Сілтілік электролизаторлар қалай тиімді, үлкен көлемді жасыл сутегі өндіруді қамтамасыз етеді

Сілтілік су электролизінің принципі және өнеркәсіптік сутегі шығарудағы рөлі

Сілтілік сулық электролизі немесе қысқаша AWE суды сілтілік ерітінді арқылы — әдетте калий гидроксиді (KOH) арқылы сутегі мен оттегіге ыдырату арқылы жұмыс істейді. Пайдалы әрекет коэффициентінің қазіргі заманғы жүйелері PlugPower-тың 2024 жылғы деректері бойынша 70-80 пайызға жетеді. Бұл технология газдарды бөліп тұратын, бірақ иондардың өтуіне мүмкіндік беретін никель негізіндегі электродтар мен ерекше сүзгіш диафрагмадан тұрады. Осындай құрылымға байланысты ол әсіресе өнеркәсіптік орындарда үздіксіз жұмыс істеуге өте қолайлы. MDPI-дің 2024 жылғы зерттеулерінде айтылғандай, PEM электролизаторларымен салыстырғанда AWE қымбат бағалы платина тобының металдарын қажет етпейді, бұл материалдар шығынын шамамен 30-40 пайызға қысқартады. Сандық көрсеткіштерге келетін болсақ, жұмыс режиміндегі ток тығыздығы әдетте шаршы сантиметрге 0,4-0,6 ампер аралығында болады. Бұл сипаттамалар AWE-ны аммиак өндіру зауыттары мен мұнай қайта өңдеу қондырғылары сияқты ұзақ уақыт бойы тұрақты энергия тұтыну талап етілетін үлкен кәсіпорындар үшін мықты таңдауға айналдырады.

Негізгі компоненттер: AWE жүйелеріндегі электродтар, диафрагма және электролит

• Электродтар : Никельмен қапталған болат электродтар 60 000 сағаттан астам уақыт бойы өз өнімділігін сақтай отырып, беріктік пен экономикалық тиімділік қамтамасыз етеді.
• Диафрагма : Полисульфон негізіндегі мембраналар сияқты күрделі материалдар газдың бір электродтан екіншісіне өтуін азайтады және иондық өткізгіштікті арттырады.
• Электролит : Фильтрлеу жүйелерімен қамтамасыз етілген 25–30% KOH ерітіндісі иондық қозғалысты жоғары деңгейде ұстап тұрады және қызмет көрсету мерзімін ұзартып, техникалық қызмет көрсетудің жиілігін төмендетеді.

Бірге алғанда, бұл компоненттер көп мегаватты AWE орнатулары үшін капитал салымдарын 2018 жылы 1200 доллар/кВт болғаннан 800 доллар/кВт деңгейіне дейін төмендетті (Results in Engineering, 2024).

Үздіксіз өнеркәсіптік жұмыс істеуге арналған жүйенің берік конструкциясы

Тәулігіне бойы үздіксіз жұмыс істеу үшін жасалған сілтілі электролизаторлар коррозияға төзімді болаттан жасалған рамалармен және электролит ерітіндісін автоматты түрде басқаратын жүйелермен жабдықталған. Олардың модульдік қабаттасқан конструкциясы операцияларды гигаваттық деңгейге дейін кеңейту мүмкіндігін береді, оны Австралиядағы Азиялық Жаңартылатын Энергетикалық Хаб проектінде байқауға болады. Бұл машиналар сондай-ақ резервтік газ бөлгіштер мен интеграцияланған температураны реттеу жүйелерін қамтиды, бұл ұстап тұру кезеңдері кезінде тіпті шамамен 95 пайыз жұмыс істеу уақытын сақтауға көмектеседі. Осы электролизаторлардың соңғы нұсқалары толық тоқтатудан кейін жарты сағат шамасында қайтадан жұмыс істей алады, бұл оларды әлем бойынша үлкен жасыл сутек өндіру құрылғыларын дамытудың барынша маңызды элементтеріне айналдырады.

PEM-ге қарағанда сілтілі электролизаторлардың артықшылықтары: Тәжірибе, Құны және Масштабталуы

Дәлелденген Тәжірибе: AWE технологиясымен ондаған жылдар бойы жұмыс тәжірибесі

Өнеркәсіптік сутегін өндіру үшін сілтілі электролизді пайдалану 1920 жылдарына шақталады, ал 2024 жылға дейін дүниежүзінде 500-ден астам ірі орнатым бар, олардың көбісі 10 мегаваттан астам қуатқа ие. Жүйе өзінің мықты құрылысы арқасында жақсы жұмыс істейді және никель катализаторларына үлкен тәуелді болады, сондықтан көптеген өнеркәсіптер тыңайтқыштар жасау немесе майларды тазарту кезінде әлі де осы нұсқаны таңдайды. Керісінше, протондық алмасу мембраналық технология әлі үлкен масштабта өзін көрсеткен жоқ. Өткен жылғы соңғы өнеркәсіп саласының хабарламаларына сәйкес, біз әлі көрген ең үлкен PEM зауыты шамамен 20 мегаватқа жетеді.

Сирек металдарға тәуелділіктің болмауымен төменгі капиталдық құны және коммерциялық масштабталуы

Сілтілік сулы электролиз (AWE) жүйелерінің бастапқы құны киловаттына €242-ден €388-ге дейінгі аралықта болады, бұл PEM жүйелердің киловаттына €384-тен 1000 евроға дейінгі құнынан едәуір төмен. Бұл баға айырмашылығы негізінен екі факторға байланысты: AWE қымбат металдардың орнына қымбат емес металдардан жасалған катализаторларды пайдаланады, сонымен қатар мұндай жүйелерді ондаған жылдар бойы шығару арқылы өндіру процесі қатарға түсіп, ыңғайлы болып қалды. Қытай нарығы да бағаларды төмендетуде үлкен рөл атқарды. Кейбір қытайлық зауыттар 10 мегаваттық қондырғыларды киловаттына шамамен 303 АҚШ долларына шығара алады, бұл оларды Еуропа немесе Солтүстік Америкадан шығатын ұқсас жабдықтармен салыстырғанда шамамен төрт есе арзан етеді. AWE платина тобындағы металдарға тәуелді болмауы арқылы басқа технологияларды қиындататын жеткізу тізбегінің проблемаларынан құтылады. Бұл материалдардың жетіспеушілігі себебінен тоқтап қалмай, өндіруді гигават деңгейіне дейін көтеруге мүмкіндік береді.

Қатаң Өнеркәсіптік Орталарда Ұзақ Қызмет Ету Мерзімі мен Жоғары Төзімділік

Көптеген өнеркәсіптік AWE жүйелері аммиак өндіру қондырғылары сияқты қиын жағдайларда да 12-ден 15 жылға дейін жұмыс істеуге бейім. Бұл ұзақ мерзімділік циркониймен күшейтілген диафрагмалар, электролитті басқару үшін автоматтандырылған жүйелер және электродтар блогын сервислендіруге дейін 30 000 сағатқа дейінгі ұзақ қызмет көрсету циклдары сияқты бірнеше факторларға байланысты. Нақты өмірдегі жұмыс нәтижесіне назар аударсақ, 28 мегаватт қуаты бар Бельгияның хлорлы-сілтілік зауыты тізбектей сегіз жыл бойы тоқтамай жұмыс істеген кезде елеулі 78 пайыздық тиімділік деңгейін сақтап отырды. Бұл PEM жүйелері уақыт өте келе осындай операциялық қиындықтарға тап болған кезде мамандар болжағаннан тіпті де жақсы көрсеткіш.

Сілтілік Электролизерлерді Кеңейту Кезіндегі Негізгі Қиындықтар

Жаңартылатын Энергияның Ауытқулары Кезіндегі Шектеулі Операциялық Икемділік

Сілтілік суы бар электролиз жүйелері тұрақты электрмен жабдықталған кезде ең жақсы жұмыс істейді, ол күн сәулесі немесе жел генераторларынан келетін кенеттен өзгерістерге бейім болмауына әкеледі. Осы шектеулерге байланысты операторлар сутегі өндіруді тұрақтандыру үшін жиі қосымша сақтау шешімдеріне немесе әртүрлі технологияларды пайдалануға мәжбүр болады. 2023 жылғы RMI-ның зерттеуі қызықты нәрсе көрсетті. Егер қондырғылар тек 25% қайталанатын энергиямен жұмыс істесе, олар жылына 100 мың тонна сутегі алу үшін шамамен 2,5 гигаваттық электролизерлерге ие болуы керек. Бұл 85% жасыл энергия пайдаланса, қажетті жабдықтардан шамамен 70% артық. Мұндай тиімсіздіктер нақты жинақталады. Масштабтауға бағытталған үлкен жобалар үшін қосымша инфрақұрылым өнеркәсіптік бағалар бойынша шығындарды $1,8 миллиардқа дейін арттыруы мүмкін.

Жоғары қысымды жүйелердегі газдың араласуы және қауіпсіздік қаупі

Дәстүрлі сүзгіш диафрагмалар 3–5% газ араласуы 30 бардан жоғары қысымда сутегі-оттегінің араласуынан жарылыс қаупі туындайды. Оның алдын алу үшін операторлар газды қайта біріктіру қондырғылары мен қысымды реттеу механизмдері сияқты қауіпсіздікке критикалық маңызы бар жүйелерді орнатуы керек, бұл күрделілікті және құнын арттырады.

Қышқыл электролитпен жұмыс істеудің талаптары

Калий гидроксидін қолдану үнемі техникалық қызмет көрсетуге қиындықтар туғызады:

Бұл талаптар жұмыс көтеріп жүргізу қиындықтарын және циклдық құнын арттырады, әсіресе алыста орналасқан немесе теңізде орнатылған жүйелерде.

Төменгі жүктемедегі ПӘК-тің төмендеуі

40% қуаттан төмен жұмыс істегенде AWE жүйелері мынадай қиындықтарға тап болады электролиттің сұйылтуындағы омдық шығындар, көбік пайда болуының әлеуетінің артуы және жылу реттеудің тиімсіздігі салдарынан сутегі өндірудің құны 22% жоғары осы факторлар жел арқылы сутегі алу жобаларының желі тұрақтылығы зерттеулерінде атап көрсетілгендей, үзілісті жаңартылатын энергия көздерімен интеграциялануын қиындатады.

Жасанды сутегі үшін жаңартылатын энергиямен сілтілі электролизаторларды интеграциялау

AWE жүйелерін күн және жел энергиясының берілу үлгілерімен сәйкестендіру

AWE жүйесі тұрақты жағдайларда өте жақсы жұмыс істейді, бірақ оны жаңартылатын энергия көздерімен үйлестіру бүкіл жүйенің тиімділігін арттырады. Гандия мен 2007 жылғы әріптестерінің зерттеулеріне сәйкес, ең тиімді нәтижелер шамасынан кем дегенде 60% жұмыс істейтін күн сәулесі электр станцияларымен немесе әр сағат сайын шығыс көрсеткіші 20% аспайтын жел қондырғыларымен жұптастырылған жүйелерден шығады. Керісінше, әр минут сайын квадрат метрге 500 ватттан жылдам өзгеретін күн сәулесінің интенсивтілігінің сәтті өсуі тиімділікті 15-20 пайызға дейін төмендетуі мүмкін. Сондықтан да осындай орнатулар үшін интеграцияны дұрыс жүргізу өте маңызды.

Үзілістілік кезінде тиімділікті арттыру үшін көп режимді қуат стратегиялары

Айнымалы қуат көздерімен үйлесімділікті жақсарту үшін операторлар үш негізгі тәсіл қолданады:

1. Динамикалық жүктеме басқару : Нақты уақыт режиміндегі жаңартылатын энергия шығысына байланысты ток тығыздығын 0,3–0,5 А/см² аралығында реттеу
2. Аккумуляторлық буферлеу : Қуат шыңдарын тегістеу үшін қысқа мерзімді (⌘15-минуттық) энергия сақтауды қолдану
3. Гибридті жаңартылатын жұптастыру : Күндік жабдықтандыруды теңгеру үшін жел (40–60% өндірістілік коэффициенті) және күн энергиясын (20–25%) үйлестіру

2023 жылғы жергілікті сынақтар бұл әдістердің жалғыз көзге қарағанда тиімділік шығынын 35% азайтатынын көрсетті.

Сілтілі электролизді қолданатын нақты желден сутегіге дейінгі жобалар

Даниядағы Energy Island жобасы AWE технологиясының өзінің табиғи жел жағдайларында да 24 МВт жүйелері стактың 74% дейінгі ПӘК-іне жеткенін көрсетеді. 2024 жылы Еуропадағы 12 әртүрлі орнатымдарды қарастырсақ, басқа да нәтижелер айқындалады. Сілтілі электролизаторлар жартылай немесе толық қуатпен жұмыс істеген кезде де 68-72% аралығында сенімді өнімділік көрсетті. Бұл барлық жағдайда тек жел энергиясымен қамтамасыз етілді. Осы кезде PEM жүйелері ұқсас жағдайларда 63-67% аралығында болатын, сондықтан олардан айтарлықтай озып тұр. Демек, бұл сандар AWE технологиясының қайта қалпына келетін энергиядан үлкен масштабты сутегі өндіру үшін қарастырылуға лайық екенін көрсетеді.

Сілтілі электролизатор технологиясының өнеркәсіптік қолданылуы мен глобалдық таратылуы

Мұнай өңдеу, аммиак және гигаваттық жасыл сутегі жобаларындағы үлкен масштабты қолданыс

Қазір сілтілі электролизаторлар мұнай өңдеу және аммиак өндіру саласындағы жаңа сутегі орнатқыштарының 65% үлесін құрайды және 74–82% жүйе тиімділігімен 1–5 МВт масштабында тиімді жұмыс істейді (UnivDatos Market Insights 2024). 40 гигаваттан астам көк сутегі жобалары қазір даму үстінде – негізінен ЕО, Қытай және Австралияда – бұл жобалар AWE технологиясына сүйеніп, теңізден тыс жел және шөлдегі күн энергиясын көлемді сутегіге айналдырады. Мұнай өңдеуде олар табиғи газ сұранысының 28% ауыстырады, ал аммиак синтезінде булы метан риформингіне қарағанда энергия қажеттілігін 12% төмендетеді.

Коммерциялық масштабтау мен инфрақұрылым дайындығын растайтын демонстрациялық қондырғылар

Мульти мегаваттық көрсетілімдік қондырғылар аммиак пен болат өндіру саласында 90% жұмыс істеу уақытын қамтамасыз етті, бұл барлық инфрақұрылыммен үйлесімді жұмыс істеуін растайды. Норвегияда 2021 жылдан бастап жұмыс істеп келе жатқан тәжірибелік қондырғы жарты жылда бір рет техникалық қызмет көрсетумен 1,2 кг/сағ/м² сутегі шығарады. Салалық консорциумдар сілтілік жүйелер мен CO² құбырлары немесе тұзды қойма қазандықтары арасындағы интерфейстерді стандарттауда, бұл 2023 жылғы Global Hydrogen Council есебінде анықталған инфрақұрылымның 34% кемшілігін шешуге бағытталған.

Тренд: Дүниежүзінде қайталанбайтын энергия орталықтарында орнатулардың өсуі

Бес негізгі қайта қалпына келтірілетін энергия орталықтары – Солтүстік Африканың күн сәулесі коридорлары мен Австралияның жағалаулық жел белдеулерін қосқанда – 2030 жылға дейін 38 ГВт сілтілі электролизер қуатын жоспарлауда. Бұл топтар AWE-ның 40–110% жүктеме икемділігінде жұмыс істеу қабілетін пайдаланады және теңіз суы шикізатымен үйлесімділігі арқасында ішкі аймақтардағы нұсқалармен салыстырғанда тұзды судың тазартылуын 60% азайтады. Осы аймақтардағы жаңа электролизерлерді өндіру объектілерінің 70%-ден астамы сілтілі технологияны минералдарға тәуелділігінің төмендігі және жергілікті жеткізу тізбегімен сәйкестігі себебінен басымдық ретінде қарастырады.

ЖИҚ: Сілтілі электролизерлер және жасыл сутегі өндіру

Сілтілі су электролизі мен PEM электролизі арасындағы айырмашылық неде?

Сілтілік суын электролизі (AWE) катализаторлар үшін арзан бағалы емес металдарды қолданады және өзінің тиімділігі мен сенімділігіне байланысты үлкен көлемді өнеркәсіптік пайдалануға лайық. Басқа жағынан, PEM электролизі платина тобына жататын металдарды қолданады, бұл оның құнын арттырады және қазіргі уақытта үлкен масштабта дәлелденуі төмен.

Қазіргі заманғы сілтілік электролизаторлар қаншалықты тиімді?

Қазіргі заманғы сілтілік электролизаторлар 70-80 пайызға дейінгі тиімділікке ие, бұл үздіксіз өнеркәсіптік жұмыс үшін сенімді таңдау болып табылады.

Сілтілік су электролизі жүйелерін орнатудың бастапқы құны қандай?

AWE жүйелерінің бастапқы құны киловаттына €242-ден €388-ге дейінгі аралықта болады, бұл PEM жүйелерімен салыстырғанда едәуір төмен.

Неге сілтілік электролизаторлар сутегінің үлкен көлемді өндіру жобаларында үстемдік береді?

AWE жүйелері гигаваттық деңгейге дейінгі жұмыс істеу мүмкіндігімен, жеткізу тізбегіне байланысты төменгі қауіптермен және бағалы металдардың қажеттілігінсіз масштабталуымен дәлелденген жетістіктерге ие.