Kaip alkaliniai elektrolizatoriai leidžia efektyviai pagal kainą gaminti dideliais kiekiais žaliąjį vandenilį

Alkalinės vandens elektrolizės principas ir jos vaidmuo pramoniniame vandenilio gavyboje

Šarmaus vandens elektrolizė, arba trumpai AWE, veikia vandenį skaldydamas į vandenilį ir deguonį per skystą šarmingą tirpalą, dažniausiai kalio hidroksidą (KOH). Pagal 2024 m. „PlugPower“ duomenis, šiuolaikinės sistemos gali pasiekti 70–80 procentų efektyvumą. Ši technologija naudoja nikeliu pagrįstus elektrodus kartu su specialia poringa diafragma, kuri išlaiko dujų atskyrimą, bet vis dar leidžia jonams judėti per ją. Dėl tokios konfigūracijos ji ypač tinkama nuolatiniam pramoniniame sektoriuje naudojimui. Tai, kas išskiria AWE lyginant su PEM elektrolizatoriais, yra tai, kad nereikia brangių platinae grupės metalų, dėl ko medžiagų išlaidos sumažėja apie 30–40 procentų, kaip nurodyta MDPI tyrimuose 2024 m. Atsižvelgiant į skaičius, eksplotacinių srovės tankis paprastai svyruoja nuo 0,4 iki 0,6 amperų vienam kvadratiniam centimetrui. Šios charakteristikos daro AWE patikimą pasirinkimu didelėms įmonėms, tokioms kaip amoniako gamybos įmonės ir naftos perdirbimo gamyklos, kur ilgesnį laikotarpį reikalingas pastovus energijos suvartojimas.

Pagrindiniai komponentai: Elektrodai, diafragmos ir elektrolitas AVE sistemose

• Elektrodos : Nikeliu dengti plieniniai elektrodai užtikrina ilgaamžiškumą ir kainos efektyvumą, išlaikydami našumą daugiau nei 60 000 valandų.
• Membranos : Pažangūs kompozitai, tokie kaip polisulfono pagrindu pagamintos membranos, sumažina dujų pratekėjimą, tuo pačiu didindami joninį laidumą.
• Elektrolitas : 25–30 % KOH tirpalas užtikrina aukštą joninį judrumą, kurį papildo filtravimo sistemos, pratęsiančios tarnavimo laiką ir mažinančios techninės priežiūros dažnumą.

Visi šie komponentai kartu padėjo sumažinti kapitalines išlaidas iki 800 USD/kW daugmegavatiniams AVE įrenginiams, kas yra reikšmingas sumažėjimas lyginant su 1 200 USD/kW 2018 m. (Results in Engineering, 2024).

Sistemos projektavimas ilgaamžiškumui nepertraukiamoje pramonės veikloje

Kuriami veikti neprotingai visą parą, šarmai elektrolizatoriai yra aprūpinti korozijai atsparaus nerūdijančio plieno rėmais bei sistemomis, automatiškai valdančiomis elektrolito tirpalą. Jų modulinė konstrukcija leidžia mastelį išplėsti iki gigavatų pajėgumų, ką jau galime matyti tokiose vietose kaip Australijos Azijos atsinaujinančios energijos centras. Šios mašinos taip pat turi rezervinius dujų separatorius bei integruotas temperatūros valdymo sistemas, kurios kartu padeda išlaikyti apie 95 procentų veikimo laiko net ir techninės priežiūros metu. Naujausios šių elektrolizatorių versijos gali po visiško išjungimo vėl pradėti veikti vos per pusvalandį, todėl jie vis labiau tampa svarbiais statybos elementais kuriama pasaulinėje žaliąją vandenilį gaminančiose įrenginiuose.

Šarminių elektrolizatorių pranašumai prieš PEM: brandumas, kaina ir mastelio keičiamumas

Patvirtinta veikimo patirtis: Dešimtmečiais užsitikrinta AWE technologijos naudojimo praktika

Pramoniniam vandeniliui gaminti šarmais pagrįstą elektrolizę naudojama nuo 1920-ųjų, o 2024 m. visame pasaulyje veikia daugiau nei 500 didelių įrenginių, dauguma jų – su galia virš 10 megavatų. Sistema gerai veikia dėl patvarios konstrukcijos ir labai priklauso nuo nikelio katalizatorių, todėl daugelis pramonės šakų vis dar renkasi šią parinktį, gaminant trąšas ar perdirbdamos naftą. Kita vertus, protonų keitiklio membranos technologija dar nesugebėjo pasirodyti didelėse mastelis. Pagal praėjusiais metais paskelbtus naujausius pramonės ataskaitas, didžiausia iki šiol pastatyta PEM gamykla pasiekia tik apie 20 megavatų galią.

Žemos kapitalo išlaidos ir komercinė mastelio plėtra be retųjų metalų priklausomybės

Šarmaus vandens elektrolizės (AWE) sistemos turi kapitalines išlaidas nuo 242 iki 388 eurų vienam kilovatui, kas yra žymiai mažiau nei PEM sistemų kaina – nuo 384 iki daugiau nei 1 000 eurų už kW. Ši kainų skirtumą lemia du pagrindiniai veiksniai: AWE naudoja nebrangiuosius metalus sudarančius katalizatorius vietoj brangiųjų, be to, šios sistemos gaminamos jau dešimtmečius, todėl gamyba yra gana efektyvi. Kinijos rinka taip pat labai sumažino kainas. Kai kurios kinų gamyklos jau dabar gamina 10 megavatų vienetus už apie 303 JAV dolerius vienam kW, dėl ko jie kainuoja maždaug keturis kartus mažiau nei panašūs įrenginiai iš Europos ar Šiaurės Amerikos. Kadangi AWE nenaudoja platina grupės metalų, ji išvengia visų tiekimo grandinės problemų, kurios kliudo kitoms technologijoms. Tai reiškia, kad galime didinti gamybą iki gigavatų lygio, nesibaiminant medžiagų trūkumo, kuris viską stabdytų.

Ilga tarnavimo trukmė ir didelis ilgaamžiškumas sudėtingose pramonės aplinkose

Dauguma pramoninių AWE sistemų veikia apie 12–15 metų, net ir sunkiose sąlygose, tokiuose objektuose kaip amoniako gamybos įrenginiai. Šią ilgaamžiškumą lemia keletas veiksnių, įskaitant cirkonijumi sustiprintas diafragmas, automatizuotą elektrolito valdymo sistemą bei ilgesnes techninio aptarnavimo tarpus, kai elektrodų blokai gali veikti iki 30 000 valandų be aptarnavimo. Atsižvelgiant į realius rezultatus, Belgijoje esantis chloro ir sodos gamykla, turinti 28 megavatų pajėgumą, aštuonerius metus iš eilės neprotingai veikdama išlaikė įspūdingą 78 procentų efektyvumo lygį. Iš tiesų tai geriau nei prognozavo pramonės ekspertai dėl PEM sistemų, kurios susiduria su panašiomis eksploatacinėmis problemomis laikui bėgant.

Pagrindiniai iššūkiai plečiant šarmaelektrinių elektrolizatorių diegimą

Ribotas operacinis lankstumas atsinaujinančios energijos svyravimų sąlygomis

Lengvosios vandens elektrolizės sistemos veikia geriausiai, kai gauna pastovią energijos tiekimą, dėl ko jos susiduria su sunkumais staigiai kintant saulės baterijų ar vėjo jėgainių energijai. Dėl šio apribojimo operatoriams dažnai reikia papildomų saugojimo sprendimų arba skirtingų technologijų derinimo, kad tik užtikrintų stabilų vandenilio gamybą. Tyrimas, atliktas RMI 2023 m., taip pat parodė įdomų dalyką. Kai elektrinės veikia tik 25 % atsinaujinančios energijos, norint pagaminti 100 tūkstančių tonų per metus vandenilio, reikia apie 2,5 gigavatų elektrolizatorių. Tai iš tiesų apie 70 % daugiau įrangos nei būtų reikalinga, jei ta pati elektrinė galėtų veikti naudojant 85 % žaliosios energijos. Tokios neefektyvumai išties kaupiasi. Dideliems projektams, planuojantiems mastelį didinti, papildoma infrastruktūra gali padidinti išlaidas net iki 1,8 mlrd. JAV dolerių, remiantis pramonės įvertinimais.

Dujų perėjimas ir saugos rizikos aukšto slėgio sistemose

Tradiciniai poringi diafragmos leidžia 3–5 % dujų maišymas virš 30 bar slėgio, dėl vandenilio- deguonies perėjimo kildama sprogimo pavojus. Tam pašalinti operatoriai privalo įrengti saugos kritinės svarbos sistemas, tokias kaip dujų rekombinacijos vienetai ir slėgio nuleidimo mechanizmai, kas padidina sudėtingumą ir kainą.

Purvinančios elektrolito valdymo reikalavimai

Kalio hidroksido naudojimas sukelia nuolatinius techninės priežiūros iššūkius:

Šie reikalavimai didina eksploatacijos naštą ir gyvavimo ciklo sąnaudas, ypač tolimose ar jūros platformose.

Efektyvumo sumažėjimas mažomis apkrovomis

Veikiant žemiau 40 % pajėgumų, AWE sistemos susiduria su 22 % didesnėmis vandenilio gamybos sąnaudomis dėl ominių nuostolių praskiestuose elektrolituose, padidėjusio burbuliukų perdangos potencialo ir neoptimalaus šilumos valdymo. Šie veiksniai komplikuoja integraciją su kintama atsinaujinančia energija, kaip pabrėžta tinklekio stabilumo tyrimuose, skirtuose vėjo-į-hidrogeną projektams.

Alkalinių elektrolizerių integracija su atsinaujinančia energija darniam vandeniliui gaminti

AWE sistemų suderinimas su saulės ir vėjo energijos tiekimo modeliais

AWE veikia labai gerai, kai sąlygos lieka pastovios, tačiau derinant ją su atsinaujinančiomis energijos išteklių šaltiniais, iš tikrųjų pagerinamas visos sistemos veikimas. Pagal Gandijos ir kolegų 2007 m. atliktus tyrimus, efektyviausi rezultatai pasiekiami tada, kai sistema sujungta su saulės elektrinėmis, kurios veikia ne mažiau kaip 60 % nuo jų maksimalios galios, arba su vėjo jėgainėmis, kurių išvestis kas valandą nekinta daugiau nei 20 %. Kita vertus, staigūs saulės spinduliavimo intensyvumo pokyčiai, didesni nei 500 vatų kvadratiniam metrui per minutę, gali sumažinti efektyvumą nuo 15 iki 20 procentų. Dėl to tinkama integracija tokiose sistemose yra itin svarbi.

Daugiarežimės energijos strategijos, skirtos padidinti efektyvumą kintamoje aplinkoje

Kad būtų pagerinta suderinamumas su kintamais energijos šaltiniais, operatoriai naudoja tris pagrindinius požiūrius:

1. Dinaminis apkrovos valdymas : Elektrinės srovės tankio reguliavimas nuo 0,3–0,5 A/cm² priklausomai nuo realaus atsinaujinančių energijos šaltinių pajėgumo
2. Akumuliatorius kaip buferis : Naudojant trumpalaikį (⌘15 minučių) energijos kaupimą, siekiant išlyginti galios šuolius
3. Hibridinė atsinaujinančių energijos šaltinių pora : Vėjo (40–60 % našumo koeficientas) ir saulės energijos (20–25 %) derinimas, kad būtų išlygintas kasdieninis tiekimas

2023 m. lauko bandymai parodė, kad šie metodai efektyvumo nuostolius sumažina 35 %, palyginti su vieno šaltinio sistemomis.

Realūs vėjo energijos konversijos į vandenilį projektai, naudojant šarma elektrinę skaidymo technologiją

Danijos projekte „Energy Island“ matyti, koks puikus gali būti AWE technologijų lygis, nes tų 24 MW sistemų krūvos efektyvumas siekia apie 74 % net ir esant tikroms vėjo sąlygoms lauke. Pažiūrėjus į 12 skirtingų Europos įrenginių duomenis 2024 m., atsiranda dar viena istorija. Šarmai elektrolizatoriai išlaikė gana aukštą našumą, išlaikydami 68–72 % efektyvumo ribas, nepriklausomai nuo to, ar veikė pusine, ar visa galia. Ir visa tai vyko naudojant tik vėjo energiją. Tai aiškiai pranašesnis variantas lyginant su PEM sistemomis, kurios panašiomis sąlygomis paprastai pasiekia 63–67 % efektyvumą. Ką tai reiškia? Šie skaičiai aiškiai rodo, kad AWE technologijos verta rimtai svarstyti didelio masto vandenilio gamybai iš atsinaujinančių energijos šaltinių.

Pramonės taikymas ir šarminių elektrolizatorių technologijos plėtra visame pasaulyje

Didelio masto naudojimas rafinavime, amoniako gamyboje ir gigavatų žaliojo vandenilio projektuose

Šarmai dabar sudaro 65 % naujų vandenilio įrenginių naftos perdirbime ir amoniako gamyboje, efektyviai veikdami 1–5 MW mastu su 74–82 % sistemos efektyvumu (UnivDatos Market Insights 2024). Daugiau nei 40 gigavatų klasės žaliųjų vandenilio projektų, kurie šiuo metu kuriami – daugiausia ES, Kinijoje ir Australijoje – remiasi AWE technologija, kad jūros vėjo ir dykumų saulės energiją paverstų dideliais kiekiais vandenilio. Naftos perdirbime jie pakeičia 28 % gamtinio dujų paklausos, o amoniako sintezėje sumažina energijos intensyvumą 12 % lyginant su garo metano reformatoriais.

Demonstraciniai įrenginiai, patvirtinantys komercinį mastelio keitimą ir infrastruktūros pasiruošimą

Daug megavatų demonstracinės jėgainės pasiekė 90 % veikimo laiko amoniako ir plieno gamybos taikymuose, patvirtindamos beproblemę integraciją su esama pramone infrastruktūra. Norvegijoje veikianti eksperimentinė jėgainė, veikianti nuo 2021 m., išlaiko 1,2 kg/h/m² vandenilio išvestį, reikalingą tik kas ketvirtinio techninės priežiūros. Pramonės konsorciumai standartizuoja sąsajas tarp šarminių sistemų ir CO² dujotiekių ar druskos urvų saugyklų, užpildant 34 % infrastruktūros spragų, nurodytų 2023 m. Pasaulinio vandenilio tarybos ataskaitoje.

Tendencija: didėjantis diegimas atsinaujinančios energijos centruose visame pasaulyje

Penki dideli atsinaujinančios energijos centrai – įskaitant Šiaurės Afrikos saulės koridorius ir Australijos pakrančių vėjo juostas – planuoja iki 2030 m. įrengti 38 GW alkalinio elektrolizatoriaus pajėgumą. Šie spūsteliai remiasi AWE gebėjimu veikti 40–110 % apkrovos lankstumo ribose ir suderinamumu su jūros vandeniu kaip žaliava, dėl ko druskos pašalinimo reikmė sumažėja 60 % lyginant su vidaus alternatyvomis. Daugiau nei 70 % naujų šiose regionuose statomų elektrolizatorių gamyklų teikia pirmenybę alkalinės technologijos sprendimams dėl mažesnės mineralinių išteklių priklausomybės ir derinimo su vietinėmis tiekimo grandinėmis.

DUK: Alkaliniai elektrolizatoriai ir žaliosios vandenilio gamyba

Kuo skiriasi alkalinė vandens elektrolizė ir PEM elektrolizė?

Lengvoji vandens elektrolizė (AWE) naudoja nebrangius nebrangiuosius metalus katalizatoriams ir dėl savo sąnaudų efektyvumo bei ilgaamžiškumo yra tinkamesnė didelio masto pramonei. Kita vertus, PEM elektrolizė naudoja platinae grupės metalus, dėl ko jos kaina padidėja, o dideliu mastu ji kol kas yra mažiau patikrinta.

Koks yra šiuolaikinių alkalinių elektrolizerių efektyvumas?

Šiuolaikiniai alkiniai elektrolizeriai pasiekia 70–80 procentų efektyvumą, todėl jie yra patikimas pasirinkimas nuolatinėms pramoninėms operacijoms.

Kokios yra kapitalo išlaidos diegiant alkalinės vandens elektrolizės sistemas?

AWE sistemų kapitalo išlaidos svyruoja nuo 242 iki 388 eurų vienam kilovatui, kurios yra žymiai žemesnės lyginant su PEM sistemomis.

Kodėl alkiniai elektrolizeriai tebūna renkamasi didelio masto vandenilio gamybos projektams?

AWE sistemos turi įrodytą veikimo rezultatyvumą, jų veikimo pajėgumai siekia gigavatų lygmenį, sumažintas tiekimo grandinės rizikas ir masto keičiamumą be brangiųjų metalų poreikio.