Suprasti pagrindinę technologiją ir inovacijas hyto AEM elektrolizės įrenginyje

Trečios kartos hyto AEM elektrolizės įrenginio atsiradimas

AEM arba Anionų keitimo membranos elektrolizatoriai žymi didelę pažangą vandens skaidymo technologijoje, esant tarp senesnių alkalinių sistemų ir naujesnių PEM arba Protonų keitimo membranos metodų. Tuo tarpu PEM modeliams reikia brangių platino pagrindų katalizatorių, hyto AEM versija veikia kitaip, perkeldama hidroksido jonus per specialias membranas. Pramonės duomenys iš 2023 metų rodo, kad šios sistemos gali pasiekti apie 75–85 procentų efektyvumą, veikdamos daug vėsiau nei tradicinės alkinės sistemos, paprastai esant tarp 40 ir 80 laipsnių Celsijaus. Žemesnės temperatūros reikalavimas daro juos labai patrauklius tam tikroms sritims, kur temperatūros kontrolė yra svarbi.

AEM elektrolizatorių veikimo mechanizmai lyginant su tradicinėmis alkinėmis sistemomis

Nors abi technologijos naudoja šarmelines elektrolitus, AEM sistemos elektrodus atskiria kietu polimeriniu membrana vietoj skysčio elektrolitų. Ši konstrukcija pašalina korozinius kalio hidroksido tirpalus, sumažindama priežiūros išlaidas iki 30%, tuo tarpu gaminamas grynesnis dujų (99,99% vandenilio).

Nepreteningųjų metalų katalizatorių naudojimas hyto AEM elektrolizės sistemose

hyto proveržis yra brangiųjų metalų, tokių kaip iridas, pakeitimas nikelio-geležies katalizatoriais. Nauji tyrimai parodė, kad šie alternatyvūs katalizatoriai pasiekia palyginamą aktyvumą (<10% našumo kritimas) esant 95% mažesnėms medžiagos kainoms, todėl išspręsta viena iš pagrindinių PEM technologijos ekonominių kliūčių.

Nulinis tarpas hyto AEM ir jo poveikis naudingumo koeficientui

Nulinio tarpo elementų architektūra sumažina joninę varžą tarp elektrodų, padidindama efektyvumą 15 % lyginant su įprastomis šarmų sistemomis. 2023 m. „TechBriefs“ analizė patvirtina, kad tokia konfigūracija sumažina energijos nuostolius iki 3,9 kWh/Nm³, artėdama prie PEM našumo be jos medžiagų kainos papildomų kaštų.

Ši hibridinė metodika derina alkalio kainų struktūrą su PEM mastelio pritaikymu, padėdama hyto AEM tapti realia alternatyva didelio masto atsinaujinančio vandenilio projektams.

Palyginamoji analizė: hyto AEM ir PEM elektrolizatorių technologijos

AEM ir PEM elektrolizatorių skirtumai konstrukcijoje ir veikime

Hyto AEM elektrolizatoriai veikia gana skirtingai nuo PEM sistemų, kai kalba eina apie jų konstrukciją ir tai, kaip jie veikia. PEM modeliai dažniausiai naudoja protonus perduodančias rūgštines membranas kartu su brangiomis platina grupės katalizatoriais. Tuo tarpu AEM technologijos naudoja specialias šarmų stabilias anionų mainų membranas, kurios perduoda hidroksido jonus. Dėl šio esminio skirtumo, Hyto AEM vienetai gali naudoti pigesnes medžiagas, tokias kaip nikelis, kaip katalizatorius, o ne labai brangius brangiuosius metatus. Įmonėms, pereinančioms nuo PEM sistemų, medžiagų išlaidos sumažėja maždaug 40 procentų. Žemiau pateikėme palyginimo lentelę, kurioje parodyti kai kurie pagrindiniai šių dviejų metodų skirtumai.

Medžiagos suderinamumas hyto AEM ir PEM elektrolizės sistemose

Hyto AEM elektrolizatoriai puikiai veikia su pigesniais nerūdijančio plieno dalimis, nes jie veikia šarminėje aplinkoje. PEM sistemoms vietoj to reikia brangaus titano, nes jos susidoroja su rūgštinėmis sąlygomis, kurios sunaikintų įprastas medžiagas. Tik vien medžiagų skirtumas gali sumažinti išlaidas maždaug 150 dolerių vienam kilovatui, kai įrengiamos vidutinio dydžio operacijos. Kitas svarbus AEM technologijos privalumas yra tas, kad ji nepriklauso nuo retų platinos grupės metalų, kaip tai daro PEM. Šie brangieji metalai sukelia įvairių problemų tiekimo grandinėje – tai ypač svarbu gamintojams vengti šiais laikais, kai pasaulinės rinkos tampa vis labiau neprognozuojamos.

Esamos tankio ir efektyvumo palyginimas tarp hyto AEM ir PEM

Nors PEM elektrolizatoriai pasiekia didesnes srovės tankį (2–3 A/cm²) dėl geresnės protonų laidumo, hyto AEM sistemos sumažino skirtumą, pasiekdamos 1,5–2 A/cm² su trečiosios kartos nulio tarpo konfigūracijomis. Energijos naudingumo požiūriu PEM (74–82%) praninka prieš AEM (68–76%), nors hyto optimizuota jonų mainymo medžiagos integracija sumažino šį skirtumą iki <5% naujausiuose lauko tyrimuose.

Tvarumas ir membranos stabilumas: AEM ir PEM elektrolizatorių palyginimas

PEM membranos turi ilgesnį eksploatacijos laiką (~60 000 valandų) lyginant su ankstesnėmis AEM konstrukcijomis (~30 000 valandų). Tačiau hyto sustiprinta membranos architektūra padidino AEM tvarumą iki 45 000 valandų pagreitintų senėjimo testų metu, o degradacijos rodikliai dabar atitinka PEM (±3 µV/val.) esant kintamam atsinaujinančios energijos įtampos įjungimui.

Našumas, efektyvumas ir praktinė hyto AEM elektrolizatoriaus taikymo sritis

Energijos naudingumo ir specifinės energijos suvartojimo analizė hyto AEM elektrolizės procese

Hyto AEM elektrolizės įrenginys sugeba sumažinti specifinę energijos sąnaudą iki 4,8–5,4 kWh vienam Nm³ vandenilio gamybos vienetui, kas reiškia apie 15–20 procentų efektyvumo padidėjimą lyginant su tradicinėmis šarmų sistemomis. Tai pasiekiama dėl nulinio tarpo elementų konstrukcijos, kuri gerokai sumažina joninį pasipriešinimą. Dėl to tokie elementai gali veikti 1,8–2,2 V įtampų diapazone vienam elementui, kartu išlaikant efektyvumo lygį 75–80 procentų ribose, kai viskas veikia optimaliai. Kodėl pasiekiamas toks geras našumas? Dėl geresnės membranos laidumo savybių ir patobulintų dujų difuzijos sluoksnių, kurie sumažina įtampos nuostolius maždaug 30 procentų lyginant su ankstesnėmis AEM technologijos versijomis.

AEM, PEM ir šarmų elektrolizės technologijų efektyvumo palyginimas

• AEM efektyvumas : 73–78 % (LHV) esant 70°C temperatūrai, derinant šarmų technologijos kainos naudą su PEM dinaminiu atsaku
• PEM efektyvumas : 75–82% (LHV), tačiau reikia 2–5 karto didesnio katalizatoriaus kiekio (2–3 mg/cm² iridžio prieš 0,5 mg/cm² nikelio AEM)
• Alkalio naudingumo koeficientas : 60–70% (LHV) su ribotu apkrovos mažinimo santykiu (30% prieš AEM 10–100%)

Atvejo analizė: hyto AEM įdiegimo realaus pasaulio našumo rodikliai

10 MW hyto AEM įrenginys Vokietijos Reino krašto pramonės komplekse parodė 78 % efektyvumą per nepertrauktą 8 760 valandų veikimą (2023 m. duomenys). Pagrindiniai pasiekimai:

• 94 % apkrovos faktorius kartu su saulės fotogalvanine sistema
• <0,5 % efektyvumo mažėjimas per 6 000 valandų
• 2,3 kg H₂/kWh specifinės sąnaudos nominalioje apkrovoje

Sistema išlaikė <10 ppm deguonies grynumą be papildomų atskyrimo etapų, pranokdama šarmo alternatyvas, tuo tarpu naudojo 40 % mažiau kalio hidroksido elektrolito nei tradicinės konstrukcijos.

Veiksminga kaina ir ekonominiai AEM elektrolizės technologijos privalumai

Hyto AEM elektrolizatorius demonstruoja pastebimus kainos privalumus lyginant su PEM ir šarmų sistemomis per tris pagrindinius ekonominius veiksmus.

AEM, PEM ir šarmų elektrolizatorių kainų palyginimas

AEM elektrolizatoriai sumažina kapitalines išlaidas 30–40% lyginant su PEM sistemomis, kurios reikalauja platina grupės metalų katalizatorių. Šarmų konfigūracijos patiria didesnes eksploatacines išlaidas dėl skysčio elektrolito valdymo, tuo tarpu AEM sistemos pašalina šias išlaidas naudodamos standžias polimerines membranas.

Kapitalinių išlaidų sumažinimas naudojant nebrangius metalus katalizatoriams

Pakeitus PEM platinos katalizatorius nikelio-geležies junginiais, hyto AEM technologija sumažina medžiagų išlaidas iki 60%. Ši inovacija leidžia gaminti stendus už 450 USD/kW – lyginant su PEM 800–1200 USD/kW (Clean Hydrogen Partnership 2023).

Ilgalaikės eksploatacinės sąnaudos hyto AEM sistemose

Nulinio tarpo elementų konstrukcija sumažina energijos nuostolius 12–15 % lyginant su šarmų sistema, o tai atitinka 18 000 JAV dolerių metinius taupymus vienam 1 MW pajėgumui. AEM ilgaamžės anijonų keitimo membranos reikalauja pakeisti kas 8–10 metų, lyginant su PEM 5–7 metų eksploatacijos laikotarpiu, dar labiau sumažinant techninės priežiūros išlaidas.

Technologijų paruoštumo ir rinkos priėmimo hyto AEM elektrolizės įrenginiams lygis

AEM elektrolizės įrenginių technologijų paruoštumo lygis (TRL) 2024 metais

Hyto AEM elektrolizės įrenginys 2024 metų pradžioje yra maždaug TRL 7–8 lygyje, tai reiškia, kad jis jau yra praėjęs bandomąjį etapą ir ruošiasi pritaikyti realiose sąlygose. Gana modernūs patobulinimai nulinio tarpo konstrukcijose ir katalizatoriai, kuriems nereikia brangiųjų metalų, leido šiems įrenginiams pasiekti įspūdingus parametrus. Jie gali veikti esant 2,5 ampero kvadratiniam centimetrui srovės tankio, tuo tarpu našumas išlieka apie 75 % net tada, kai įrenginiai veikia ne visu pajėgumu. Toks našumas yra labai svarbus integruojant jį su atsinaujinančiais energijos šaltiniais, kurie gamina nevienodą energiją. Lyginant su kitomis technologijomis, šarmų sistemos jau yra TRL 9 lygyje, o PEM elektrolizės įrenginiai yra tarp TRL 8 ir 9. AEM ypač įdomi dėl prieinamų medžiagų ir greito reakcijos laiko kombinacijos. Pramoniniai prototipai iš tiesų veikia daugiau nei 4 000 valandų be pertraukimų ir be didesnių problemų, o tai daug sako apie jų patikimumą.

Pramonės priėmimo tendencijos: kur Hyto AEM pranoksta PEM ir šarmų sistemas

Hyto AEM elektrolizės technologija vis labiau populiarėja decentralizuotoje vandenilio gamyboje, ypač ten, kur vėjo ir saulės energijos tiekimas per dieną kinta. Šios sistemos skiriasi nuo PEM technologijų, kurios reikalauja brangių platino katalizatorių, kurių kaina pagal praeitų metų NREL duomenis siekė apie 840 JAV dolerių vienam kW, arba tradicinės alkinės elektrolizės, kuri nuolat reikalauja stabilios veiklos 70–100% našumo. Hyto AEM technologiją išskiria tai, kad ji sumažina įrenginių infrastruktūros išlaidas maždaug 30%, dėl paprastesnio skysto elektrolito valdymo. Kai kurios įmonės, jau naudojančios šią technologiją, pastebėjo, kad jų vandenilio gamybos išlaidos sumažėjo apie 22% lyginant su standartinėmis alkinėmis sistemomis, kai jas derina su papildomu saulės ar vėjo energijos išteklių panaudojimu. Šių vienetų modulinė struktūra leidžia diegti įrenginius nuo 1 MW iki 5 MW, todėl jos yra gana lankstios. Europos „vandenilio slėnių“ iniciatyvose Hyto AEM šiuo metu sudaro beveik 18% visų naujai paskirtų elektrolizatorių sutarčių, pranokdama PEM technologijas situacijose, kai įrenginiai nuolat turi koreguoti išvesties lygį nuo 10% iki 150% nuo normalaus veikimo.

DAK

Kas yra AEM elektrolizatorius?

AEM elektrolizatorius, arba anionų keitimo membranos elektrolizatorius, yra vandenilio gamybos technologija, kuri naudoja kietąsias polimerines membranas, kad būtų galima atskirti vandenį, jis apibūdinamas dėl nebrangių metalų katalizatorių naudojimo ir efektyvaus veikimo esant žemesnei temperatūrai.

Kaip hido AEM elektrolizatorius lyginamas su PEM elektrolizatoriumi?

Hyto AEM elektrolizatoriai skiriasi nuo PEM elektrolizatorių dėl pigesnių medžiagų, tokių kaip nikelis, panaudojimo ir dėl hidroksidų laidžių membranų naudojimo. Tai leidžia sumažinti išlaidas ir efektyviai gaminti vandenilį, nors energijos naudingumo koeficientas yra šiek tiek mažesnis nei PEM sistemų.

Kokie yra hido AEM elektrolizatoriaus naudojimo privalumai?

Hyto AEM elektrolizatoriai siūlo privalumus, tokius kaip sumažintos kapitalinės ir eksploatacinių išlaidos, mažesnės priežiūros išlaidos ir gebėjimas efektyviai gaminti vandenilį su didesniu dujų grynumu ir sumažintomis energijos nuostatomis, todėl jie tinka atnaujinamųjų energijos šaltinių projektams.

Koks yra hyto AEM elektrolizatoriaus technologinio pasiruošimo lygis (TRL)?

2024 metais hyto AEM elektrolizatoriai yra 7–8 TRL lygyje, o tai reiškia, kad jie yra pažengę prototipai, artimi viso masto komerciniam diegimui, parodę patikimumą ir efektyvumą realiose aplikacijose.