เข้าใจเทคโนโลยีหลักและนวัตกรรมของอิเล็กโทรไลเซอร์ AEM hyto

การกำเนิดอิเล็กโทรไลเซอร์ AEM hyto รุ่นที่สาม

เครื่องแยกน้ำแบบ AEM หรือ Anion Exchange Membrane ถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญในเทคโนโลยีการแยกน้ำ โดยมีลักษณะอยู่ระหว่างระบบอิเล็กโทรไลซิสแบบด่าง (alkaline) รุ่นเก่า กับเทคโนโลยีแบบใหม่อย่าง PEM หรือ Proton Exchange Membrane แม้เครื่องรุ่น PEM จะต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำจากแพลตินัมซึ่งมีราคาสูง แต่เครื่อง AEM รุ่น hyto ทำงานแตกต่างออกไป โดยการเคลื่อนย้ายไอออนไฮดรอกไซด์ผ่านเยื่อหุ้นพิเศษ ข้อมูลจากอุตสาหกรรมในปี 2023 แสดงให้เห็นว่า เครื่องเหล่านี้สามารถให้ประสิทธิภาพสูงถึง 75 ถึง 85 เปอร์เซ็นต์ ในขณะที่อุณหภูมิในการทำงานจะต่ำกว่าระบบที่เป็นด่างแบบดั้งเดิมมาก โดยจะอยู่ระหว่าง 40 ถึง 80 องศาเซลเซียส ความต้องการอุณหภูมิที่ต่ำกว่านี้ ทำให้มันน่าสนใจสำหรับบางการใช้งานที่ต้องควบคุมอุณหภูมิอย่างมีประสิทธิภาพ

หลักการทำงานของเครื่องแยกน้ำแบบ AEM เมื่อเทียบกับระบบอิเล็กโทรไลซิสแบบด่างดั้งเดิม

แม้ว่าทั้งสองเทคโนโลยีจะใช้สารอิเล็กโทรไลต์ชนิดอัลคาไลน์ แต่ระบบ AEM จะใช้เมมเบรนโพลีเมอร์แข็งในการแยกขั้วไฟฟ้าแทนการใช้สารอิเล็กโทรไลต์ในสถานะของเหลว การออกแบบเช่นนี้ช่วยกำจัดสารละลายโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ที่กัดกร่อน ลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาลงได้ถึง 30% ในขณะที่ยังสามารถผลิตก๊าซที่มีความบริสุทธิ์สูง (ไฮโดรเจน 99.99%)

การใช้สารเร่งปฏิกิริยาจากโลหะที่ไม่ใช่โลหะมีค่าในระบบอิเล็กโทรไลเซอร์ AEM ของ hyto

นวัตกรรมของ hyto อยู่ที่การแทนที่โลหะมีค่าอย่างอิริเดียมด้วยสารเร่งปฏิกิริยาแบบนิกเกิล-ไอรอน การศึกษาล่าสุดแสดงให้เห็นว่าทางเลือกนี้สามารถให้ประสิทธิภาพใกล้เคียงกันได้ (ลดลงไม่ถึง 10%) ด้วยต้นทุนวัสดุที่ต่ำลงถึง 95% ซึ่งช่วยแก้ปัญหาหนึ่งในข้อจำกัดทางเศรษฐกิจหลักของเทคโนโลยี PEM

การออกแบบ Zero-Gap Configuration ใน AEM ของ hyto และผลกระทบต่อประสิทธิภาพ

สถาปัตยกรรมเซลล์แบบ zero-gap ช่วยลดความต้านทานไอออนิกระหว่างอิเล็กโทรด ทำให้ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 15% เมื่อเทียบกับชุดเซลล์แบบอัลคาไลน์ทั่วไป การวิเคราะห์จาก TechBriefs ในปี 2023 ยืนยันว่าโครงสร้างนี้สามารถลดการสูญเสียพลังงานลงถึง 3.9 kWh/Nm³ ซึ่งเข้าใกล้ระดับประสิทธิภาพของ PEM โดยไม่ต้องเผชิญกับต้นทุนวัสดุที่สูงตามมา

แนวทางแบบผสมผสานนี้รวมเอาโครงสร้างต้นทุนของอัลคาไลน์เข้ากับความสามารถในการขยายตัวของ PEM ทำให้ hyto AEM เป็นทางเลือกที่เป็นไปได้สำหรับโครงการผลิตไฮโดรเจนจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนในวงกว้าง

การวิเคราะห์เปรียบเทียบ: เทคโนโลยี hyto AEM กับ เทคโนโลยีอิเล็กโทรไลเซอร์ PEM

ข้อแตกต่างระหว่างอิเล็กโทรไลเซอร์ AEM และ PEM ในด้านการออกแบบและการปฏิบัติการ

อิเล็กโทรไลเซอร์ไฮโต้แบบ AEM มีการทำงานที่แตกต่างจากระบบ PEM อย่างสิ้นเชิง โดยเฉพาะในแง่ของการออกแบบและการดำเนินการ แบบจำลอง PEM มักพึ่งพาแผ่นเมมเบรนกรดที่นำโปรตอน รวมถึงสารเร่งปฏิกิริยาจากกลุ่มพลาตินัมที่มีราคาแพง ในทางกลับกัน เทคโนโลยี AEM ใช้แผ่นเมมเบรนสำหรับแลกเปลี่ยนอนไอออนที่ทนต่อสภาพด่างเป็นพิเศษ ซึ่งจะเคลื่อนย้ายไอออนไฮดรอกไซด์แทน ด้วยความแตกต่างขั้นพื้นฐานนี้ ทำให้หน่วย AEM ของไฮโต้สามารถใช้วัสดุที่มีราคาถูกกว่า เช่น นิกเกิลเป็นสารเร่งปฏิกิริยา แทนที่จะต้องพึ่งพาโลหะมีค่าที่มีราคาแพงมาก สำหรับบริษัทที่เปลี่ยนจากระบบ PEM ค่าใช้จ่ายด้านวัสดุลดลงประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ เราได้จัดทำตารางเปรียบเทียบไว้ตรงนี้เพื่อแสดงให้เห็นถึงความแตกต่างหลักๆ ระหว่างสองวิธีการนี้

ความเข้ากันได้ของวัสดุในระบบอิเล็กโทรไลเซอร์ hyto AEM เทียบกับ PEM

อิเล็กโทรไลเซอร์ hyto AEM สามารถทำงานร่วมกับชิ้นส่วนสแตนเลสเหล็กกล้าราคาถูกได้ดี เนื่องจากสภาพแวดล้อมในการทำงานเป็นแบบด่าง ในขณะที่ระบบ PEM จำเป็นต้องใช้ไทเทเนียมที่มีราคาแพงกว่า แทนที่เหล็กธรรมดา เนื่องจากสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดจะกัดกร่อนวัสดุทั่วไปให้เสียหาย เพียงแค่ความแตกต่างของวัสดุเท่านั้น ก็สามารถช่วยประหยัดต้นทุนได้ประมาณ 150 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ เมื่อติดตั้งระบบขนาดกลาง อีกหนึ่งข้อได้เปรียบสำคัญของเทคโนโลยี AEM คือ ไม่ต้องพึ่งพาโลหะกลุ่มแพลตินัมหายากเหมือนที่ PEM ต้องใช้ โลหะมีค่าเหล่านี้สร้างปัญหาสารพัดในห่วงโซ่อุปทาน ซึ่งเป็นสิ่งที่ผู้ผลิตต้องการหลีกเลี่ยงอย่างมากในปัจจุบัน เนื่องจากตลาดโลกมีความไม่แน่นอนเพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ

การเปรียบเทียบความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าและความมีประสิทธิภาพระหว่าง hyto AEM และ PEM

แม้ว่าอิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM จะมีความหนาแน่นกระแสสูงกว่า (2–3 A/cm²) เนื่องจากความสามารถในการนำโปรตอนที่ดีกว่า แต่ระบบ AEM ของ hyto ได้ลดช่องว่างนี้จนสามารถทำได้ 1.5–2 A/cm² โดยใช้โครงสร้างแบบ zero-gap รุ่นที่สาม สำหรับประสิทธิภาพการใช้พลังงานนั้น PEM มีประสิทธิภาพสูงกว่า (74–82%) เมื่อเทียบกับ AEM (68–76%) แม้ว่าการผสานอิโอโนเมอร์ที่ได้รับการปรับปรุงของ hyto จะสามารถลดความแตกต่างนี้ให้น้อยกว่า 5% ในการทดสอบภาคสนามล่าสุด

ความทนทานและความเสถียรของเมมเบรน: AEM เทียบกับ PEM อิเล็กโทรไลเซอร์

เมมเบรนแบบ PEM มีอายุการใช้งานยาวนานกว่า (~60,000 ชั่วโมง) เมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบ AEM รุ่นแรก (~30,000 ชั่วโมง) อย่างไรก็ตาม โครงสร้างเมมเบรนที่ได้รับการเสริมของ hyto ได้เพิ่มความทนทานของ AEM ให้ยาวนานถึง 45,000 ชั่วโมงจากการทดสอบเร่งการเสื่อมสภาพ อัตราการเสื่อมสภาพปัจจุบันเทียบเท่ากับ PEM (±3 µV/ชั่วโมง) ภายใต้แหล่งพลังงานจากพลังงานหมุนเวียนที่จ่ายแบบไม่ต่อเนื่อง

สมรรถนะ ประสิทธิภาพ และการประยุกต์ใช้งานจริงของอิเล็กโทรไลเซอร์ AEM ของ hyto

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานและการใช้พลังงานเฉพาะในกระบวนการอิเล็กโทรลิซิสแบบ AEM ของ hyto

อิเล็กโทรไลเซอร์ AEM ของ Hyto สามารถลดการใช้พลังงานเฉพาะตัวลงมาอยู่ระหว่าง 4.8 ถึง 5.4 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อ Nm³ เมื่อผลิตไฮโดรเจน ซึ่งหมายถึงประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับระบบด่าง (alkaline) แบบดั้งเดิม สิ่งที่ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้คือการออกแบบเซลล์แบบ zero gap ที่ช่วยลดความต้านทานของไอออนอย่างมาก ด้วยเหตุนี้ เซลล์เหล่านี้จึงสามารถทำงานในช่วงแรงดัน 1.8 ถึง 2.2 โวลต์ต่อเซลล์ ขณะยังคงรักษาระดับประสิทธิภาพไว้ระหว่าง 75 ถึง 80 เปอร์เซ็นต์ เมื่อทุกอย่างทำงานได้อย่างเหมาะสม อะไรคือสาเหตุที่ทำให้เกิดสมรรถนะที่ดีเช่นนี้? คำตอบคือ การนำไฟฟ้าของเมมเบรนที่ดีขึ้น รวมถึงชั้นกระจายก๊าซที่พัฒนาแล้ว ซึ่งช่วยลดการสูญเสียแรงดันลงได้ราว 30 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับเทคโนโลยี AEM รุ่นแรกๆ

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพระหว่างเทคโนโลยีอิเล็กโทรไลเซอร์ AEM, PEM และ Alkaline

• ประสิทธิภาพ AEM : 73–78% (LHV) ที่อุณหภูมิ 70°C โดยมีสมดุลระหว่างความคุ้มค่าของระบบด่างกับการตอบสนองที่คล่องตัวของระบบ PEM
• ประสิทธิภาพ PEM : 75–82% (LHV) แต่ต้องการตัวเร่งปฏิกิริยาสูงกว่า 2–5 เท่า (2–3 มก./ซม.² อิริเดียม เทียบกับ 0.5 มก./ซม.² นิกเกิลใน AEM)
• ประสิทธิภาพแบบอัลคาไลน์ : 60–70% (LHV) พร้อมอัตราส่วนลดการผลิตที่จำกัด (30% เทียบกับ 10–100% ของ AEM)

กรณีศึกษา: ประสิทธิภาพการทำงานจริงของติดตั้ง AEM ของ hyto

การติดตั้ง AEM ของ hyto ขนาด 10 เมกะวัตต์ ที่บริเวณอุตสาหกรรมไรน์แลนด์ในประเทศเยอรมนี แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการทำงานที่ระดับ 78% ในการทำงานต่อเนื่องเป็นเวลา 8,760 ชั่วโมง (ข้อมูลปี 2023) ความสำเร็จหลักๆ ได้แก่

• มีแฟคเตอร์กำลังการผลิต (Capacity Factor) ที่ระดับ 94% เมื่อเชื่อมต่อกับระบบโซลาร์เซลล์แบบ PV
• <0.5% การสูญเสียประสิทธิภาพภายใน 6,000 ชั่วโมง
• การใช้พลังงานเฉพาะที่ระดับ 2.3 กิโลกรัม H₂/กิโลวัตต์-ชั่วโมง ภายใต้ภาระงานมาตรฐาน

ระบบสามารถรักษาระดับความบริสุทธิ์ของออกซิเจนให้อยู่ในระดับ <10 ppm โดยไม่ต้องเพิ่มขั้นตอนการแยกเพิ่มเติม ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าระบบอัลคาไลน์แบบอื่นๆ ขณะเดียวกันยังใช้สารละลายอิเล็กโทรไลต์โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์น้อยกว่าการออกแบบแบบดั้งเดิมถึง 40%

ประสิทธิภาพด้านต้นทุนและความได้เปรียบทางเศรษฐกิจของเทคโนโลยีอิเล็กโทรไลเซอร์ hyto AEM

อิเล็กโทรไลเซอร์ hyto AEM มีความได้เปรียบด้านต้นทุนที่ชัดเจนเมื่อเทียบกับระบบ PEM และระบบอัลคาไลน์ ผ่านปัจจัยทางเศรษฐกิจหลักสามประการ

การเปรียบเทียบต้นทุนของเครื่องแยกน้ำแบบ AEM, PEM และแบบอัลคาไลน์

เครื่องแยกน้ำแบบ AEM ช่วยลดต้นทุนการลงทุนได้ 30–40% เมื่อเทียบกับระบบ PEM ซึ่งต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาจากโลหะกลุ่มแพลตินัม ในขณะที่ระบบอัลคาไลน์มีค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานสูงกว่า เนื่องจากต้องจัดการสารละลายอิเล็กโทรไลต์ในสถานะของเหลว ขณะที่ระบบ AEM ไม่มีค่าใช้จ่ายเหล่านี้เพราะใช้เมมเบรนแบบโพลิเมอร์แข็ง

การลดลงของค่าใช้จ่ายในการลงทุนผ่านการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่โลหะมีค่า

ด้วยการแทนที่ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตินัมในระบบ PEM ด้วยสารประกอบนิกเกิล-ไอรอน hyto AEM เทคโนโลยีช่วยลดต้นทุนวัสดุลงได้ถึง 60% นวัตกรรมนี้ทำให้สามารถผลิตสแต็คได้ในราคา 450 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ เทียบกับระบบ PEM ที่ราคา 800–1,200 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ (Clean Hydrogen Partnership 2023)

การประหยัดต้นทุนในการดำเนินงานระยะยาวในระบบ hyto AEM

การออกแบบเซลล์แบบ zero-gap ช่วยลดการสูญเสียพลังงานลง 12–15% เมื่อเทียบกับระบบอัลคาไลน์ ซึ่งเทียบเท่ากับประหยัดได้ 18,000 ดอลลาร์ต่อปีต่อความจุ 1 เมกะวัตต์ แมมเบรนชนิด anion-exchange ที่ทนทานของ AEM จำเป็นต้องเปลี่ยนทุก 8–10 ปี เมื่อเทียบกับอายุการใช้งานของ PEM ที่ 5–7 ปี ช่วยลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาได้มากขึ้น

ระดับความพร้อมทางเทคโนโลยีและการนำไปใช้ในตลาดของอิเล็กโทรไลเซอร์ hyto AEM

ระดับความพร้อมทางเทคโนโลยี (TRL) ของอิเล็กโทรไลเซอร์ AEM ในปี 2024

เมื่อเข้าสู่ปี 2024 เรารู้สึกว่าอิเล็กโทรไลเซอร์ AEM ของ Hyto อยู่ที่ระดับ TRL 7 ถึง 8 ซึ่งหมายความว่ามันผ่านขั้นตอนการทดสอบไปแล้ว และกำลังจะพร้อมใช้งานจริงในอนาคตอันใกล้ มีการพัฒนาที่น่าสนใจในด้านการออกแบบระบบแบบ zero gap และตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่จำเป็นต้องใช้โลหะมีค่า ทำให้ระบบนี้มีคุณสมบัติที่น่าประทับใจ สามารถทำงานที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า 2.5 แอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตร และยังคงประสิทธิภาพไว้ที่ประมาณ 75% แม้ในขณะที่ไม่ได้ทำงานที่ความจุสูงสุด ประสิทธิภาพในระดับนี้มีความสำคัญมากเมื่อต้องนำมาใช้งานร่วมกับแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่มีความไม่สม่ำเสมอในการผลิตไฟฟ้า เมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีอื่นๆ ระบบที่ใช้เทคโนโลยีอัลคาไลน์อยู่ที่ระดับ TRL 9 ส่วนอิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM อยู่ระหว่าง TRL 8 ถึง 9 สิ่งที่ทำให้ AEM น่าสนใจคือการผสมผสานวัสดุที่มีราคาประหยัดกับความสามารถในการตอบสนองที่รวดเร็ว นอกจากนี้ ต้นแบบที่ใช้ในอุตสาหกรรมยังสามารถทำงานต่อเนื่องมาแล้วมากกว่า 4,000 ชั่วโมงโดยไม่มีปัญหาใหญ่ ซึ่งเป็นเครื่องยืนยันถึงความน่าเชื่อถือของระบบ

แนวโน้มการนำเทคโนโลยี Hyto AEM ไปใช้ในอุตสาหกรรม: จุดเด่นของ AEM เมื่อเทียบกับ PEM และอัลคาไลน์

เทคโนโลยีอิเล็กโทรไลเซอร์ Hyto AEM กำลังได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้นสำหรับการผลิตไฮโดรเจนแบบกระจายศูนย์ โดยเฉพาะในพื้นที่ที่แหล่งพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์มีความผันผวนตลอดทั้งวัน ระบบเหล่านี้มีความแตกต่างจากเทคโนโลยี PEM ที่ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตินัมที่มีราคาแพง ซึ่งจากรายงานของ NREL เมื่อปีที่แล้วระบุว่ามีค่าใช้จ่ายประมาณ 840 ดอลลาร์สหรัฐต่อกิโลวัตต์ หรืออิเล็กโทรลิซิสแบบดั้งเดิมที่ต้องการให้ดำเนินการอย่างสม่ำเสมอที่ระดับ 70 ถึง 100% ของกำลังการผลิตตลอดเวลา สิ่งที่ทำให้ Hyto AEM มีความพิเศษคือการลดค่าใช้จ่ายโครงสร้างพื้นฐานของโรงงานลงได้ประมาณ 30% ด้วยแนวทางที่เรียบง่ายในการจัดการสารอิเล็กโทรไลต์ในสถานะของเหลว บริษัทบางแห่งที่นำเทคโนโลยีนี้ไปใช้จริง ได้เห็นต้นทุนการผลิตไฮโดรเจนลดลงประมาณ 22% เมื่อเทียบกับระบบอิเล็กโทรลิซิสแบบดั้งเดิม เมื่อเชื่อมโยงกับการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์หรือพลังงานลมที่เกินความต้องการในช่วงเวลาที่ผลิตได้มากที่สุด ความเป็นโมดูลาร์ของหน่วยเหล่านี้ช่วยให้สามารถติดตั้งระบบตั้งแต่ขนาด 1 เมกะวัตต์ ไปจนถึง 5 เมกะวัตต์ ซึ่งมีความยืดหยุ่นสูงมาก ในโครงการต่าง ๆ ภายใต้แนวคิด "Hydrogen Valley" ทั่วทั้งยุโรป ปัจจุบัน Hyto AEM มีส่วนแบ่งในสัญญาจัดซื้ออิเล็กโทรไลเซอร์ใหม่ที่เพิ่งได้รับมอบหมายเกือบ 18% ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าแบบ PEM ในสถานการณ์ที่จำเป็นต้องปรับระดับการผลิตอยู่บ่อยครั้งระหว่าง 10% ถึง 150% ของระดับการดำเนินงานปกติ

คำถามที่พบบ่อย

AEM Electrolyzer คืออะไร?

อีเล็กโทรไลเซอร์ AEM หรือ Anion Exchange Membrane Electrolyzer เป็นเทคโนโลยีที่ผลิตไฮโดรเจนโดยใช้เมมเบรนโพลิเมอร์แข็งเพื่อช่วยในการแยกน้ำ มีคุณสมบัติเด่นที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ไม่ใช่โลหะมีค่าและทำงานได้มีประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำ

อีเล็กโทรไลเซอร์ AEM ของ Hyto เปรียบเทียบกับอีเล็กโทรไลเซอร์ PEM อย่างไร

อีเล็กโทรไลเซอร์ Hyto AEM แตกต่างจากอีเล็กโทรไลเซอร์ PEM ตรงที่ใช้วัสดุที่มีราคาถูกกว่า เช่น นิกเกิล และพึ่งพาเมมเบรนที่นำไอออนไฮดรอกไซด์ ซึ่งให้กระบวนการผลิตไฮโดรเจนที่มีประสิทธิภาพและประหยัดต้นทุน แม้จะมีประสิทธิภาพการใช้พลังงานต่ำกว่าระบบ PEM อยู่เล็กน้อย

ข้อดีของการใช้อีเล็กโทรไลเซอร์ Hyto AEM คืออะไร

อีเล็กโทรไลเซอร์ Hyto AEM มีข้อดี เช่น ลดต้นทุนการลงทุนและการดำเนินงาน ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาต่ำลง และสามารถผลิตไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพ มีความบริสุทธิ์ของก๊าซสูงและลดการสูญเสียพลังงาน ทำให้เหมาะสำหรับโครงการพลังงานหมุนเวียน

ระดับความพร้อมด้านเทคโนโลยี (TRL) ของอิเล็กโทรไลเซอร์ hyto AEM อยู่ที่ระดับใด

ณ ปี 2024 อิเล็กโทรไลเซอร์ hyto AEM อยู่ในระดับ TRL 7 ถึง 8 ซึ่งแสดงว่าเป็นต้นแบบขั้นสูงที่ใกล้ถึงการนำไปใช้เชิงพาณิชย์ในขนาดเต็มรูปแบบ พร้อมทั้งมีความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพที่ได้รับการพิสูจน์แล้วในการใช้งานจริง