PlugPower 2024-es adatai szerint. Ez a technológia nikkelen alapuló elektródáktól függ, valamint egy speciális pórusos diafragmától, amely elkülöníti a gázokat, ugyanakkor lehetővé teszi az ionok mozgását. Ennek köszönhetően különösen alkalmas folyamatos üzemre ipari környezetben. Az AWE-t különösen a PEM-elektrolizátoroktól megkülönbözteti, hogy nem igényel drága platina csoportba tartozó fémeket, ami anyagköltségek tekintetében kb. 30–40 százalékos megtakarítást eredményez a MDPI 2024-es kutatása szerint. A számokat tekintve az üzemelés során jellemző áramsűrűség általában 0,4–0,6 amper négyzetcentiméterenként mozog. Ezek a paraméterek az AWE-t megbízható választássá teszik nagy létesítményeknél, mint például ammóniatermelő üzemek vagy olajfinomítók, ahol hosszabb időn keresztül folyamatos energiafelhasználás szükséges.

Alapvető komponensek: Elektródák, diafragmma és elektrolit AWE rendszerekben

• Elektródák : Nikkelezett acél elektródák biztosítják a tartósságot és költséghatékonyságot, fenntartva a teljesítményt 60 000 órán át.
• Dijker : Fejlett kompozitok, például poliszulfon alapú membránok csökkentik a gázáthaladást, miközben növelik az ionvezető képességet.
• Elektrolit : Egy 25–30%-os KOH oldat biztosítja a magas ionmobilitást, amelyet szűrőrendszerek támogatnak, meghosszabbítva a karbantartási ciklusok közötti időt és csökkentve a karbantartási gyakoriságot.

Ezek a komponensek együttesen az AWE nagy teljesítményű telepítéseinek tőkeköltségét 800 USD/kW-ra csökkentették, jelentős csökkenést mutatva a 2018-as 1200 USD/kW-hoz képest (Results in Engineering 2024).

Folyamatos ipari üzemeltetésre tervezett rendszerterv tartósság érdekében

Az alkalikus elektrolizátorokat folyamatos, környezetkímélő működésre tervezték, keretük korrózióálló rozsdamentes acélból készül, és rendszerekkel vannak felszerelve, amelyek automatikusan kezelik az elektrolit oldatot. Moduláris egységeik lehetővé teszik a műveletek felméretezését gigawattos kapacitásig, amit már például Ausztrália Ázsiai Megújuló Energiahub projektjénél is tapasztalhatunk. Ezek a gépek redundáns gázelválasztókat és beépített hőmérsékletszabályozó rendszereket is tartalmaznak, amelyek együttesen körülbelül 95 százalékos üzemidőt biztosítanak karbantartási időszakok alatt is. A legújabb típusú elektrolizátorok akár fél órán belül újraindíthatók teljes leállás után, így egyre fontosabb építőkövekké válnak a világszerte fejlesztett nagy léptékű zöld hidrogén-termelő létesítményeknek.

Az alkalikus elektrolizátorok előnyei a PEM-hez képest: érettség, költséghatékonyság és skálázhatóság

Kipróbált múlt: Több évtizedes üzemeltetési tapasztalat az AWE technológiával

Az ipari hidrogén előállítására szolgáló lúgos elektrolízis használata az 1920-as évekre nyúlik vissza, és 2024-re több mint 500 nagy létesítmény működik világszerte, ezek többsége több mint 10 megawatt teljesítményű. A rendszer jól működik erős szerkezete miatt, és jelentős mértékben nikkelen katalizátorokra támaszkodik, ezért sok iparág még mindig ezt a lehetőséget választja műtrágyák gyártásakor vagy olajfinomításkor. Másrészt a protoncserélő membrán technológia még nem igazán mutatta be teljes képességét nagy léptékben. Az eddig látott legnagyobb PEM-üzem körülbelül 20 megawatt teljesítményű, legalábbis az elmúlt év néhány friss iparági jelentése szerint.

Alacsony tőkekiadás és kereskedelmi méretezhetőség ritkaföldfém-függőség nélkül

Az alkáli vízelektrolízis (AWE) rendszerek beruházási költségei 242 és 388 euró között mozognak kilowattanként, ami lényegesen alacsonyabb, mint a PEM rendszerek 384 és 1000 euró feletti ára kilowattonként. Ez az árkülönbség két fő tényezőre vezethető vissza: az AWE nem drága nemesfémekből, hanem olcsóbb, nemesfémmentes katalizátorokat használ, ráadásul ezeket a rendszereket már évtizedek óta gyártják, így a termelés viszonylag gördülékeny. Az árakat jelentősen csökkentette a kínai piac is. Egyes kínai gyárak jelenleg már 10 megawattos egységeket állítanak elő körülbelül 303 dollárért kilowattonként, ami nagyjából négyszer olcsóbb, mint az Európából vagy Észak-Amerikából származó hasonló berendezések. Mivel az AWE nem függ platina csoportba tartozó fémektől, elkerüli azokat a beszerzési nehézségeket, amelyek más technológiákat sújtanak. Ez lehetővé teszi a termelés gigawatt méretű bővítését anyaghiány nélkül, amely máshol akadályozná a fejlődést.

Hosszú élettartam és magas tartósság kemény ipari környezetekben

A legtöbb ipari AWE-rendszer akár 12–15 évig is működik kemény körülmények között is, például ammóniatermelő üzemekben. Ezt a hosszú élettartamot több tényező is elősegíti, köztük a cirkóniummal megerősített membránok, az elektrolit-kezelés automatizált szabályozása, valamint a hosszabb karbantartási ciklusok, amelyek során az elektródakazlók akár 30 000 óráig is képesek működni karbantartás nélkül. A gyakorlati teljesítményt tekintve egy 28 megawattos belga klór-lúg üzem nyolc egymást követő évben folyamatos üzem mellett is lenyűgöző 78 százalékos hatásfokot tudott fenntartani. Ez valójában jobb annál, mint amit az ipari szakértők a PEM-rendszerekkel szembeni azonos működési kihívások hatására előrejeleztek.

Az lúgos elektrolizerek telepítésének kiterjesztésével kapcsolatos főbb kihívások

Korlátozott működési rugalmasság megújuló energiaingadozások esetén

Az alkáli vízelektrolízis rendszerek akkor működnek a legjobban, ha folyamatos áramellátást kapnak, emiatt nehézségeik vannak a napelemek vagy szélturbinák hirtelen változásait követni. Ennek a korlátnak a következtében az üzemeltetők gyakran további tároló megoldásokra vagy különböző technológiák kombinálására szorulnak, csak hogy stabil maradjon a hidrogéntermelés. A 2023-as RMI kutatás érdekes eredményt is mutat: amikor egy üzem csupán 25% megújuló energiával működik, körülbelül 2,5 gigawatt teljesítményű elektrolizálókra van szükség ahhoz, hogy évi 100 ezer tonna hidrogént állítson elő. Ez valójában körülbelül 70%-kal több berendezést jelent, mint amennyire akkor lenne szükség, ha ugyanez az üzem 85%-os zöldenergia-felhasználással működhetne. Az ilyenfajta hatékonysági hiányosságok azonban komolyan felhalmozódnak. A nagy léptékű projekteknél, amelyek bővítésre törekvnek, a plusz infrastruktúra a költségeket akár 1,8 milliárd dollárral is megnövelheti az iparági becslések szerint.

Gázáthaladás és biztonsági kockázatok magas nyomású rendszerekben

A hagyományos pórusos diafragmák lehetővé teszik 3–5% gázkeveredést 30 bar feletti nyomásnál robbanásveszély keletkezik a hidrogén-oxigén átjutása miatt. Ennek csökkentése érdekében az üzemeltetőknek biztonságtechnikai szempontból kritikus rendszereket, például gázhidratizáló egységeket és nyomáscsökkentő mechanizmusokat kell telepíteniük, ami növeli az összetettséget és a költségeket.

Korrozív elektrolit kezelésének követelményei

A kálium-hidroxid használata folyamatos karbantartási kihívásokat jelent:

Ezek az elvárások növelik az üzemeltetési terheket és az életciklus-költségeket, különösen távoli vagy tengeri telepítések esetén.

Hatásfokcsökkenés alacsony terhelésnél

Amikor az AWE-rendszerek 40%-os kapacitás alatt működnek, akkor 22%-kal magasabb hidrogéntermelési költségekkel szembesülnek a híg elektrolitok ohmikus veszteségei, a növekedett buborék túlfeszültség és a nem optimális hőkezelés miatt. Ezek a tényezők nehezítik az intermittens megújuló energiával való integrációt, amint azt a szélerőműből hidrogénbe átalakító projektek hálóállapot-tanulmányai is kiemelték.

Lúgos elektrolizerek integrálása megújuló energiával fenntartható hidrogén előállítása céljából

AWE-rendszerek illesztése a napelemes és szélerőművi energiaellátási mintázatokhoz

Az AWE akkor működik igazán jól, amikor a körülmények állandóak, de ha megújuló energiaforrásokkal kombinálják, az egész rendszer hatékonyabbá válik. A legjobb eredmények olyan rendszereknél érhetők el, amelyek naperőművekkel vannak párosítva, és legalább a maximális kapacitásuk 60%-án működnek, vagy szélerőművekkel, ahol az óránkénti kimenet ingadozása nem haladja meg a 20%-ot, ahogyan azt Gandia és kollégái kutatásaiban 2007-ben kimutatták. Másrészt viszont, ha a napsugárzás intenzitása percenként több mint 500 watt négyzetméterenként változik, az akár 15–20 százalékkal is csökkentheti a hatékonyságot. Ezért olyan fontos ezeknél a rendszereknél a megfelelő integráció.

Több üzemmódú energiagazdálkodási stratégiák a hatékonyság növelésére szakadozó energiaellátás esetén

A változó energiaforrásokkal való kompatibilitás javítása érdekében az üzemeltetők három fő módszert alkalmaznak:

1. Dinamikus terheléskezelés : Áramsűrűség szabályozása 0,3–0,5 A/cm² között a megújuló energia pillanatnyi termelésének függvényében
2. Akku pufferelés : Rövid idejű (⌘15 perc) energiatárolás használata a teljesítménycsúcsok kiegyenlítésére
3. Hibrid megújuló energia-párosítás : Szélenergia (40–60% kapacitási tényező) és napelemes rendszer (20–25%) kombinálása a napi ellátás kiegyensúlyozására

A 2023-as mezőgazdasági próbák azt mutatják, hogy ezek a módszerek 35%-kal csökkentik a hatásfokveszteséget az egyszeres forrású rendszerekhez képest.

Alkáli elektrolízist használó valós szél-hidrogén projektek

A Dániában található Energy Island projekt jól szemlélteti, mire képes az AWE-technológia, hiszen a 24 MW-os rendszerek körülbelül 74%-os stack-hatékonyságot értek el, miközben tényleges terepi szélviszonyokkal kellett megbirkózniuk. A 2024-ben Európában lévő 12 különböző berendezés vizsgálata is másféle képet mutat. A lúgos elektrolizátorok viszonylag jól teljesítettek, 68 és 72% közötti hatékonysággal működtek akár fél, akár teljes terhelés mellett. Mindez csupán szélerővel történt. Ez messze felülmúlja a PEM-rendszereket, amelyek hasonló körülmények között általában 63 és 67% között mozognak. Mit jelent mindez? Nos, ezek a számok egyértelművé teszik, hogy az AWE technológia mindenképpen fontolóra vehető a nagy léptékű, megújuló energiaforrásból előállított hidrogén gyártásában.

Ipari alkalmazások és a lúgos elektrolizátor technológia globális kiterjesztése

Nagy léptékű felhasználás finomításban, ammónia előállításban és gigawattos zöld higrogénprojektekben

A lúgos elektrolizátorok jelenleg a finomításban és ammóniatermelésben létesített új hengeresztékek 65%-át teszik ki, 1–5 MW teljesítményszinten 74–82% rendszerhatékonysággal működnek (UnivDatos Market Insights 2024). Több mint 40 gigawatt-os zöld hengeresztési projekt, amely jelenleg fejlesztés alatt áll – elsősorban az EU-ban, Kínában és Ausztráliában – az AWE-re támaszkodik, hogy tengerparti szélenergiából és sivatagi napelemből nagy mennyiségű hidrogént állítson elő. A finomítás során ezek 28%-kal csökkentik a földgáz-igényt, míg az ammónia szintézisben 12%-kal csökkentik az energiaigényességet a gőzös metánreformálókhoz képest.

Kereskedelmi méretbővítési lehetőség és infrastruktúra készenléti szintjének érvényesítését szolgáló bemutató üzemek

Több megawattos bemutatóüzemek elértek 90%-os üzemidőt az ammónia- és acélgyártási alkalmazásokban, megerősítve a zökkenőmentes integrációt a meglévő ipari infrastruktúrával. Egy norvég kísérleti üzem, amely 2021 óta működik, 1,2 kg/h/m² hidrogéntermelést biztosít csupán negyedévenkénti karbantartással. Az ipari konzorciumok az alkalikus rendszerek és a CO²-vezetékek vagy sóbarlang-tárolók közötti interfészek szabványosításán dolgoznak, ezzel kezelve a 2023-as Globális Hidrogén Tanács jelentésében azonosított infrastrukturális hiányosságok 34%-át.

Trend: Növekvő bevetések megújuló energia központokban világszerte

Öt főbb megújuló energia központ – köztük Észak-Afrika napelemes folyosói és Ausztrália tengerparti szélövei – 38 GW-nyi lúgos elektrolizátor kapacitás kiépítését tervezi 2030-ig. Ezek a fürtök kihasználják az AWE képességét, hogy 40–110% közötti terhelési rugalmassággal működjön, valamint összeegyeztethetőségét tengervíz alapanyaggal, csökkentve ezzel a megszikkasztás szükségességét az általuk elérhető belső alternatívákhoz képest 60%-kal. Az új elektrolizátor gyártó létesítmények több mint 70%-a ezen régiókban elsődlegesen a lúgos technológiát részesíti előnyben alacsonyabb ásványi anyag-függősége és a helyi ellátási láncokkal való összhangja miatt.

GYIK: Lúgos elektrolizátorok és zöld hidrogén előállítás

Mi a különbség a lúgos vízelektrolízis és a PEM-elektrolízis között?

Az lúgos vízelektrolízis (AWE) olcsó, nemesfémeket nem tartalmazó katalizátorokat használ, és költséghatékonysága és tartóssága miatt alkalmasabb nagy léptékű ipari felhasználásra. A PEM-elektrolízis viszont platina-csoportba tartozó fémeket igényel, ami növeli annak költségét, és jelenleg kevésbé bizonyított nagy léptékben.

Mennyire hatékonyak a modern lúgos elektrolizerek?

A modern lúgos elektrolizerek 70 és 80 százalék közötti hatásfokot érnek el, így megbízható választást jelentenek a folyamatos ipari működéshez.

Mik az alapítási költségek az lúgos vízelektrolízis rendszerek telepítésekor?

Az AWE-rendszerek alapítási költsége kilowattonként 242 és 388 euró között mozog, ami jelentősen alacsonyabb, mint a PEM-rendszereké.

Miért részesítik előnyben az lúgos elektrolizereket a nagy léptékű hidrogéntermelési projektekben?

Az AWE-rendszerek bevált múltra tekintenek vissza, üzemeltethetőségük akár gigawattos kapacitásig terjedhet, csökkentett ellátási lánc-kockázatokkal rendelkeznek, és skálázhatók nemesfémek nélkül.