AEM артықшылығы: негізгі тиімділікті құрбан етпей, капиталдық құнын төмендету

AEM электролизаторлар сутегін экономдық түрде өндіру саласында ойын өзгертіп жатыр, олардың капиталдық шығындарын PEM жүйелерге қарағанда шамамаған 40% төмендетіп, әлі де 60-70% аралығындағы ұқсас сәйкес қимылдылық деңгейін сақтайды. Сезімді жері қымбат материалдарды ауыстыруда. Қымбат платина тобының катализаторларының орнына, өндірушілер қазір никель немесе кобальт негізіндегі альтернативаларды пайдаланады. Олар электродтағы асыл металдарды да ауыстырады, бұл жинақтың әр кВт-тағы шығынын $150-ден $300-ге дейін төмендетеді. Шынымен қызықтысы, бұл ешқашан жұмыс істеу сапасына зиян келтірмейді. Жақсырақ мембраналық өткізгіштік пен жақсартылған электродтың дизайны, көбінесе арзан жүйелерде қимылдылықты төмендететін қиын кедергілерді азайтуға көмектеседі. Өнеркәсіпте масштабта үлкейтілгенде, AEM жүйелері энергия тұтынуды әр текше метрге 4,8 кВтсағ-тан аспайтындай етіп сақтайды, бұл жоғарғы санаттағы технологиямен тиісті. Титан бөлшектерді алып тастап, өндірістің талаптарын қарапса, орнатуды одан әрі арзан етеді, сондықтан AEM жүйелері бастапқы шығындар жобаның сәттілігін анықтайтын кішігірім сутегі қондырғылары үшін өте жақсы жұмыс істейтінін түсіндіреді. Ақылды материалдарды таңдау AEM-ге қимылдылық пен шығынды бөліп, бізді бүгінгі гана пайдаланып жатқан көмірсутектермен соңында бәсекеге түсуге мүмкіндік беретін сиқырлы әр кг сутегіне $2-ға жеткілікті жақындатады.

AEM Бәсекеге Лайықтылық Конверциясын Жеделдету Үшін Материалдық Инновациялар

Бағалы емес металл катализаторлар және арзан теріс иондық алмастырғыш мембраналар

Никель-темір катализаторлар платина тобындағы металдардың орнын басып, қойылма құнын 40%-ден астам төмендетеді, сонымен қатар токтың тығыздығын 1,5 А/см²-ден жоғары ұстайды — бұл көрсеткіш басқа ғалымдармен тексерілген зерттеулерде (Journal of The Electrochemical Society, 2023) расталды. Жерде кең таралған осы альтернативалар мынаны ұсынады:

• ерте ұрпақ катализаторларға қарағанда 30% жылдамырақ реакциялық кинетика
• Өнеркәсіптік жағдайда 10 000 сағат жұмыс істеу тұрақтылығы дәлелденді
• PH-тің кең төзімділігі, қымбат титаннан жасалған биполярлық пластиналардың қажеттілігін жояды

Осы уақытта, көмірсутек негізіндегі теріс иондық алмастырғыш мембраналар 80°C-та гидроксид өткізгіштігінің 120 мС/см-ден асатынын қамтамасыз етеді — бұл фтордан жасалған үлгілермен сәйкес келеді, бірақ құны шамамаған бестен бір бөлігін құрайды. Иондық тасымалдау бойынша осы секіріс тікелей омдық жоғалтуларды төмендетеді және жүйенің жалпы тиімділігін арттырады.

Жоғары AEM тиімділігін сақтау үшін омдық және кинетикалық жоғалтуларды азайту

Жүйенің >75% сыйымдылығын ұстау тек арзан материалдармен емес, кернеу шығынын басу үшін дәлме-дәл инженериялық шешімдерді қажет етеді. Градустылық қуыстылыққа ие оптимизацияланған электродтық құрылымдар қолданыстағы құрылымдарға қарағанда омдық кедергіні 25% төмендетеді. Негізгі шығындарды азайту стратегиялары мыналар:

Ұлттық жаңартылатын энергия зертханасының жүргізген зерттеулері бірнеше әдістерді біріктіргенде олар квадрат сантиметрге 2 А асатын ток тығыздығымен жұмыс істеген кезде де максималды пайдалы әсер коэффициентін сақтайтынын көрсетеді. Бұл фабрикалар уақыт бірлігінде сол уақытта сутегіні көбірек өндіре алады және әр килограмм өндірудің құнын толық масштабты өндірісте үш доллардан төменгі деңгейге дейін төмендету мүмкіндігін береді. Ерекше ерекшелігі – берік, бірақ арзан материалдарды нақты электрхимиялық әдістермен үйлестіру анион алмасу мембранасы (AEM) технологиясын таза сутегі өндірісін кеңейтуге ыңғайлы орынға қояды. Көптеген сарапшылар бұл тәсіл келешекте экономикалық тұрғыдан тиімді болатын көміртегісіз сутегіні үлкен мөлшерде өндірудің ең жақсы мүмкіндіктерінің бірін ұсынады деп санайды.

Жұмыс істеуді оптимизациялау: AEM жүйелерін шынайы әлемдегі құндық тиімділік мақсаттарына лайықтап баптау

AEM жұмыс істеу режиміндегі кернеу, температура және берілетін концентрацияның өзара қатынасы

Практикада AEM жүйелері үш негізгі фактор арасында теңдестік орнатуға мүмкіндік береді: ұяшық кернеу деңгейлері, жұмыс температуралары және электролит ерітіндісінің концентрациясы. Біз кернеуді көтерген кезде, сөзсіз, бізге сутегі өндіру көбейеді, бірақ бұл белгілі бір шығындармен жүреді. Энергияны пайдалану 15-30 пайызға дейін өседі, яғни қондырғы операторлары үшін жұмыс шығындары жоғарылайды. Соңғы жылы Journal of Power Sources журналында жарияланған зерттеулерге сәйкес, 60 градус Цельсийден жоғары жұмыс температуралары иондардың жақсырақ қозғалуына және реакциялардың жылдамдануына әлдеқайда көмектеседі және бізге шамамен 12% тиімділік өсімін береді. Дегенмен, осы жоғары температураны сақтау коррозияға төзімді ерекше материалдарды талап етеді, бұл капиталдық үнемдеуге теріс әсер етеді. Калий гидроксидінің концентрациясы да маңызды. Күшті ерітінділер электр тогын жақсырақ өткізеді, бірақ мембраналарды тез износилайды. Керісінше, әлсіз ерітінділер материалдарға аз қысым түсіреді, бірақ энергияның үлкен жоғалтуына әкеледі. Тиімді инженерлер электр бағалары, желі қажеттіліктері мен жабдықты техникалық қызмет көрсету уақыттарына байланысты үнемі жұмыс режимдерін реттейтін басқару жүйелері арқылы осындай компромисстермен күреседі. Бұл реттеулер жалпы тиімділікті 60-75 пайыз аралығында сақтап, 2022 жылы Electrochemistry Communications журналында атап айтылғандай, барлық параметрлерді тұрақты баптауларда жұмыс істеткен кезде қондырғыларда болатын 20% тиімділік жоғалтуын болдырмақшы болады. Нәтижеде, оптималды нүктені табу — бір факторды шеткі шамаға дейін ұмтылдыру емес, химиялық өнімділік, жабдық қызмет ету мерзімі, жергілікті энергия бағалары мен жүйенің алмастыруға дейінгі жалпы қызмет ету мерзімі арасында гармония жасау болып табылады.

Жүйе деңгейіндегі экономика: AEM өнімділігі үшін $/кг H₂ неге шынымен стандарт болып табылатыны

Сутегінің деңгейлендірілген құны (СҚҚ) сутегінің килограмына шаққандағы доллармен өлшенетін көрсеткіш болып табылады және AEM электролизаторлардың экономикалық мағынасы бар ма деп бағалау кезінде негізгі көрсеткіш болып табылады. Бұл көрсеткіш алғашқы инвестициялық құндар, энергия тұтыну мөлшері, жұмыс істеу сапасы, жөндеу талаптары және күтілген қызмет ету мерзімі сияқты барлық маңызды факторларды бір жай санға біріктіреді, бұл бизнес-шаруашылық шараларды қабылдауға көмектеседі. Жинақтың сапасы немесе капиталдық шығындар сияқты жеке көрсеткіштерді ғана қарастыру толық ақпаратты бермейді. Шындыққа орай электр энергиясы электролизатордың кез келген түріне қарамастан сутегінің жалпы өндіріс құнының 60 пайыздан астамын құрайды. Нақты AEM технологиясына келетін болса, қазіргі болжамдар әліп 1500 доллар/кВт-тан төменгі капиталдық шығындарды көрсетеді, бұл әліп 2147 доллар/кВт шамасындағы PEM жүйелерінен және әліп 3000 доллар/кВт шамасындағы SOEC-тың нұсқаларынан әлдеқайда алда тұр, бұл мәлімет 2023 жылғы АҚШ Энергетикалық Департаментінің Сутегі бағдарламасының деректеріне сәйкес. СҚҚ-ның әліп 2,5-тен 5 доллар/кг-ға дейінгі аралықта болуы AEM-дің банктің қаражатын бүлінбей жылдам жұмыс істейтін нәрсені істеп шығару маңызды кіші масштабтағы қолданулар үшін ерекше тартымды болып табылады. Зертханалық сынақтар AEM жүйелерінің 50%-дан 65%-ға дейінгі аралықта сапалылыққа жететінін, жинақтың қызмет ету мерзімі 2000-дан 8000 сағатқа дейін болатынын көрсетеді. Бұл сандар PEM технологиясымен қазір жеткен нәтижелерден артта тұр, бірақ алғашқы инвестициялық құндардың әлдеқайда төмен болуы осы орын айырмашылықтарын жабуға көмектеседі. Шынын айтқанда, сутегінің килограмына шаққандағы доллармен құнды бақылау зерттеу бағыттарын басқаруға, қаржыландыру шараларына әсер етуге және жасыл сутегіні дәстүрлі көмірсутекті отындар негізінде өндірілетін сутегі өндіріс әдістеріне қарсы бәсекеге түсуге бағытталған үкімет саясатын қалыптастыруға ықпал етеді.

ЖИҚ (Жиі қойылатын сұрақтар)

AEM электролизаторлар дегеніміз не?

AEM электролизаторлар сутегін аниондық-алмасу мембранасы технологиясын қолдана отырып өндіру үшін пайдаланылатын құрылғылар, бұл тиімділікті төмендетпей, басым шығындардың төмен болуын қамтамасыз етеді.

AEM жүйелері PEM жүйелерімен салыстырғанда қалай шығындарды төмендетеді?

AEM жүйелері платина тобының қымбат катализаторларын никель немесе кобальтпен ауыстырып, электродтардағы сирек металдарды жойып, стек шығындарын едәуір төмендетеді.

Сутегінің бірлік өндіріс құны (LCOH) дегеніміз не?

Сутегінің бірлік өндіріс құны сутегі өндіру технологияларының экономикалық тиімділігін бағалау үшін инвестициялық шығындар, энергия тұтыну, жұмыс тиімділігі және қызмет ету мерзімі сияқты факторларды H2 килограмына шаққандағы доллармен өлшенетін көрсеткіш.