Сравнение энергоэффективности: системы Enapter AEM и PEM

Эффективность по напряжению и системные энергетические потери

Электролизеры AEM от компаний, таких как Enapter, работают при значительно более низких напряжениях на элементе по сравнению с системами PEM, что снижает омические потери примерно на 15–20 % — согласно результатам последних испытаний на уровне стека. Системы PEM демонстрируют довольно высокие показатели эффективности по напряжению — в диапазоне от 75 до 85 %, когда используются дорогостоящие катализаторы на основе платиновой группы. Однако здесь есть существенный недостаток: поскольку PEM функционирует в кислой среде, для всей вспомогательной инфраструктуры (balance of plant) требуются дорогие титановые компоненты, что дополнительно увеличивает энергопотребление. Enapter обходит эту проблему за счёт модульной конструкции, включающей встроенные преобразователи мощности. Такой подход позволяет избежать типичных потерь энергии в 8–12 %, характерных для стандартных PEM-установок при работе ниже номинальной мощности.

Влияние рабочей температуры и давления на фарадеевый выход

Когда температура превышает 60 градусов Цельсия, системы на основе протонообменных мембран (PEM) начинают терять свою фарадеевскую эффективность, поскольку водород склонен к более интенсивному проникновению через мембрану при повышенных температурах, что серьёзно ограничивает термическую гибкость таких систем. Напротив, технология электролизеров Enapter на основе анионообменных мембран (AEM) обеспечивает токовую эффективность свыше 98 % в диапазоне температур от 30 до 50 градусов Цельсия благодаря стабильной проводимости гидроксид-ионов через систему. Это означает, что такие электролизеры способны эффективно реагировать на изменения нагрузки даже при нестабильной выработке энергии из возобновляемых источников, а также не демонстрируют снижения производительности при быстрых колебаниях температуры. Другое важное различие заключается в том, что мембраны PEM требуют рабочего давления в диапазоне от 30 до 200 бар для предотвращения нежелательных потерь за счёт проникновения газов. Это добавляет примерно 5–7 % дополнительных энергозатрат только на работу компрессоров по сравнению с гораздо более простой атмосферной установкой AEM.

Требования к обслуживанию и эксплуатационная надежность

Деградация катализатора в кислой (PEM) и щелочной (AEM) средах

Для электролизеров с полимерной протонообменной мембраной (PEM) требуются дорогостоящие катализаторы на основе благородных металлов, такие как иридий и платина, способные выдерживать их чрезвычайно кислую рабочую среду. К сожалению, эти металлы довольно быстро разрушаются вследствие коррозии и отравляются оксидом углерода. Согласно наблюдениям в эксплуатации, замена таких катализаторов составляет около 30 % и более от всех расходов на техническое обслуживание уже в течение первых пяти лет эксплуатации. Системы с щелочной обменной мембраной (AEM) работают иначе: они функционируют в щелочных условиях, что позволяет производителям использовать более дешёвые катализаторы на основе никеля, срок службы которых значительно выше. Скорость деградации при этом примерно на 40 % ниже по сравнению с системами PEM. Почему? Потому что на электродах возникает существенно меньшее окислительное напряжение. Это означает более длительные интервалы между необходимыми техническим обслуживанием и меньшее количество незапланированных остановок. А когда установки дольше остаются в работе, общая надёжность производства водорода существенно возрастает.

Чувствительность к загрязнению, чистота питательной воды и комплексное управление водными ресурсами в системах АМЭ

Для работы электролизеров с протонообменной мембраной (PEM) требуется вода столь высокой чистоты, чтобы её удельное электрическое сопротивление составляло не менее 18 МОм·см, что предотвращает такие проблемы, как загрязнение мембраны и необратимое повреждение катализаторов. Это означает необходимость установки сложных многоступенчатых систем деионизации, потребляющих около 15 % вспомогательной мощности, требуемой для эксплуатации установки. Щелочные мембранные электролизёры (AEM) значительно лучше переносят умеренные уровни примесей, что делает процесс предварительной очистки воды существенно проще по сравнению с традиционными методами. В системах Enapter применяется интеллектуальная технология управления водой, которая автоматически регулирует степень необходимой очистки в зависимости от состава поступающей воды, выявленного системой. Данное инновационное решение снижает объём технического обслуживания примерно на 25 %, в частности за счёт уменьшения частоты замены фильтров и проведения процедур очистки мембран. Кроме того, естественная устойчивость щелочных мембран к загрязнению способствует поддержанию стабильных эксплуатационных характеристик в течение длительного времени при минимальном вмешательстве операторов.

Прочность материалов и совокупная стоимость владения электролизерами Enapter на основе анионообменных мембран (AEM)

Технология AEM от компании Enapter обеспечивает более высокую прочность и более низкую стоимость по сравнению с протонно-обменными мембранными (PEM) решениями, поскольку в ней используются катализаторы на основе неблагородных металлов и процесс протекает в менее агрессивной щелочной среде. Для PEM-систем требуется иридий, цена которого сегодня составляет около 150 долларов США за грамм. Это не только дорогостоящий, но и дефицитный материал, поскольку его поставки сильно колеблются. Кроме того, кислая среда со временем разрушает материалы. Технология AEM обходит эту проблему, заменяя иридий катализаторами на основе никеля, что снижает затраты на материалы примерно на 60 %. Разница проявляется и в сроке службы таких систем: большинство PEM-установок начинают выходить из строя через 10–15 лет, тогда как электролизеры Enapter на основе технологии AEM рассчитаны на надёжную эксплуатацию в течение более чем 20 лет подряд.

Анализ капитальных затрат показывает, что эти технологии существенно различаются. Системы на основе протонообменных мембран (PEM) обычно стоят от 900 до 1500 долларов США за киловатт, что почти вдвое превышает стоимость систем на основе анионообменных мембран (AEM), составляющую от 500 до 800 долларов США за кВт. Хотя по максимальному КПД PEM-системы имеют небольшое преимущество, AEM-технологии выделяются тем, что способны работать с водой, содержащей примеси, без необходимости сложных процессов предварительной очистки. Это также означает, что техническое обслуживание требуется реже. По данным отраслевого анализа стоимости производства водорода, технология AEM компании Enapter обеспечивает производство водорода по цене около 2,09 доллара США за килограмм — примерно на 25 % дешевле, чем традиционные PEM-системы. Почему? Потому что AEM-мембраны служат дольше, конструкция вспомогательного оборудования проще, а в течение всего срока службы требуется меньше усилий для поддержания их бесперебойной и стабильной работы. Все эти экономические преимущества делают AEM-технологию особенно перспективной для масштабирования и обеспечивают её финансовую устойчивость даже при активном развитии проектов «зелёного» водорода.

Часто задаваемые вопросы

В чем основное различие между электролизерами с анион-обменной мембраной (AEM) и протонообменной мембраной (PEM)?

Основное различие заключается в типе среды, в которой они работают. Электролизеры AEM функционируют в щелочных условиях и используют катализаторы на основе никеля, тогда как системы PEM работают в кислой среде, применяя благородные металлы в качестве катализаторов, такие как иридий и платина.

Почему электролизеры AEM считаются более энергоэффективными?

Электролизеры AEM работают при более низких напряжениях на элементе, что снижает омические потери и устраняет энергетические затраты, связанные с дорогостоящими компонентами, необходимыми для систем PEM. В результате достигается более высокая энергоэффективность.

Как сравниваются потребности в техническом обслуживании у систем AEM и PEM?

Системы PEM требуют более дорогостоящего технического обслуживания из-за деградации катализаторов в кислой среде, тогда как системы AEM характеризуются более медленными темпами деградации и менее частым обслуживанием благодаря работе в менее агрессивных условиях.

Каковы экономические последствия использования систем AEM вместо PEM?

Системы AEM, как правило, дешевле, поскольку они используют более доступные материалы, такие как никель, и имеют менее сложную конструкцию, что приводит к снижению капитальных затрат и эксплуатационных расходов в долгосрочной перспективе.