การเปรียบเทียบประสิทธิภาพด้านพลังงาน: ระบบ AEM ของ Enapter เทียบกับระบบ PEM

ประสิทธิภาพด้านแรงดันไฟฟ้าและการสูญเสียพลังงานในระดับระบบ

อิเล็กโทรไลเซอร์แบบ AEM จากบริษัทต่าง ๆ เช่น Enapter ทำงานที่แรงดันเซลล์ต่ำกว่าระบบ PEM อย่างมาก ซึ่งช่วยลดการสูญเสียจากความต้านทาน (ohmic losses) ลงประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ ตามผลการทดสอบระดับสแต็กที่เราสังเกตเห็นล่าสุด ขณะที่ระบบ PEM นั้นให้ประสิทธิภาพแรงดันค่อนข้างดี โดยอยู่ระหว่าง 75 ถึง 85 เปอร์เซ็นต์ เมื่อใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจากกลุ่มแพลตินัม (platinum group catalysts) ที่มีราคาแพง อย่างไรก็ตาม มีข้อจำกัดหนึ่งคือ เนื่องจากระบบ PEM ทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีความเป็นกรด จึงจำเป็นต้องใช้ชิ้นส่วนไทเทเนียมที่มีราคาสูงทั่วทั้งระบบสมดุลของพืช (balance of plant systems) ซึ่งส่งผลให้สูญเสียพลังงานเพิ่มเติม Enapter แก้ปัญหานี้ด้วยการออกแบบแบบโมดูลาร์ที่รวมระบบแปลงพลังงานในตัว แนวทางนี้ช่วยหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงานแบบปกติ 8 ถึง 12 เปอร์เซ็นต์ ที่เกิดขึ้นกับระบบ PEM มาตรฐานเมื่อทำงานที่กำลังต่ำกว่าความสามารถสูงสุด

ผลกระทบของอุณหภูมิและแรงดันในการทำงานต่อผลได้ฟาราเดย์ (Faradaic Yield)

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นเหนือ 60 องศาเซลเซียส ระบบ PEM จะเริ่มสูญเสียประสิทธิภาพแบบฟาราเดย์ (Faradaic efficiency) เนื่องจากไฮโดรเจนมีแนวโน้มที่จะล่วงผ่าน (cross over) ได้เร็วขึ้นที่อุณหภูมิสูง ซึ่งจำกัดความยืดหยุ่นเชิงอุณหภูมิของระบบนี้อย่างมาก กลับกัน เทคโนโลยีอิเล็กโทรไลเซอร์ AEM ของ Enapter รักษาประสิทธิภาพกระแสไฟฟ้าไว้ได้มากกว่า 98 เปอร์เซ็นต์ในช่วงอุณหภูมิ 30 ถึง 50 องศาเซลเซียส เนื่องจากไอออนไฮดรอกไซด์มีความเสถียรและสามารถนำกระแสไฟฟ้าผ่านระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้ระบบสามารถปรับตามการเปลี่ยนแปลงของโหลดได้อย่างมีประสิทธิภาพ แม้เมื่อแหล่งพลังงานหมุนเวียนมีความผันแปร และไม่มีการลดลงของประสิทธิภาพแม้ในช่วงที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว อีกความแตกต่างที่สำคัญคือ เมมเบรน PEM ต้องการแรงดันระหว่าง 30 ถึง 200 บาร์ เพื่อป้องกันการสูญเสียจากการล่วงผ่าน (permeation losses) ซึ่งเพิ่มพลังงานพิเศษอีกประมาณ 5 ถึง 7 เปอร์เซ็นต์เฉพาะสำหรับงานการอัดอากาศ เมื่อเปรียบเทียบกับระบบ AEM ที่ใช้แรงดันบรรยากาศซึ่งมีความเรียบง่ายกว่ามาก

ข้อกำหนดด้านการบำรุงรักษาและความน่าเชื่อถือในการปฏิบัติงาน

การเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาในสภาวะกรด (PEM) เทียบกับสภาวะด่าง (AEM)

อิเล็กโทรไลเซอร์แบบเมมเบรนโพลิเมอร์อิเล็กโทรไลต์ (PEM) จำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่าที่มีราคาแพง เช่น อิริเดียมและแพลตินัม เพื่อทนต่อสภาพแวดล้อมในการทำงานที่มีความเป็นกรดสูงมาก อย่างน่าเสียดาย โลหะเหล่านี้สลายตัวค่อนข้างเร็วเนื่องจากการกัดกร่อน และถูกทำให้สูญเสียประสิทธิภาพจากก๊าซคาร์บอนมอนอกไซด์ นอกจากนี้ จากข้อมูลที่เราสังเกตเห็นในภาคสนาม การเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้คิดเป็นประมาณ 30% หรือมากกว่าของค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาทั้งหมดภายในระยะเวลาเพียงห้าปีของการดำเนินงาน อย่างไรก็ตาม ระบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนอะคาไลน์ (AEM) ทำงานแตกต่างออกไป โดยระบบเหล่านี้ทำงานภายใต้สภาวะที่มีความเป็นด่าง ซึ่งช่วยให้ผู้ผลิตสามารถใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีพื้นฐานเป็นนิกเกิลซึ่งมีราคาถูกกว่าและมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าได้ อัตราการเสื่อมสภาพของระบบ AEM ช้าลงประมาณ 40% เมื่อเทียบกับระบบ PEM เหตุผลคือ เกิดความเครียดจากปฏิกิริยาออกซิเดชันที่ขั้วไฟฟ้าลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้ช่วงเวลาที่ต้องเข้ารับการบำรุงรักษามีระยะเวลานานขึ้น และลดจำนวนครั้งของการหยุดทำงานโดยไม่คาดคิดลง และเมื่อโรงงานสามารถดำเนินงานต่อเนื่องได้นานขึ้น การผลิตไฮโดรเจนก็จะมีความน่าเชื่อถือมากยิ่งขึ้นโดยรวม

ความไวต่อการสะสมสิ่งสกปรก ความบริสุทธิ์ของน้ำป้อน และการจัดการน้ำแบบบูรณาการในระบบ AEM

อิเล็กโทรไลเซอร์แบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) ต้องใช้น้ำที่บริสุทธิ์มากจนมีค่าความต้านทานไฟฟ้าไม่น้อยกว่า 18 เมกะโอห์ม-เซนติเมตร เพื่อป้องกันปัญหาต่าง ๆ เช่น การสะสมสิ่งสกปรกบนเมมเบรน และความเสียหายถาวรต่อตัวเร่งปฏิกิริยา ซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องติดตั้งระบบดีไอออนไนเซชันแบบหลายขั้นตอนที่ซับซ้อน ซึ่งใช้พลังงานเสริมสำหรับการดำเนินงานประมาณ 15% ของกำลังไฟฟ้าทั้งหมดที่ใช้ ในทางกลับกัน เมมเบรนอิเล็กโทรไลซิสแบบด่าง (AEM) สามารถทนต่อสิ่งเจือปนในระดับปานกลางได้ดีกว่ามาก ทำให้กระบวนการบำบัดน้ำก่อนเข้าสู่ระบบเรียบง่ายกว่าวิธีการแบบดั้งเดิมอย่างเห็นได้ชัด ระบบของ Enapter ใช้เทคโนโลยีการจัดการน้ำอัจฉริยะที่สามารถปรับระดับความเข้มข้นของการทำให้น้ำบริสุทธิ์โดยอัตโนมัติตามสิ่งที่ระบบตรวจพบในน้ำที่ไหลเข้ามา นวัตกรรมนี้ช่วยลดภาระงานด้านการบำรุงรักษาลงประมาณ 25% โดยเฉพาะการลดความถี่ในการเปลี่ยนไส้กรองและการทำความสะอาดเมมเบรน นอกจากนี้ คุณสมบัติโดยธรรมชาติของเมมเบรนแบบด่างที่ต้านทานการสะสมสิ่งสกปรกยังช่วยรักษาประสิทธิภาพการทำงานที่มีเสถียรภาพไว้ได้ตลอดเวลา โดยผู้ปฏิบัติงานแทบไม่จำเป็นต้องเข้าไปจัดการด้วยตนเองเลย

ความทนทานของวัสดุและต้นทุนรวมตลอดอายุการใช้งานสำหรับอิเล็กโทรไลเซอร์ AEM ของ Enapter

เทคโนโลยี AEM ของ Enapter มีความทนทานดีกว่าและมีต้นทุนต่ำกว่าทางเลือกแบบ PEM เนื่องจากใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่โลหะมีค่า และทำงานในสภาวะด่างที่รุนแรงน้อยกว่า ระบบ PEM จำเป็นต้องใช้ไอดริเดียม ซึ่งปัจจุบันมีราคาประมาณ 150 ดอลลาร์สหรัฐต่อกรัม ซึ่งไม่เพียงแต่มีราคาแพงเท่านั้น แต่ยังหาได้ยากอีกด้วย เนื่องจากปริมาณการจัดหาเปลี่ยนแปลงขึ้นลงอย่างมาก นอกจากนี้ สภาวะกรดยังทำให้วัสดุเสื่อมสภาพตามกาลเวลาอีกด้วย AEM หลีกเลี่ยงปัญหานี้โดยเปลี่ยนมาใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีพื้นฐานจากนิกเกิล ซึ่งช่วยลดค่าใช้จ่ายด้านวัสดุลงประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ ความแตกต่างนี้ยังแสดงให้เห็นผ่านอายุการใช้งานของระบบอีกด้วย โดยส่วนใหญ่แล้ว หน่วยระบบ PEM จะเริ่มเสียหายภายในช่วง 10 ถึง 15 ปีหลังการใช้งาน ในขณะที่ Enapter ออกแบบอิเล็กโทรไลเซอร์ AEM ของตนให้สามารถทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ต่อเนื่องนานกว่า 20 ปี

การพิจารณาต้นทุนเงินลงทุนจะชี้ให้เห็นว่าเทคโนโลยีเหล่านี้มีความแตกต่างกันค่อนข้างมาก ระบบ PEM โดยทั่วไปมีราคาอยู่ระหว่าง 900 ถึง 1,500 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ ซึ่งสูงเกือบสองเท่าของต้นทุนระบบ AEM ที่อยู่ในช่วง 500 ถึง 800 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ แม้ว่าระบบ PEM จะมีข้อได้เปรียบเล็กน้อยในแง่ประสิทธิภาพสูงสุด แต่ระบบ AEM โดดเด่นตรงที่สามารถใช้น้ำที่มีสิ่งเจือปนได้โดยไม่จำเป็นต้องผ่านกระบวนการบำบัดเบื้องต้นที่ซับซ้อน ซึ่งหมายความว่าการบำรุงรักษาจะมีความถี่น้อยลงเมื่อเวลาผ่านไป การวิเคราะห์อุตสาหกรรมเกี่ยวกับต้นทุนการผลิตไฮโดรเจนระบุว่า เทคโนโลยี AEM ของ Enapter สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ในราคาประมาณ 2.09 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัม ซึ่งถูกกว่าระบบ PEM แบบดั้งเดิมราว 25% ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น? เพราะเยื่อหุ้ม AEM มีอายุการใช้งานยาวนานกว่า การออกแบบโครงสร้างสมดุลของระบบ (Balance of Plant) ง่ายกว่า และโดยรวมแล้วต้องใช้แรงงานน้อยลงในการรักษาให้ระบบทำงานได้อย่างราบรื่นตลอดอายุการใช้งาน ทั้งหมดนี้ทำให้ระบบ AEM มีศักยภาพในการขยายขนาดได้อย่างง่ายดาย และยังคงมีเสถียรภาพทางการเงินได้แม้ในขณะที่เราเร่งดำเนินโครงการไฮโดรเจนสีเขียวต่อไป

คำถามที่พบบ่อย

ความแตกต่างหลักระหว่างอิเล็กโทรไลเซอร์แบบ AEM กับ PEM คืออะไร

ความแตกต่างหลักอยู่ที่สภาพแวดล้อมที่อุปกรณ์ทำงาน AEM อิเล็กโทรไลเซอร์ทำงานภายใต้สภาวะเบสิก (ด่าง) และใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีนิกเกิลเป็นองค์ประกอบ ขณะที่ระบบ PEM ทำงานภายใต้สภาวะกรด โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจากโลหะมีค่า เช่น อิริเดียมและแพลตินัม

เหตุใดอิเล็กโทรไลเซอร์แบบ AEM จึงถือว่ามีประสิทธิภาพการใช้พลังงานสูงกว่า

อิเล็กโทรไลเซอร์แบบ AEM ทำงานที่แรงดันเซลล์ต่ำกว่า ซึ่งช่วยลดการสูญเสียจากความต้านทาน (ohmic losses) และขจัดการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากส่วนประกอบที่มีราคาแพงซึ่งจำเป็นสำหรับระบบ PEM ส่งผลให้การดำเนินงานมีประสิทธิภาพในการใช้พลังงานมากยิ่งขึ้น

ความต้องการการบำรุงรักษาของระบบ AEM กับระบบ PEM เปรียบเทียบกันอย่างไร

ระบบ PEM มีต้นทุนการบำรุงรักษาสูงกว่าเนื่องจากการเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาภายใต้สภาวะกรด ขณะที่ระบบ AEM มีอัตราการเสื่อมสภาพช้ากว่าและต้องการการบำรุงรักษาน้อยลง เนื่องจากทำงานภายใต้สภาวะที่ไม่รุนแรงเท่า

การใช้ระบบ AEM แทนระบบ PEM มีผลกระทบต่อต้นทุนอย่างไร

ระบบ AEM โดยทั่วไปมีราคาถูกกว่า เนื่องจากใช้วัสดุที่หาง่ายกว่า เช่น นิกเกิล และมีการออกแบบที่ซับซ้อนน้อยกว่า ส่งผลให้ต้นทุนการลงทุนเริ่มต้นต่ำลงและค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานลดลงในระยะยาว