Kako PEM elektrolizerji dosegajo visoko učinkovitost sistema z obnovljivo energijo

Napetostna učinkovitost, kWh/kg H₂ in dejanska zmogljivost LHV ob občasnem oskrbovanju

Elektrolizerji z membrano za izmenjavo protonov (PEM) pretvarjajo obnovljivo električno energijo v vodik dokaj učinkovito, ponavadi dosegajo sistemsko učinkovitost okoli 60 do 80 %, merjeno glede na nižjo ogrevalno vrednost vodika. Nekateri resnični testi iz prejšnjega leta so pokazali, da ti sistemi še vedno lahko dosegajo približno 70 % učinkovitosti, tudi kadar se soočajo s sunki moči sončnih panelov in vetrnih turbin. To pomeni približno 48 do 52 kilovatnih ur, potrebnih za proizvodnjo vsakega kilograma vodika. Osebina, ki PEM-e razlikuje, je njihova hitra reakcija na spremembe v oskrbi z energijo, kar pomeni, da se lahko neposredno sinhronizirajo z obnovljivimi viri brez dodatne baterijske shrambe. V primerjavi s starejšimi alkalnimi sistemi PEM enote veliko bolje obdelujejo nenadne spremembe v obremenitvi. Zmorejo preiti iz nič do polne zmogljivosti v manj kot petih sekundah, ne da bi izgubile veliko učinkovitosti. Praktične izkušnje na dejanskih lokacijah namestitve kažejo, da se učinkovitost zmanjša le za približno 3 do 5 %, kadar so nihanja vhodne moči 30 %. Takšna zmogljivost nakazuje, da je tehnologija PEM pripravljena za resnično uporabo skupaj z našo hitro rastočo infrastrukturo obnovljive energije.

Ključni operativni dejavniki: hidriranje membrane, nadzor temperature in optimizacija katalizatorja

Tri medsebojno odvisne faktorje določajo vrhunsko učinkovitost PEM pri spremenljivem oskrbovanju z obnovljivo energijo:

• Hidriranje membrane: Ohranjanje relativne vlažnosti med 80–95 % je bistveno za ohranjanje prevodnosti protonov. Delovanje v suhem stanju poveča ohmsko upornost do 40 %, prevelika vlažnost pa oteži dostop do katalizatorja in prenos plina.
• Računalnik za nadzor temperature: Delovanje sklada med 60–80 °C optimalno uravnoveša kinetiko reakcij in trajnost membrane. Vsak poveček temperature za 10 °C izboljša učinkovitost za približno 1,5 %, vendar pospeši zmanjšanje debeline membrane za 15 % – kar zahteva natančen termični nadzor.
• Optimizacija katalizatorja: Zelo tanke plati iridija (0,1–0,3 mg/cm²), nanosjene na poraste titanske prenose plina, zmanjšajo aktivacijsko prekomerno napetost za 30 % v primerjavi s konvencionalnimi konstrukcijami, kar neposredno izboljša napetostno učinkovitost in življenjsko dobo.

PEM elektrolizerji in občasna obnovljiva energija: naravna tehnična ujemanja

Dinamični odziv v podsekundi omogoča neposredno povezavo na robu omrežja s sončno in vetrno energijo

PEM elektrolizerji lahko dosegajo čase polnjenja pod 500 milisekundami, kar pomeni, da se skoraj takoj prilagodijo spremembam sončnih razmer in nenadnim sunkom vetra. Ti sistemi imajo dobro gostoto toka in delujejo pri nižjih temperaturah, zato delujejo enakomerno tudi ob pogostih spremembah obremenitve. Ta stabilnost dejansko zmanjša potrebo po dragih rešitvah za shranjevanje v baterijah, kar je še posebej pomembno na omejenih površinah ali oddaljenih lokacijah, kot so morske postavitve in mestne proizvodne cone, kjer je prostora malo. Nadzorne naprave v teh enotah nenehno prilagajajo stvari, kot so ravni tlaka, hitrost pretoka vode in vsebnost vlage v zraku, da preprečijo nevarne napetostne sunke in hkrati ohranjajo uravnotežene kemične razmere med nestabilnimi obdobji. Zaradi te hitre časovne reakcije se PEM tehnologija izpostavi kot zlasti primerna za proizvodnjo vodika iz obnovljivih virov na manjših, razpršenih lokacijah po celotnih energetskih omrežjih.

Preverjanje na terenu: Izkušnje iz projekta integracije 1,25 MW PEM–vetra na severu Nemčije

Projekt demonstracije zmogljivosti 1,25 MW na severu Nemčije je dosegel izkoriščenje obnovljivih virov v višini 91 %, kljub nihanjih vetra za 40 % – kar kaže na uresničljivost v komercialnem merilu. Med ključne operativne ugotovitve spada tudi:

• Optimizacija katalizatorja je zmanjšala degradacijo za 63 % med intervali cikliranja po 15 minut
• Prilagodljivi protokoli hidriranja membrane so ohranili čistoto vodika >98 % pri nihajih frekvence 0,3 Hz
• Natančna regulacija temperature je med hitrimi zaustavitvami zmanjšala toplotno obremenitev za 52 %
  V več kot 4.200 obratovalnih urah je sistem dosedel konstantno zmogljivost pri 54,3 kWh/kg H₂ (LHV), kar potrjuje obstojnost PEM-ja v realnih pogojih s prekinjenim obratovanjem.

Težave z vzdržljivostjo in strategije za njihovo odpravljanje pri obratovanju PEM elektrolizerjev

Degradacija anodnega katalizatorja in tanjšanje membrane med menjavanjem obremenitve: Dokazila iz več kot 20.000 ciklov

Ponavljajoče se obremenitveno kroženje pospešuje dva glavna mehanizma degradacije: raztapljanje anodnega katalizatorja (prek agregacije iridijevih delcev in korozije nosilca) ter mehansko zmanjševanje membrane v membranah iz perfluorosulfonske kisline (PFSA). Dolgotrajno testiranje več kot 20.000 ciklov pod pogoji prekinjenosti, podobnim obnovljivim virom, kaže letne izgube zmogljivosti nad 2,4 % – pomembna težava za ekonomsko življenjsko dobo. Preverjene strategije za zmanjševanje vključujejo:

• Napredne arhitekture katalizatorjev , kot so jedro-ovite strukture iridijev oksid/rodijev dioksid, ki zmanjšajo vsebnost dragih kovin za 40 %, hkrati pa ohranjajo katalitično aktivnost
• Ojačane membrane , ki vključujejo ogljikovodikov skelet in nanodelce cirkonijskega fosfata, kar zmanjša hitrost sproščanja fluoridnih ionov za 68 %
• Dinamične obratovalne protokole , vključno z regulacijo vlažnosti med obdobji z nizko obremenitvijo, ki v validacijskih preskusih zmanjšajo hitrost degradacije membrane za 30 %
  Skupaj ti napredki podaljšujejo potrjeno življenjsko dobo celice na več kot 60.000 ur, hkrati pa ohranjajo >75 % učinkovitosti LHV.

Ključne obratovalne prednosti, ki opredeljujejo vrednost PEM elektrolizerjev v B2B aplikacijah

Elektrolizerji z membrano za izmenjavo protonov (PEM) ponujajo precej velike prednosti pri proizvodnji vodika za industrijske namene. Odzivajo se skoraj takoj, kar pomeni, da se lahko neposredno prikljujnijo na sončne panoge in vetrne turbine na robu električne mreže. Ta konfiguracija odstrani potrebo po dodatnih rezervoarjih za shranjevanje in omogoča obratom, da kupujejo električno energijo, kadar so cene najnižje. Obrati, ki izkoriščajo to vrsto fleksibilnosti, dejansko prihranijo okoli 28 % na računih za energijo v primerjavi s tistimi, ki so vezani na stalne obremenitve. Delovanje teh enot pri visokih gostotah toka (več kot 2 amperi na kvadratni centimeter) omogoča učinkovito obratovanje tudi ob nihanjih povpraševanja, hkrati pa ohranjajo čistost vodika nad 99,99 % skozi različne cikle zaustavitev in zagonov. Ta raven kakovosti ustreva strogo standardom, potrebnim za uporabo v gorilnih celicah za vozila in proizvodnjo čistega silicija. Poleg tega njihova kompaktna konstrukcija omogoča uporabo na omejenih površinah, kot so na primer offshore naftne ploščadi ali tovarne v mestih, kjer primanjkuje prostora. Standardizirani deli omogočajo podjetjem enostavno razširitev zmogljivosti, ko se obnovljivi viri energije razvijajo skozi čas. Vsi ti dejavniki kažejo, da bo tehnologija PEM postala temelj za gradnjo zmogljivih, ogljikovo prijaznih vodikovnih omrežij v pomembnih industrijskih panogah.

Pogosta vprašanja

• Kakšen je razpon učinkovitosti za PEM elektrolizatorje?
  PEM elektrolizatorji običajno dosegajo učinkovitost okoli 60 do 80 % pri pretvarjanju obnovljive električne energije v vodik, na podlagi nižje segrevne vrednosti (LHV) vodika.
• Kako PEM elektrolizatorji obravnavajo spremembe oskrbe z električno energijo?
  PEM elektrolizatorji hitro reagirajo na spremembe in lahko dosežejo polno zmogljivost iz ničla v manj kot petih sekundah brez pomembnega padca učinkovitosti. To jih naredi primernimi za neposredni priklop na obnovljive vire energije, kot sta sončna in veterna energija.
• Kakšne so glavne operativne težave pri PEM elektrolizatorjih?
  Glavne težave vključujejo degradacijo anodnega katalizatorja in tanjšanje membrane med menjavanjem obremenitve. Te težave se rešujejo z naprednimi konstrukcijami katalizatorjev in okrepljenimi membranami.
• Zakaj se PEM elektrolizatorji raje uporabljajo pri premorih v virih energije?
  PEM elektrolizatorji imajo hitre čase odziva in se lahko učinkovito prilagodijo nihanjem virov energije s prekinitvami, ne da bi potrebovali dodatne rešitve za shranjevanje.
• Kateri napredki pomagajo podaljšati življenjsko dobo PEM elektrolizerjev?
  Napredni katalizatorni arhitekturi, okrepitve membrane in dinamični operativni protokoli so bili razviti za podaljšanje življenjske dobe PEM elektrolizerjev in ohranjanje učinkovitosti.