ข้อได้เปรียบของ AEM: ต้นทุนการลงทุนต่ำกว่า โดยไม่ลดทอนประสิทธิภาพหลัก

อิเล็กโทรไลเซอร์ AEM กำลังเปลี่ยนเกมในการผลิตไฮโดรเจนให้มีความคุ้มทุน โดยลดต้นทุนการลงทุนประมาณ 40% เมื่อเทียบกับระบบ PEM แต่ยังคงประสิทธิภาพในระดับใกล้เคียงกันที่ 60 ถึง 70% เคล็ดลับอยู่ที่การแทนที่วัสดุราคาสูง แทนที่ตัวเร่งปฏิกิริยาจากกลุ่มแพลตินัมที่มีราคาแพง ผู้ผลิตใช้วัสดุทางเลือกที่มีพื้นฐานจากนิกเกิลหรือโคบอลต์ นอกจากนี้ยังเปลี่ยนโลหะมีค่าในขั้วไฟฟ้า ซึ่งช่วยลดต้นทุนของสแต็กราวๆ 150 ถึง 300 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ สิ่งที่น่าสนใจคือ การเปลี่ยนแปลงนี้ไม่ได้ส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพการทำงานเลย ความสามารถในการนำไฟฟ้าที่ดีขึ้นของเยื่อเมมเบรน รวมกับการออกแบบขั้วไฟฟ้าที่ปรับปรุงแล้ว กลับช่วยลดการสูญเสียจากความต้านทานโอห์มิก (ohmic losses) ที่มักจะทำให้ประสิทธิภาพลดลงในระบบที่ถูกกว่า เมื่อนำระบบ AEM มาขยายขนาดสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม สามารถควบคุมการใช้พลังงานให้อยู่ต่ำกว่า 4.8 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อลูกบาศก์เมตร ซึ่งเทียบเท่ากับเทคโนโลยีชั้นนำ การตัดส่วนประกอบไทเทเนียมออกและการปรับให้ข้อกำหนดของโรงงานเรียบง่ายขึ้น ทำให้ต้นทุนการติดตั้งลดลง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไม AEM จึงเหมาะกับสถานที่ผลิตไฮโดรเจนขนาดเล็กที่ต้นทุนเริ่มต้นมีผลต่อความสำเร็จของโครงการโดยตรง การเลือกวัสดุอย่างชาญฉลาดทำให้ AEM สามารถแยกปัจจัยต้นทุนออกจากประสิทธิภาพได้ ผลักดันเราไปข้างหน้าอย่างรวดเร็วสู่เป้าหมายไฮโดรเจนที่ราคา 2 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัม ซึ่งจำเป็นต่อการแข่งขันกับเชื้อเพลิงฟอสซิลในท้ายที่สุด

นวัตกรรมวัสดุที่เร่งการรวมค่าใช้ต้นทุนประสิทธิภาพของ AEM

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช้โลหะมีค่าและเมมเบรนแลกเปลี่ยนอนัยออนต้นทุนต่ำ

ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำจากนิกเกิล-เหล็กแทนโลหะกลุ่มแพลตินัม ลดต้นทุนของสแต็กมากกว่า 40% ขณะยังคงรักษาความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่สูงกว่า 1.5 A/cm²—เป็นค่าอ้างอิงที่ได้รับการยืนยันจากงานวิจัยที่ผ่านการประเมินโดยผู้เชี่ยวราย (Journal of The Electrochemical Society, 2023) ทางเลือกที่ทำจากวัสดุที่มีในโลกนี้อย่างอุดมด้วยให้:

• อัตราปฏิกิริยาที่เร็วกว่า 30% เมื่อเทียบกับตัวเร่งปฏิกิริยุ่นรุ่นแรก
• ความเสถียรในการดำเนินงานที่พิสูจน์ได้ถึง 10,000 ชั่วโมงภายใต้สภาวะอุตสาหกรรม
• ทนต่อช่วง pH กว้าง ทำให้ไม่จำเป็นใช plates ไบโพลาร์ไทเทเนียมที่มีราคาแพง

ในเวลาเดียวกัน เมมเบรนแลกเปลี่นอนัยออนที่ทำจากไฮโดรคาร์บอนในปัจจุบันสามารถบรรลุการนำไฟฟ้าของไฮดรอกไซด์ที่เกิน 120 mS/cm ที่อุณหภูมิ 80°C—เทียบเท่ากับค่าอ้างอิงของวัสดูที่มีฟลูออรีน แต่มีต้นทุนประมาณหนึ่งในห้า ความก้าวกระโดดนี้ในการนำไอออนโดยตรงลดการสูญเสียจากความต้านทานและเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ

ลดการสูญเสียจากโอห์มิกและจลน์เพื่อรักษาระดียประสิทธิภาพสูงของ AEM

การรักษาระดับประสิทธิภาพของระบบมากกว่า 75% ต้องอาศัยมากกว่าวัสดุราคาถูก — จำเป็นต้องใช้วิศวกรรมความแม่นยำเพื่อลดการสูญเสียแรงดัน โครงสร้างขั้วไฟฟ้าที่ได้รับการปรับแต่งให้มีช่องว่างพรุนแบบเกรเดียนต์ สามารถลดความต้านทานเชิงโอห์มลงได้ 25% เมื่อเทียบกับการออกแบบแบบดั้งเดิม กลยุทธ์หลักในการลดผลกระทบ ได้แก่:

การศึกษาที่ดำเนินโดยห้องปฏิบัติการพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติแสดงว่า เมื่อรวมวิธีต่างๆ เข้าด้วยกัน จะสามารถคงระดับประสิทธิภาพสูงสุดแม้ในสภาวะที่มีความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าเกิน 2 แอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตร สิ่งนี้หมายว่าโรงงานสามารถผลิตไฮโดรเจนในปริมาณที่มากขึ้นในช่วงเวลาเท่าเดิม ขณะลดต้นทุนการผลิตต่อกิโลกรัมลงเหลือต่ำกว่าสามดอลลาร์สหรัฐเมื่อถึงขนาดการดำเนินงานเต็มสเกล สิ่งที่โดดเด่นอย่างแท้จริงคือการรวมวัสดุที่ทนทานแต่มีราคาไม่สูงกับเทคนิคทางอิเล็กโทรเคมีเฉพาะ ทำให้เทคโนโลยีเมมเบรนแลกเปลี่ยนอนัยออน (AEM) อยู่ในตำแหน่งที่แข็งแกร่งสำหรับการขยายการผลิตไฮโดรเจนที่สะอาด ผู้เชี่ยวทางหลายคนเชื่อว่าแนวทางนี้เสนอหนึ่งในโอกาสที่ดีที่สุดสำหรับการทำไฮโดรเจนที่ไม่มีคาร์บอนในปริมาณใหญ่อย่างที่มีต้นทุนเหมาะสมในอนาคตอันใกล้

การเพิ่งประสิทธิภาพการดำเนินงาน: การปรับแต่งระบบ AEM เพื่อเป้าหมายประสิทธิภาพต้นทุนในสภาพใช้งานจริง

การแลกเปลี่ยนระหว่างแรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิ และความเข้มข้นของสารป้อนในการดำเนินงานของ AEM

ในทางปฏิบัติ ระบบ AEM จำเป็นต้องสร้างความสมดุลระหว่างปัจจัยสำคัญสามประการ ได้แก่ ระดับแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ อุณหภูมิการทำงาน และความเข้มข้นของสารละลายอิเล็กโทรไลต์ เมื่อเราเพิ่มแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น เราก็จะผลิตไฮโดรเจนได้มากขึ้น แต่ก็ต้องแลกมาด้วยต้นทุน โดยการใช้พลังงานจะเพิ่มขึ้นประมาณ 15 ถึง 30 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งหมายถึงค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานที่สูงขึ้นสำหรับผู้ประกอบการโรงงาน อุณหภูมิการทำงานที่สูงกว่า 60 องศาเซลเซียสช่วยให้ไอออนเคลื่อนที่ได้ดีขึ้นและเร่งปฏิกิริยาเคมี ทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นประมาณ 12% ตามที่งานวิจัยที่ตีพิมพ์เมื่อปีที่แล้วในวารสาร Journal of Power Sources ระบุไว้ อย่างไรก็ตาม การรักษาระดับอุณหภูมิสูงเหล่านี้จำเป็นต้องใช้วัสดุพิเศษที่ทนต่อการกัดกร่อน ซึ่งจะทำให้ต้นทุนการลงทุนเพิ่มสูงขึ้น ความเข้มข้นของโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ก็มีความสำคัญเช่นกัน สารละลายที่เข้มข้นกว่าจะนำไฟฟ้าได้ดีกว่า แต่จะทำให้เยื่อเมมเบรนเสื่อมสภาพเร็วกว่า ในทางกลับกัน สารละลายที่เจือจางกว่าจะส่งแรงกดดันต่อวัสดุน้อยลง แต่จะนำไปสู่การสูญเสียพลังงานที่มากขึ้น วิศวกรที่มีความรู้ความสามารถจึงจัดการกับข้อจำกัดเหล่านี้โดยใช้ระบบควบคุมที่ปรับเปลี่ยนการดำเนินงานอย่างต่อเนื่อง ตามสถานการณ์ด้านราคาไฟฟ้า ความต้องการของโครงข่ายไฟฟ้า และกำหนดเวลาการบำรุงรักษาอุปกรณ์ การปรับแต่งเหล่านี้ช่วยรักษาระดับประสิทธิภาพโดยรวมไว้ระหว่าง 60 ถึง 75 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งช่วยป้องกันการสูญเสียประสิทธิภาพถึง 20 เปอร์เซ็นต์ที่โรงงานพบได้เมื่อดำเนินงานทุกอย่างด้วยการตั้งค่าคงที่ ตามที่ตีพิมพ์ใน Electrochemistry Communications เมื่อปี ค.ศ. 2022 สุดท้ายนี้ การหาจุดสมดุลที่เหมาะสมที่สุดไม่ใช่การผลักดันปัจจัยใดปัจจัยหนึ่งไปสู่ขีดสุด แต่คือการสร้างความกลมกลืนระหว่างสมรรถนะทางเคมี ความทนทานของอุปกรณ์ ต้นทุนพลังงานในท้องถิ่น และอายุการใช้งานของระบบโดยรวมก่อนที่จะต้องมีการเปลี่ยนใหม่

เศรษฐศาสตร์ในระดับระบบ: ทำไมดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลกรัมของ H₂ คือตัวชี้วัดที่แท้จริงสำหรับประสิทธิภาพของ AEM

ต้นทุนเฉลี่ยรวมของการผลิตไฮโดรเจน (LCOH) ซึ่งวัดเป็นดอลลาร์ต่อกิโลกรัม H2 เป็นตัวชี้วัดสำคัญในการประเมินว่าอิเล็กโทรไลเซอร์แบบ AEM มีความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจหรือไม่ ตัวชี้วัดนี้รวบรวมปัจจัยสำคัญต่าง ๆ เช่น ต้นทุนการลงทุนครั้งแรก การใช้พลังงาน ประสิทธิภาพในการดำเนินงาน ความต้องการในการบำรุงรักษา และอายุการใช้งานที่คาดไว้ เข้ามาอยู่ในตัวเลขเดียวที่เข้าใจง่าย เพื่อช่วยในการตัดสินใจเชิงธุรกิจ การพิจารณาเพียงแค่ตัวชี้วัดรายตัว เช่น ประสิทธิภาพของสแต็ค หรือค่าใช้จ่ายฝั่งทุนนั้น ไม่สามารถบอกภาพรวมได้ทั้งหมด ความจริงก็คือ ค่าไฟฟ้ามีสัดส่วนมากกว่า 60 เปอร์เซ็นต์ของค่าใช้จ่ายในการผลิตไฮโดรเจนโดยรวม ไม่ว่าจะพิจารณาจากเทคโนโลยีอิเล็กโทรไลเซอร์แบบใดก็ตาม โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับเทคโนโลยี AEM ขณะนี้คาดการณ์ว่าค่าใช้จ่ายฝั่งทุนต่ำกว่า 1,500 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ ซึ่งดีกว่าระบบ PEM ที่อยู่ที่ประมาณ 2,147 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ และดีกว่าทางเลือก SOEC ที่มีต้นทุนประมาณ 3,000 ดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ ตามข้อมูลจากโครงการไฮโดรเจนของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกาในปี 2023 ด้วยต้นทุน LCOH ที่คาดว่าจะอยู่ระหว่าง 2.5 ถึง 5 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัม AEM จึงดูน่าสนใจโดยเฉพาะสำหรับการประยุกต์ใช้งานขนาดเล็ก ซึ่งความสำคัญอยู่ที่การติดตั้งและเริ่มดำเนินการได้อย่างรวดเร็ว โดยไม่ต้องใช้เงินลงทุนมหาศาล ผลการทดสอบในห้องปฏิบัติการแสดงให้เห็นว่าระบบ AEM สามารถบรรลุประสิทธิภาพได้ระหว่าง 50% ถึง 65% โดยอายุการใช้งานของสแต็คอยู่ที่ประมาณ 2,000 ถึง 8,000 ชั่วโมง ตัวเลขเหล่านี้ยังคงตามหลังสิ่งที่เทคโนโลยี PEM ทำได้ในปัจจุบัน แต่ต้นทุนการลงทุนครั้งแรกที่ต่ำกว่ามากช่วยลดช่องว่างด้านประสิทธิภาพนี้ลงได้ ในท้ายที่สุด การติดตามต้นทุนในหน่วยดอลลาร์ต่อกิโลกรัมไฮโดรเจนยังคงมีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะเป็นแนวทางในการกำหนดทิศทางการวิจัย ส่งผลต่อการตัดสินใจด้านการสนับสนุนเงินทุน และมีอิทธิพลต่อการกำหนดนโยบายของรัฐบาล เพื่อผลักดันให้ไฮโดรเจนสีเขียวสามารถแข่งขันกับวิธีการผลิตไฮโดรเจนจากเชื้อเพลิงฟอสซิลแบบดั้งเดิมได้

คำถามที่พบบ่อย

อิเล็กโทรไลเซอร์แบบ AEM คืออะไร?

เครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบ AEM เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ผลิตไฮโดรเจนโดยอาศัยเทคโนโลยีเมมเบรนแลกเปลี่ยนอนแอนไอออน ซึ่งช่วยให้สามารถผลิตไฮโดรเจนได้ด้วยต้นทุนการลงทุนที่ต่ำกว่า โดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพ

ระบบ AEM ลดต้นทุนได้อย่างไรเมื่อเปรียบเทียบกับระบบ PEM

ระบบ AEM ลดต้นทุนโดยการแทนที่ตัวเร่งปฏิกิริยาจากกลุ่มพลาตินัมที่มีราคาแพง ด้วยตัวเลือกอื่นอย่างนิกเกิลหรือโคบอลต์ และการกำจัดโลหะมีค่าออกจากขั้วไฟฟ้า ซึ่งทำให้ต้นทุนของสแต็กลดลงอย่างมาก

ต้นทุนเฉลี่ยต่อหน่วยของไฮโดรเจน (LCOH) คืออะไร

ต้นทุนเฉลี่ยต่อหน่วยของไฮโดรเจนคือมาตรการวัดในหน่วยดอลลาร์ต่อกิโลกรัม H2 ที่รวมปัจจัยต่างๆ เช่น ต้นทุนการลงทุน การบริโภคพลังงาน ประสิทธิภาพในการดำเนินงาน และอายุการใช้งาน เพื่อประเมินความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจของเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจน