Kodėl šarma elektrolizatoriai puikiai veikia su žemo grynumo vandeniu

Šarmingumo tolerancijos mokslas: hidroksido jonų (OH–) vaidmuo

Liturio elektrolizatoriai veikia naudodami hidroksido jonus OH minus savo skystuose elektrolituose, paprastai apie 20–30 procentų kalio ar natrio hidroksido tirpale. Tai sukuria aukšto pH aplinką, kuri padeda neutralizuoti erzinančius rūgštinius teršalus, tokius kaip chloridai ir sulfatai, randamus daugelyje vandens šaltinių. Ši cheminė sudėtis suteikia šiems sistemoms natūralų atsparumą nešvarumams, todėl jiems nereikia tokio labai gryno vandens, kokio reikia PEM sistemoms. O visi žinome, kad PEM sistemoms būdinga katalizatoriaus apsinuodijimo problema dėl įvairių teršalų. Naujausias 2024 m. „Hydrogen Council“ pranešimas iš tikrųjų parodė dar kai ką įdomaus – OH minus jonai padidina joninę laidumą apie 1,7 karto geriau nei normaliomis sąlygomis. Tai reiškia, kad sistema gali sklandžiai veikti net tada, kai tirpių medžiagų koncentracija pasiekia 500 milijonųjų dalių lygį, todėl ji yra gana universalus sprendimas įvairioms eksploatacijos aplinkoms.

Kaip skysti elektrolitai neutralizuoja dažnus nešvarumus

Cirkuliuojantis šarminis elektrolitas veikia kaip dinaminis teršalų buferis:

• Sunkiųjų metalų jonai nusėda kaip neštirpūs hidroksidai, mažindami elektrodų užteršimą
• Laikinosios dalelės yra sulaikomos elektrolito matricoje, o ne užkimšamos kritinės dalys
• Bikarbonatų jonai šarminėmis sąlygomis skyla į CO₂ ir vandenį, neleisdami dujų perėjimo problemų

Bandymai parodė, kad šarminės sistemos išlaiko 92 % efektyvumą naudodamos maitinančią vandenį, kurioje yra 100 ppm silicio, tuo tarpu PEM našumas tose pačiose sąlygose sumažėja 18 %. Ši atsparumas paskatino Global Electrolyzer Consortium rekomenduoti šarminę technologiją drusgno arba žemos kokybės vandens šaltiniams.

Praktinis pavyzdys: vandenilio gamyba naudojant upės vandenį eksperimentiniuose projektuose

2023 m. Pietryčių Azijos eksperimentiniame projekte sėkmingai veikė šarminiai elektrolizatoriai, naudojant neapdorotą upės vandenį (pH 6,8, drumzlinumas 25 NTU), reikalaujant tik pagrindinio nuosėdų nusodinimo. Po 8 000 valandų tęstinio veikimo įtampa nesumažėjo, kas parodė:

• 3,3 % mažesnės lygintos vandenilio kainos sumažėjimas lyginant su PEM sistemomis, kurios priklauso nuo dejonizuoto vandens
• 45 % žemesnis pirminio apdorojimo energijos poreikis
• Galimybė taikyti mastelio didinimui regionuose, kuriuose nėra ultragryno vandens infrastruktūros

Šie rezultatai parodo šarminių sistemų praktinį pranašumą decentralizuotose ar išteklių stokojančiose aplinkose.

Šarminiai ir PEM elektrolizatoriai: palyginti vandens grynumo reikalavimai

Griežti vandens grynumo reikalavimai PEM ir AEM elektrolizatoriams

PEM (protonų apsikeitimo membrana) ir AEM (anijonų apsikeitimo membrana) elektrolizatoriams būtina naudoti deionizuotą vandenį, kurio varža viršija 1 MΩ·cm, siekiant išvengti problemų, tokių kaip membranos užterštumas ir katalizatoriaus gedimas ateityje. Kai šios sistemos susiduria su vandeniu, kuriame yra daugiau nei 50 metalo jonų dalelių milijarde, efektyvumas žymiai sumažėja – kur kas 15–20 % efektyvumo praradimu, kaip neseniai pranešė Hyfindr. Tačiau su šarmais veikiančios sistemos pasako kitaip. Jos gali išlaikyti teršalus 10–100 kartų didesniuose kiekiuose nei PEM, nes jų skystas KOH elektrolitas veikia kaip skydas nuo teršalų. Dėl to jos yra žymiai pakilesnės vandens kokybės reikalavimams.

Efektyvumo kompromisas: ar PEM našumas pateisina grynumo reikalavimus?

PEM elektrolizatoriai veikia geresniu efektyvumu – apie 75–80 procentų, palyginti su šarmais veikiančių įrenginių maždaug 60–70 procentų. Tačiau čia yra viena problema: juos eksploatuoti iš tikrųjų kainuoja žymiai daugiau, nes reikia išlaikyti pakankamai gryną vandenį. Pagal 2025 m. ACS Industries tyrimus, kad būtų pagaminta tik viena kilogramo vandenilio, PEM sistemoms reikia nuo devynių iki dvylikos litrų dejonizuoto vandens. Tai žymiai daugiau nei penkiems aštuoniems litrams, reikalingiems tradicinėms šarminėms technologijoms. Be to, atsižvelgiant į tai, kad PEM technologija labai priklauso nuo brangių platinae grupės katalizatorių, bendrosios išlaidos ilguoju laikotarpiu pasiekia nuo 25 % iki net 40 % daugiau nei šarminių sistemų. Taigi, nors techniškai jos ir efektyvesnės, papildomos išlaidos gerokai sumažina bet kokius galimus finansinius pranašumus.

Pagrindiniai skirtumai teršalų jautrumo ir sistemos ilgaamžiškumo požiūriu

Šarmai elektrolizatoriai gali išlaikyti įvairiausias priemaišas nesugedant, įskaitant tokius elementus kaip chloridai, sulfatai ir net silika, kurie ilgainiui linkę sunaikinti PEM membranas. Rezultatas? Šios sistemos realiomis sąlygomis tarnauja žymiai ilgiau. Kalbame apie eksploatacijos trukmę nuo maždaug 60 tūkstančių iki beveik 90 tūkstančių valandų šarminiams modeliams, kas yra maždaug dvigubai daugiau nei dauguma PEM vienetų pasiekia geriausiu atveju (paprastai nuo 30 tūkst. iki 45 tūkst. valandų). Kitas didelis pranašumas šarminės technologijos atžvilgiu – paprasta bloko konstrukcija. Ši paprastumas reiškia mažesnį remonto sudėtingumą ir žymiai sumažina remonto išlaidas, dažnai jas sumažindamas nuo 35 % iki pusės, palyginti su kitomis šiandien rinkoje esančiomis parinktimis.

Didėjantis diegimas vandens styrančiose ir nuošaliose vietovėse

Tendencijų analizė: Naudojimas vietovėse su ribotomis gryno vandens valymo galimybėmis

Vietose, kuriose nėra švaraus vandens valymo įrenginių arba jų veikimas tiesiog neprotingas, žmonės vis dažniau kreipiasi į alkalines elektrolizes. Šios sistemos gali veikti beveik su bet kokiu vietiniu vandens šaltiniu, būtų tai upės vanduo ar net šiek tiek sūrus vanduo, nereikalingos įvairios sudėtingos preliminariųjų apdorojimo procedūros. Tai daro jas labai naudingomis vandenilio gamybos stotims kurti toli nuo pagrindinių gyvenamųjų zonų. Paimkime pavyzdį iš 2023 metų bandymo atvejo. Jiems pavyko išlaikyti apie 92 % efektyvumą net naudojant neapdorotą upės vandenį, kuriame buvo nemažai plūduriuojančių teršalų ir virš 15 milijonų dalių per milijoną ištirpusių medžiagų. Artimiaisiais metais Azijos ir Ramiojo vandenyno regione ši tendencija pastebimai sustiprėjo. Alkalinės sistemos paprastiems žmonėms suteikia papildomą pasirinkimą vietoj labai brangių karinio tipo vandens filtrų. Ir nepamirškime, kad tokios sistemos sumažina vandens paruošimui reikalingą energijos kiekį apie trečdalį, lyginant su tradiciniais metodais.

Tvarumo nauda: mažinti priklausomybę nuo dejonizuotos vandens infrastruktūros

Alkaliniai elektrolizoriai, toleruodami kalcio (iki 50 mg/l) ir krakmolio (iki 20 mg/l), panaikina atvirkštinės osmozės ar jonų mainų sistemas, kurios sunaudoja 24 kWh/m3 apdorojojo vandens. Tai žymiai sumažina:

• Anglies dioksido išmetimas 18-22 proc. už pagamintą vandenilio kilogramą
• Kapitalo išlaidos vandens valymo infrastruktūrai - 400 000 USD 740 000 USD (Ponemon 2023)
• Gydymo trukmė, kurią sukelia membrano užteršimas valymo įrenginiuose

Šis efektyvumas atitinka JT tvaraus vystymosi 6 tikslą, ypač sausruose regionuose, kur mažiau nei 5% turimo vandens natūraliai atitinka pramoninio grynumo standartus, todėl šarminė elektrolizė yra tvari žaliojo vandenilio plėtra.

DUK

• Kodėl šarminiai elektrolizoriai geresni mažos grynumo vandeniui? Šarmai naudoja hidroksido jonus, kurie sukuria aukšto pH aplinką, neutralizuojančią rūgštinius teršalus. Ši struktūra natūraliai atspari priemaišoms, skirtingai nuo PEM elektrolizatorių, kuriems reikalingas ypatingai grynas vanduo, kad būtų išvengta katalizatoriaus apsinuodijimo ir kitų problemų.
• Kaip šarminiai elektrolizatoriai tvarkosi su priemaišomis? Jų skystas elektrolitas veikia kaip buferis, nusodindamas sunkiuosius metalus kaip neįskiepiamus hidroksidus ir sugaudamas suspenduotas daleles, kad būtų užkirstas kelias užsikimšimui ir elektrodų apkrovimui.
• Kodėl šarminės sistemos yra pageidautinos nuosektinėse ir vandens stygiuje srityse? Jos gali efektyviai veikti naudodamos įvairius vandens šaltinius be išsamios preliminarių apdorojimo procedūrų, būdingų kitoms sistemoms, todėl yra idealios decentralizuotai vandenilio gamybai vietovėse, kuriose ribotas prieiga prie valyto vandens.
• Kokie yra šarminių elektrolizatorių efektyvumo ir sąnaudų aspektai lyginant su PEM? Nors PEM sistemos yra šiek tiek efektyvesnės, tai šarmaus tipo sistemos yra ekonomiškesnės, nes reikalauja mažiau gryno vandens, naudoja pigesnius katalizatorius ir tarnauja ilgiau, todėl sumažinamos bendros eksploatacijos išlaidos.