Kaip AEM elektrolizatoriai leidžia decentralizuotą vandenilio gamybą

Perėjimas prie decentralizuotos vandenilio infrastruktūros

Stebime didelį pokytį, vykstantį energijos gamyboje ir naudojime visame pasaulyje. Tradicinės iškastinio kuro sistemos pamažu keičiamos modulinėmis vandenilio tinklų sistemomis. Kodėl? Todėl, kad atsinaujinančios energijos saugojimas vietiniu lygiu pastaraisiais metais tapo daug pigesnis. Pagal 2023 m. „Hydrogen Council“ tyrimus, šie saugojimo kaštai nuo 2020 m. sumažėjo beveik 60 %. Dėl to AEM elektrolizatoriai tampa labai svarbūs šiam perėjimui. Šie įrenginiai leidžia bendruomenėms gaminti vandenilį būtent ten, kur jis reikalingas – ar tai maža saulės elektrinė, gaminanti apie 500 kW galios, ar didesnės sistemos, pasiekiančios iki 20 MW pramonei. Geriausia yra tai, kad transportuojant vandenilį nereikia brangių dujotiekio linijų. Be to, jie puikiai veikia su kintamais atsinaujinančios energijos šaltiniais, tokiais kaip vėjas ir saulė, todėl juos labai vertina vietos, kuriose elektros tinklai nestabilūs. Galvokite apie tuos mažyčius elektrines nuošaliuose subsaharinės Afrikos regionuose, kur standartiniai tinklo ryšiai tiesiog neįmanomi.

Pagrindinis principas: Anijonų keitimo membranos (AEM) vandens elektrolizė

Anijonų keitimo membranos (AEM) sistemos veikia, skaldydamos vandens molekules į vandenilį ir deguonį, naudodamos specialias hidroksidą laidžias membranas kartu su katalizatoriais, tokiomis kaip nikelio ir geležies lydiniai. Jos skiriasi nuo tradicinių protonų keitimo membranų (PEM) elektrolizės sistemų, kurios reikalauja brangių platinae grupės metalų. Pagal 2024 metų Medžiagų inovacijų ataskaitos naujausius radinius, AEM technologija pasiekia apie 75 procentų efektyvumą veikdama esant apie 2 amperus vienam kvadratiniam centimetrui srovės tankiui. Tai, kas jas išskiria, yra tai, kad jos sumažina katalizatorių išlaidas maždaug devyniasdešimt procentų, palyginti su alternatyvomis. Kadangi jos užtikrina gerą našumą nebrangiai, daugelis ekspertų mano, kad šios sistemos tinka mažesnio masto ar decentralizuotoms energijos gamybos sistemoms, kuriose kaina išlieka pagrindinis rūpestis.

Praktinis taikymas: AEM kaimo atsinaujinančios energijos mikrotinkluose

2023 m. tyrėjai stebėjo, kaip AEM elektrolizatoriai užtikrino 5 megavatų saulės mikrotinklo sklandų veikimą visame Indonezijos archipelagu. Šios sistemos kiekvieną mėnesį pagamindavo apie 12 tonų vandenilio, kurį vietiniai ūkininkai naudojo tiek trąšoms gaminti, tiek kaip avarinę energiją debesuotomis dienomis. Net tada, kai šviesos intensyvumas per dieną kito 40 %, tokia sistema vis dar išlaikė 68 % efektyvumą. Tai iš tiesų įspūdinga, palyginti su senesniais rūgštiniais modeliais, kurie atsiliko maždaug 22 %, kai reikėdavo prisitaikyti prie kintančių energijos poreikių. Šiuo metu keli pirmaujantys gamintojai pradeda platinti kompaktiškus AEM vienetus, sumontuotus konteineriuose. Juos galima lengvai prijungti prie esamų vėjo jėgainių ar saulės elektrinių, nereikalaujant brangios naujos infrastruktūros, todėl žaliasis vandenilis tampa prieinamesnis bendruomenėms visame pasaulyje.

Strateginis suderinimas su vietiniais energetinės atsparumo tikslais

Kalbant apie vandenilio gamybą, AEM technologija tikrai padeda šalims stiprinti savo energetinį saugumą, ypač tokias iniciatyvas kaip ES REPowerEU planas, kurio tikslas – iki 2030 m. kasmet pagaminti apie 20 milijonų tonų žaliojo vandenilio. Vietinė gamyba sumažina priklausomybę nuo užsienio kuro importo, kas šiuolaikinėje situacijoje tampa itin svarbu. Be to, taip pat vyksta ir tai, ką vadiname apskritiminėmis ekonomikomis. Pavyzdžiui, Norvegijoje perteklinis vandenilis naudojamas greitosios medicinos pagalbos automobiliams varomajai jėgai. Tuo tarpu Vokietijoje perteklinis vandenilis padeda išvalyti plieno kalnakasybos įmones. Tai, kas daro šį požiūrį tokį protingu, yra jo gebėjimas prisitaikyti prie skirtingų regionų poreikių, visiškai nereikia laukti tų sudėtingų retųjų žemių mineralų, dėl kurių pastaruoju metu visi tarpusavyje konkuruoja.

Technologiniai pasiekimai ir AEM elektrolizatorių našumas

Nebrašlių metalų katalizatoriai: inovacijų skatinimas AEM sistemose

Rungių šarmais veikiančios membranos (AEM) elektrolizatoriai pašalina priklausomybę nuo brangių platino grupės metalų, pereinant prie katalizatorių, pagamintų iš nikelio ir geležies. Pagal 2023 m. „Arab Journal of Chemistry“ paskelbtus naujausius tyrimus, šie nauji medžiagų tipai naudojant srovės tankį veikia ne prasčiau nei senosios PEM sistemos, tačiau medžiagų sąnaudas sumažina nuo trisdešimties iki penkiasdešimties procentų. Šis pasiekimas ypač svarbus, nes jis puikiai atitinka globalią tendenciją dėl žaliojo vandenilio gamybos, kuri tampa vis labiau prieinama. Gamytojai pradeda naudoti šias technologijas, nes medžiagų mokslų apžvalgose jau pateikiami aiškūs mastelio didinimo būdai.

Efektyvumas ir mastelio keičiamumas: AEM lyginimas su kitais elektrolizatorių tipais

Rungtinių apykaitos membranų (AEM) elektrolizatoriai paprastai veikia apie 70–75 procentų efektyvumu esant žemesnėms temperatūroms, kas pranašesnis už standartines rūgštines sistemas, kurių efektyvumas svyruoja tarp 60 ir 65 procentų. Jie taip pat gali konkuruoti su protonų apykaitos membranos (PEM) technologija nereikdamami brangių iridžio katalizatorių, kurie padidina išlaidas. Šiems įrenginiams tikrai svarbiausias bruožas yra modulinė konfigūracija, leidžianti operatoriams keisti pajėgumus nuo vos 1 kilovato iki kelių megavatų. Toks lankstumas reiškia, kad jie puikiai tinka tiek mažoms vietinėms energijos sistemoms, tiek didelėms pramoninėms amoniako gamybos įmonėms. Pagal naujausius rinkos vertinimus, AEM technologijos vandenilio lygintosios sąnaudos iš tiesų nukrenta žemiau trijų dolerių už kilogramą, kai atsinaujinančios energijos elektra kainuoja mažiau nei dvidešimt dolerių už megavatvalandę.

Ištvermė prieš kainą: pagrindiniai iššūkiai kuriant AEM membranas

Naujausi membranų chemijos patobulinimai, remiantis 2023 m. paskelbtais Arabų chemijos žurnale tyrimais, padidino AEM tarnavimo laiką gerokai virš 30 000 valandų. Tačiau šių membranų ilgaamžiškumas, neperkant brangiai, vis dar kelia didžiulį iššūkį gamintojams. Naujausios kartos anijonus laidžios polimerinės medžiagos iš tikrųjų rodo apie 40 procentų geresnį joninį laidumą lyginant su ankstesniais variantais, tačiau joms reikalingi itin atsargūs gamybos procesai, kad būtų išvengta elektrolitų užterštumo problemų. Mokslininkai šiuo metu ieško būdų sumažinti membranų degradaciją net iki 80 procentų naudojant specialius nanostruktūrizuotus stiprinimo sluoksnius. Jų tikslas – pasiekti, kad komercinė kaina vienam kvadratiniam metrui būtų mažesnė nei penkiasdešimt dolerių, kas padarytų šias membranas kur kas prieinamesnes masinei plėtrai.

Ekonominis potencialas: Pigus vandenilio gavybos būdas naudojant AEM elektrolizatorius

Medžiagų inovacijos, sumažinančios elektrolizatorių sistemų kainą

AEM elektrolizatorių kainos pranašumas kyla daugiausia dėl pažangos jų katalizatoriuose ir membranose. Kai gamintojai brangias platino grupės metalų kainas keičia pigesniais nikelio ir geležies analogais, katalizatorių išlaidos sumažėja apie 60 procentų lyginant su PEM sistemomis, kaip pateikta ScienceDirect duomenimis praėjusiais metais. 2023 m. žurnale Applied Energy paskelbti tyrimai parodė, kad šios AEM sistemos iš esmės kainuoja apie 30–40 % mažiau pradinėmis sąnaudomis tokiu pačiu gamybos pajėgumu, nes medžiagos yra ne tokios brangios ir reikia mažiau papildomos įrangos. Kai kurie praktiniai bandymai taip pat parodė, kad naujos kartos membranos gali veikti ilgiau nei 8 000 valandų net dirbdamos su nestabiliais atsinaujinančios energijos šaltiniais, kas padeda nuraminti baimę dėl jų ilgaamžiškumo.

Būdai pasiekti ekonomiškai naudingą žaliąjį vandenilį

Keturi strategijai greitina AEM kelią link <$3/už kg vandenilio:

1. Standartiniai moduliniai dizainai leidžia masinę 1–5 MW blokų gamybą
2. Hibridinė atsinaujinančių energijos šaltinių integracija sujungiant saulės/vėjo energijos tiekimą su tinklo energijos išlyginimu
3. Vietovės derinimo skatinimas elektrolizatorių dislokavimas šalia žemos kainos atsinaujinančios energijos centrų
4. Šilumos atgavimas 15–20 % šilumos nuostolių panaudojimas regioniniam šildymui

Realiomis sąlygomis atlikti tyrimai rodo, kad AEM sistemos gali gaminti vandenilį už apie 2,50 JAV dolerio per kilogramą, kai atsinaujinančios energijos elektros energija kainuoja mažiau nei 0,03 JAV dolerio už kilovatvalandę. Tai sudaro apie 45 procentų sumažėjimą lyginant su 2022 m. duomenimis. Žvelgiant į priekį, ekspertai vertina, kad iki šio dešimtmečio pabaigos pasaulinis žaliojo vandenilio poreikis pasieks apie 150 milijonų tonų kasmet. Atsižvelgiant į šiuos skaičius, mažėjančios AEM technologijos sąnaudos leidžia jai išsiskirti kaip sprendimui, kuris galėtų labai išaugti įvairiose vietose, kur šiuo metu reikalingi švarios energijos sprendimai.

AEM elektrolizatorių integracija su atsinaujinančiais energijos šaltiniais

Ekologiško vandenilio gamyba naudojant saulės ir vėjo energijos AEM sistemas

AEM elektrolizeriai naudoja papildomą atsinaujinančią elektros energiją ir paverčia ją vandeniu, kuris padeda saulės ir vėjo jėgainėms kaupti energiją, kai baterijos tiesiog negali ją išjungti. Šie įrenginiai veikia gana gerai net tada, kai jie neveikia iki 30% ir 120% pajėgumo, todėl jie tvarko nepaprastą energijos kiekį daug geriau nei tradicinės sistemos. Kai kurie praėjusių metų bandymai, kuriuose buvo nagrinėjami saulės įrenginiai, parodė, kad saulės spinduliuotės efektyvumas yra apie 68%, kai saulė ateina ir išeina, o PEM sistemos - apie 12 procentinių punktų. Žmonės, valdantieji mažus tinklus atokiose vietovėse, dėl šios lankstumo gali toliau gaminti vandenilių net debesų ar vėjo pertraukos dienomis.

Dinaminis veikimas pertraukiamai atsinaujinančių išteklių maitinimo sistema

Šie elektrolizoriai automatiškai reaguoja į svyravantį energijos kokybę:

• Įtampos reguliavimas (±15 % nuokrypis be efektyvumo praradimo)
• Galios pokyčio greitis – 10 % pajėgumų per sekundę
• 95 % mažinimo santykis žemo galios režimo sąlygoms

Lauko duomenys iš 2023 m. hibridinio vėjo ir AEM projekto parodė 1 200 kasdienių paleidimų ir sustabdymų ciklų be membranos degradacijos – tai didelis pranašumas palyginti su šarmais veikiamomis sistemomis, apribotomis iki 50 ciklų. Ši atsparumo savybė daro AEM technologiją suderinamą su 76 % vidutiniu kintamumo indeksu, stebimu tinkle, kurio energija daugiausiai gaunama iš atsinaujinančių šaltinių.

Tinklo stabilumo ir decentralizuotos vandenilio gamybos poreikių subalansavimas

AEM sistemos atlieka dvigubas funkcijas kaip:

Paskirstytos energijos modelis parodė, kad bendruomenės, naudojančios AEM-elektrolizatorių hibridus, sumažino dyzelinio rezervo poreikį 89 %, išlaikydamos mažesnį nei 15 % atsinaujinančios energijos gamybos ribojimą. Ši dviguba funkcionalumas pastato AEM technologiją kaip pagrindinį elementą pasiekiant tiek energijos saugos, tiek dekarbonizacijos tikslus.

AEM elektrolizatorių technologijos mastelio keičiamumas ir komercinis pasiruošimas

Pilotiniai projektai, patvirtinantys AEM elektrolizatorių našumą ir mastelio keičiamumą

Pilotiniai tyrimai rodo, kad AEM elektrolizatoriai iš tikrųjų gali augti nuo mažų laboratorinių modelių iki didesnių sistemų, beveik neprarandant efektyvumo. Europos mokslininkai tai nagrinėjo dar 2023 metais ir nustatė, kad jų 2 kW AEM sistema pasiekė apie 60 % efektyvumą, nors naudojo pigesnes katalizatorių medžiagas vietoj brangių metalų. Jau kalbama apie šių sistemų mastelio išplėtimą iki 200 kW artimiausiais metais. Kai įmonės bandė šių elektrolizatorių modulinius variantus atokiems regionams, prijungtiems prie mažų energijos tinklų, buvo pasiekti įspūdingi rezultatai. Šios sistemos veikdamos kartu su saulės baterijomis pasiekė beveik 90 % pajėgumą, kas padeda išspręsti vieną didžiausių atsinaujinančios energijos šaltinių problemų – pastovaus energijos gamybos trūkumą visą parą.

Technologijos paruoštumo lygio (TRL) vertinimas ir būsimas planas

Šiuo metu AEM elektrolizatoriai yra apie TRL 6–7 lygmenį, kai kurie pramoniniai prototipai rodo, kad jie gali išbūti apie 8 000 valandų veikdami su kintama atsinaujinančios energijos šaltinių energija. Pramonės dalyviai siekia pasiekti TRL 8–9 lygmenį iki šio dešimtmečio pabaigos, daugiausia stengdamiesi padidinti membranų ilgaamžiškumą – pageidautina, kad jos išlaikytų apie 30 000 eksploatacijos valandų, kol reikės keisti. Į ateitį žvelgiant, plėtros kelyje yra trys pagrindiniai akcentai. Pirma – mažinti katalizatoriaus kiekį, siekiant mažiau nei 1 mg viename kvadratiniame centimetre. Antra – tobulinti blokų konstrukciją, kad ji gerai veiktų skirtingose talpose nuo 1 iki 10 megavatų. Ir galiausiai, gamintojai nori sumažinti augalo balanso sąnaudas maždaug 40 procentų naudodami geresnes visos sistemos šilumos valdymo technologijas.

Dažnai užduodami klausimai

• Kas yra AEM elektrolizatoriai?
  AEM elektrolizatoriai yra įrenginiai, kurie naudoja anijonų mainų membranas, kad iš vandens gamintų vandenilį, siūlydami efektyvų ir mažos kainos sprendimą vandenilio gavybai, palyginti su tradiciniais metodais.
• Kaip AEM elektrolizatoriai palaiko decentralizuotą energijos gamybą?
  Leisdami gaminti vandenilį naudojimo vietoje, AEM elektrolizatoriai pašalina poreikį brangiems dujotiekams ir transporto infrastruktūrai, todėl jie puikiai tinka decentralizuotoms energijos tinklų sistemoms.
• Kokia AEM elektrolizatorių vaidmuo atsinaujinančios energijos sistemose?
  AEM elektrolizatoriai perteklinę atsinaujinančią elektrą konvertuoja į vandenilį, suteikdami patikimą energijos kaupimo galimybę, papildančią saulės ir vėjo energiją, ypač vietovėse, kuriose energijos tiekimas būna pertraukiamas.
• Kodėl nebrangūs metaliniai katalizatoriai yra svarbūs AEM sistemose?
  Jie sumažina elektrolizatorių bendrą kainą, naudodami pigesnes, gausias medžiagas, tokius kaip nikelis ir geležis, vietoj brangių platino grupės metalų, tuo pačiu išlaikydami aukštą efektyvumą.
• Kokie yra ekonominiai AEM elektrolizatorių naudojimo pranašumai?
  Pažangios katalizatorių ir membranų technologijos sumažina pradinius sistemos kaštus ir padidina ilgaamžiškumą, dėl ko pasiekiamos reikšmingos sutaupymo galimybės bei prieiga prie pigios vandenilio gamybos.