เครื่องแยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบ PEM ทำให้เกิดประสิทธิภาพระบบสูงเมื่อใช้ร่วมกับพลังงานหมุนเวียนได้อย่างไร

ประสิทธิภาพตามแรงดันไฟฟ้า, kWh/กก. H₂, และสมรรถนะจริงตามค่า LHV ภายใต้การจ่ายไฟที่ไม่ต่อเนื่อง

อิเล็กโทรไลเซอร์แบบไดอะแฟร์มแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) สามารถแปลงไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนเป็นไฮโดรเจนอย่างมีประสิทธิภาพ โดยทั่วมักมีประสิทธิภาพของระบบอยู่ที่ประมาณ 60 ถึง 80% เมื่อวัดเทียบกับค่า Lower Heating Value ของไฮโดรเจน การทดสอบในสภาพจริงที่ทำปีที่ผ่านมาแสดงว่าระบบนี้ยังสามารถรักษาประสิทธิภาพที่ประมาณ 70% แม้เมื่อต้องจัดการกับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานจากแผงโซลาร์เซลล์และกังหันลม แปลเป็นการใช้พลังไฟฟ้าประมาณ 48 ถึง 52 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อการผลิตไฮโดรเจน 1 กิโลกรัม สิ่งที่ทำให้ระบบ PEM โดดเด่นคือความสามารถในการตอบสนองอย่างรวดเร็วต่อการเปลี่ยนแปลงของแหล่งจ่ายไฟ ทำให้สามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับแหล่งพลังงานหมุนเวียนโดยไม่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรีสำรอง เพียบเทียบกับระบบที่เก่ากว่าซึ่งเป็นแบบอัลคาไลน์ หน่วย PEM สามารถจัดการกับการเปลี่ยนแปลงภาระงานที่เกิดทันทันได้ดีกว่าอย่างชัดเจน โดยสามารถเพิ่มจากศูนย์ถึงความจุเต็มในเวลาต่ำกว่าห้าวินาทีโดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพมาก ประสบการณ์จากการติดตั้งในสถานที่จริงแสดงว่าประสิทธิภาพลดลงเพียงประมาณ 3 ถึง 5% เมื่อมีการเปลี่ยนแปลงของกำลังไฟฟ้าขาเข้าอยู่ที่ 30% ประสิทธิภาพในระดับนี้บ่งชี้ว่าเทคโนโลยี PEM พร้อมสำหรับการใช้งานในระดับจริงร่วมกับโครงสร้างพื้นฐานพลังงานหมุนเวียนที่กำลังเติบโต

ตัวชี้วัดการดำเนินงานที่สำคัญ: การควบคุมความชื้นของเมมเบรน การควบคุมอุณหภูมิ และการเพิ่สิทธิ์ของตัวเร่งปฏิกิริยา

มีสามปัจจัยที่มีความพึ่งพาร่วมกัน ควบคุมประสิทธิภาพสูงสุดของเซลล์เพม (PEM) ภายใต้แหล่งจ่ายพลังงานหมุนเวียนที่แปรผัน:

• การควบคุมความชื้นของเมมเบรน: การรักษาความชื้นสัมพัทธ์ที่ 80–95% เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อรักษาการนำไฟฟ้าของโปรตอน การทำงานในสภาวะแห้งจะเพิ่มความต้านทานแบบโอหมิกสูงถึง 40% ในขณะที่การอุ้มน้ำจะขัดขวางการเข้าถึงตัวเร่งปฏิกิริยาและการลำเลียงก๊าซ
• การควบคุมอุณหภูมิ: การดำเนินงานของสแต็กในช่วงอุณหภูมิ 60–80°C จะสร้างสมดุลที่เหมาะสมระหว่างอัตราการเกิดปฏิกิริยาและความทนทานของเมมเบรน ทุกการเพิ่มอุณหภูมิ 10°C จะเพิ่มประสิทธิภาพประมาณ 1.5% แต่จะเร่งการบางของเมมเบรนขึ้น 15% ซึ่งต้องการการจัดการความร้อนที่แม่นยำ
• การเพิ่สิทธิ์ของตัวเร่งปฏิกิริยา: การใช้ชั้นแพลตินัมบางสุด (0.1–0.3 mg/cm²) ที่เคลือบบนชั้นวัสดุลำเลียงแบบพรุนที่ทำจากไทเทเนียม สามารถลดแรงดันเกินของการเร่งปฏิกิริยา 30% เมื่ีเทียบกับการออกแบบทั่วทั่ว ทำให้เพิ่มประสิทธิภาพแรงดันไฟฟ้าและยืดอายุการใช้งานโดยตรง

อิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM และพลังงานหมุนเวียนที่ไม่ต่อเนื่อง: การจับคู่ทางเทคนิคที่เป็นธรรมชาติ

การตอบสนองแบบไดนามิกในระดับต่ำกว่าหนึ่งวินาที ทำให้สามารถเชื่อมต่อโดยตรงที่จุดสิ้นสุดของโครงข่ายไฟฟ้ากับพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมได้

เครื่องแยกไฟฟ้าด้วยพลังงานไฟฟ้าแบบ PEM สามารถทำความเร็วในการตอบสนองต่ำกว่า 500 มิลลิวินาที ซึ่งหมายความว่าสามารถปรับตัวได้เกือบจะในทันทีต่อการเปลี่ยนแปลงของแสงแดดหรือความผันผวนของลมอย่างฉับพลัน ระบบเหล่านี้มีความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่ดี และทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่า จึงทำให้มีสมรรถนะคงที่แม้ในช่วงที่มีการเปลี่ยนแปลงภาระงานบ่อยครั้ง ความเสถียรนี้ช่วยลดความจำเป็นในการใช้โซลูชันการจัดเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่ที่มีราคาแพง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในพื้นที่จำกัดหรือสถานที่ห่างไกล เช่น การติดตั้งนอกชายฝั่งหรือพื้นที่ผลิตในเมืองที่มีพื้นที่จำกัด ระบบควบคุมภายในอุปกรณ์เหล่านี้จะปรับค่าต่างๆ อย่างต่อเนื่อง เช่น ระดับแรงดัน อัตราการไหลของน้ำ และปริมาณความชื้นในอากาศ เพื่อป้องกันการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าอย่างอันตราย และรักษาสัดส่วนทางเคมีให้อยู่ในภาวะสมดุลระหว่างช่วงเวลาที่ไม่เสถียร เนื่องจากความสามารถในการตอบสนองอย่างรวดเร็วนี้ เทคโนโลยี PEM จึงโดดเด่นเป็นพิเศษในการผลิตไฮโดรเจนจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนในสถานที่ขนาดเล็กและกระจายตัวทั่วเครือข่ายพลังงาน

การตรวจสอบภาคสนาม: บทเรียนจากโครงการรวมพลังลมกับอิเล็กโทรไลเซอร์ PEM ขนาด 1.25 เมกะวัตต์ในภาคเหนือของเยอรมนี

โครงการสาธิตขนาด 1.25 เมกะวัตต์ในภาคเหนือของเยอรมนีสามารถใช้พลังงานหมุนเวียนได้ถึง 91% แม้มีความผันผวนของพลังงานลมสูงถึง 40% — แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ในระดับเชิงพาณิชย์ ข้อค้นพบที่สำคัญในการดำเนินงาน ได้แก่:

• การปรับแต่งตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างเหมาะสม ลดการเสื่อมสภาพลงได้ 63% ระหว่างช่วงการทำงานแบบไซเคิล 15 นาที
• โปรโตคอลการควบคุมความชื้นของเมมเบรนแบบปรับตัว สามารถรักษาระดับความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนไว้มากกว่า 98% ภายใต้การเปลี่ยนแปลงความถี่ 0.3 เฮิรตซ์
• การควบคุมอุณหภูมิอย่างแม่นยำ ลดความเครียดจากความร้อนลงได้ 52% ในระหว่างการปิดระบบอย่างรวดเร็ว
  ตลอดระยะเวลาการดำเนินงานมากกว่า 4,200 ชั่วโมง ระบบสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องที่ระดับ 54.3 กิโลวัตต์-ชั่วโมง/กิโลกรัม H₂ (LHV) ยืนยันถึงความทนทานของเทคโนโลยี PEM ภายใต้สภาวะใช้งานจริงที่มีความไม่สม่ำเสมอ

ความท้าทายด้านความทนทานและกลยุทธ์การบรรเทาสำหรับการดำเนินงานอิเล็กโทรไลเซอร์ PEM

การเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนดและการบางตัวของเมมเบรนระหว่างการเปลี่ยนแปลงภาระงาน: หลักฐานจากกว่า 20,000 รอบไซเคิล

การหมุนเวียนภาระซ้ํา ๆ เร่งกลไกการทําลายหลักสองอย่าง: การละลายตัวเร่งแอนอด (ผ่านการบดตัวของอนุภาคอิริดีอุมและการกัดสนอง) และการลดผิวหนังทางกลไกในผิวหนังกรด perfluorosulfonic (PF การทดสอบระยะยาวใน 20,000+ วงจรภายใต้ความสับสนเหมือนพลังงานที่สามารถปรับปรุงได้ พบว่าการสูญเสียผลประกอบการต่อปีมากกว่า 2.4% กลยุทธ์ลดความเสื่อมที่พิสูจน์ได้แก่

• สถาปัตยกรรมตัวเร่งที่พัฒนา เช่นโครงสร้างแกนกระดาษของไอริดีอุมออกไซด์/รูเทนียมไดออกไซด์ ซึ่งลดการบรรทุกโลหะเกียรติยศลงถึง 40% โดยยังคงกิจกรรมกระตุ้น
• ผนังเสริม , รวมกระดูกสันหลังฮิดรอคาร์บอนและซิรคอนิโอฟอสเฟตนาโนอนุภาค ลดอัตราการปล่อยไอออนฟลออไรด์ถึง 68%
• โปรโตเกลปฏิบัติการแบบไดนามิก รวมถึงการปรับปรุงความชื้นในช่วงเวลาที่มีภาระที่ต่ํา ซึ่งลดอัตราการทําลายผิวหนัง 30% ในการทดสอบการรับรอง
  รวมกันแล้ว ความก้าวหน้าเหล่านี้ขยายอายุการใช้งานของสเต็กที่ได้รับการรับรองเกิน 60,000 ชั่วโมง โดยยังคงประสิทธิภาพของ LHV > 75%

ข้อได้เปรียบในการดำเนินงานหลักที่กำหนดคุณค่าของเพมิเลคโทรไลเซอร์ในแอปพลิเคชัน B2B

อิเล็กโทรไลเซอร์แบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) มีข้อได้เปรียบอย่างมากในการผลิตไฮโดรเจนสำหรับภาคอุตสาหกรรม โดยสามารถตอบสนองได้เกือบทันที ซึ่งหมายความว่าสามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับแผงโซลาร์เซลล์และกังหันลมที่ปลายทางของระบบกริดไฟฟ้าได้ การจัดตั้งเช่นนี้ช่วยลดความจำเป็นในการใช้ถังเก็บพิเศษ และทำให้สถานประกอบการสามารถซื้อไฟฟ้าในช่วงเวลาที่ราคาต่ำที่สุด โรงงานที่ใช้ประโยชน์จากความยืดหยุ่นประเภทนี้สามารถประหยัดค่าพลังงานได้ประมาณ 28% เมื่อเทียบกับโรงงานที่ต้องเผชิญกับภาระงานคงที่ การทำงานของหน่วยเหล่านี้ที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสูง (มากกว่า 2 แอมป์ต่อตารางเซนติเมตร) ช่วยให้ดำเนินการได้อย่างมีประสิทธิภาพแม้ความต้องการจะเปลี่ยนแปลงไป และยังคงรักษาระดับความบริสุทธิ์ของไฮโดรเจนไว้ได้มากกว่า 99.99% ตลอดรอบการทำงานที่เริ่ม-หยุดหลายครั้ง คุณภาพระดับนี้สอดคล้องกับมาตรฐานเข้มงวดที่ต้องใช้ในงานต่างๆ เช่น เซลล์เชื้อเพลิงสำหรับยานพาหนะและการผลิตซิลิคอนสะอาด นอกจากนี้การออกแบบที่กะทัดรัดยังเหมาะกับพื้นที่จำกัด เช่น แท่นขุดเจาะน้ำมันนอกชายฝั่งหรือโรงงานในเขตเมืองที่มีพื้นที่จำกัด ส่วนประกอบที่ได้มาตรฐานยังทำให้บริษัทสามารถขยายกำลังการผลิตได้ง่ายตามการเติบโตของแหล่งพลังงานหมุนเวียนในระยะยาว ปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยี PEM จะกลายเป็นหัวใจสำคัญในการสร้างเครือข่ายไฮโดรเจนที่แข็งแกร่งและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับอุตสาหกรรมหลักต่างๆ

คำถามที่พบบ่อย

• ช่วงประสิทธิภาพของอิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM อยู่ที่เท่าใด
  อิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM โดยทั่วไปมีประสิทธิภาพประมาณ 60 ถึง 80% ในการแปลงพลังงานไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนเป็นไฮโดรเจน โดยอ้างอิงจากค่าความร้อนต่ำ (LHV) ของไฮโดรเจน
• อิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM จัดการกับการเปลี่ยนแปลงของแหล่งจ่ายไฟอย่างไร
  อิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงได้อย่างรวดเร็ว สามารถเพิ่มจากศูนย์ไปยังกำลังการผลิตเต็มภายในเวลาไม่ถึงห้าวินาที โดยไม่สูญเสียประสิทธิภาพอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้เหมาะสมต่อการเชื่อมต่อโดยตรงกับแหล่งพลังงานหมุนเวียน เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม
• ปัญหาการดำเนินงานหลักสำหรับอิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM คืออะไร
  ปัญหาหลัก ได้แก่ การเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาแอโนดและการบางตัวของเมมเบรนระหว่างการเปลี่ยนแปลงภาระงาน ซึ่งใช้การออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาขั้นสูงและเมมเบรนเสริมแรงเพื่อบรรเทาปัญหาเหล่านี้
• เหตุใดอิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM จึงได้รับความนิยมสำหรับแหล่งพลังงานที่ไม่สม่ำเสมอ
  อิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM มีเวลาตอบสนองที่รวดเร็ว และสามารถปรับตัวได้อย่างมีประสิทธิภาพต่อการเปลี่ยนแปลงของแหล่งพลังงานที่ไม่สม่ำเสมอ โดยไม่จำเป็นต้องใช้โซลูชันการจัดเก็บเพิ่มเติม
• ความก้าวหน้าอะไรที่ช่วยยืดอายุของอิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM?
  สถาปัตย์ตัวเร่งปฏิกิริยาขั้นสูง, เมมเบรนที่เสริมความแข็งแรง, และโปรโตคอลการดำเนินงานแบบไดนามิก ได้ถูกพัฒนาเพื่อยืดอายุของอิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM และรักษาประสิทธิภาพ