Чому лужні електролізери краще працюють із водою низької чистоти

Наукове пояснення стійкості до лугів: роль гідроксид-іонів (OH–)

Лужні електролізери працюють за рахунок використання гідроксид-іонів OH⁻ у своїх рідких електролітах, зазвичай це розчин калій гідроксиду або натрію гідроксиду концентрацією близько 20–30 відсотків. Це створює середовище з високим рівнем pH, що сприяє нейтралізації небезпечних кислотних домішок, таких як хлориди та сульфати, які часто містяться у багатьох джерелах води. Хімічний склад надає таким системам природної стійкості до домішок, тому їм не потрібна надзвичайно чиста вода, необхідна для PEM-систем. І всі ми знаємо, що PEM-системи схильні до отруєння каталізатора різними забруднювачами. Останній звіт Ради з водню (Hydrogen Council) за 2024 рік показав цікавий факт: іони OH⁻ підвищують іонну провідність приблизно в 1,7 рази порівняно з нормальними умовами. Це означає, що система може ефективно працювати навіть за наявності розчинених твердих речовин у концентраціях до 500 частин на мільйон, що робить її досить універсальною для різних умов експлуатації.

Як рідкі електроліти знешкоджують поширені домішки

Циркулюючий лужний електроліт діє як динамічний буфер домішок:

• Йони важких металів випадають у вигляді нерозчинних гідроксидів, мінімізуючи забруднення електродів
• Підвішені частинки затримуються всередині матриці електроліту замість того, щоб забивати критичні компоненти
• Гідрокарбонатні йони розкладаються на CO₂ та воду в лужному середовищі, запобігаючи проблемам переносу газу

Випробування показали, що лужні системи зберігають ефективність на рівні 92% при використанні води з вмістом 100 ppm діоксиду кремнію, тоді як продуктивність PEM-систем знижується на 18% за однакових умов. Ця стійкість змусила Глобальний консорціум електролізерів рекомендувати лужну технологію для використання в солонуватих або низькоякісних джерелах води.

Приклад із життя: виробництво водню з річкової води в пілотних проектах

У 2023 році в Східній Південно-Східній Азії успішно реалізували пілотний проект із використанням лужних електролізерів, які працювали на неочищеній річковій воді (pH 6,8, мутність 25 NTU), потрібна лише базова відстаєва установка. Після 8000 годин безперервної роботи не спостерігалося жодного падіння напруги, що демонструє:

• Зниження на 3,3% витрат на водень у перерахунку порівняно з PEM-системами, що залежать від деіонізації
• на 45% нижчі енерговитрати на попередню обробку
• Можливість масштабованого розгортання в регіонах, де відсутня інфраструктура ультрачистої води

Ці результати підкреслюють практичну перевагу лужних систем у децентралізованих або обмежених ресурсами середовищах

Лужні та PEM-електролізери: порівняння вимог до чистоти води

Суворі вимоги до чистоти води для PEM- та AEM-електролізерів

Для електролізерів з протонною обмінною мембраною (PEM) та аніонною обмінною мембраною (AEM) використання деіонізованої води з опором понад 1 МОм·см є абсолютно необхідним, щоб уникнути таких проблем, як забруднення мембрани та руйнування каталізатора в майбутньому. Як нещодавно повідомив Hyfindr, коли ці системи стикаються з водою, що містить понад 50 частин на мільярд металевих іонів, продуктивність значно падає — втрати ефективності становлять від 15% до 20%. Лужні системи розповідають іншу історію. Вони можуть витримувати домішки на рівні від 10 до навіть 100 разів вищому, ніж здатні витримати PEM, оскільки їхній рідкий електроліт KOH діє як щит проти забруднювачів. Це робить їх набагато більш толерантними до вимог щодо якості води.

Компроміс ефективності: чи виправдовують високі показники PEM його вимоги до чистоти?

PEM-електролізери дійсно працюють з кращим ККД — близько 75–80 відсотків порівняно з приблизно 60–70 відсотками у лужних установок. Але тут є підводний камінь: експлуатація обходиться значно дорожче через необхідність підтримувати достатню чистоту води. За дослідженням ACS Industries 2025 року, для отримання лише одного кілограма водню системам PEM потрібно від дев’яти до дванадцяти літрів деіонізованої води. Це значно більше, ніж п’ять–вісім літрів, необхідних для традиційних лужних методів. І якщо взяти до уваги, що технологія PEM значною мірою залежить від дорогих каталізаторів із платинових металів, загальна вартість виявляється на 25% аж до 40% вищою за вартість лужних систем у довгостроковій перспективі. Тож, навіть попри технічну перевагу в ефективності, додаткові витрати серйозно знижують будь-які фінансові переваги, які вони могли б мати.

Основні відмінності у чутливості до забруднень та терміні служби системи

Лужні електролізери можуть витримувати різноманітні домішки, не руйнуючись, включаючи такі речовини, як хлориди, сульфати та навіть силіка, які з часом руйнують мембрани PEM. Результат? Ці системи значно довше працюють у реальних умовах. Йдеться про термін експлуатації від приблизно 60 тисяч до майже 90 тисяч годин для лужних моделей, що приблизно вдвічі більше, ніж найкращі показники більшості PEM-установок (зазвичай від 30 тис. до 45 тис. годин). Ще одна велика перевага лужної технології полягає в простоті конструкції стека. Ця простота означає менше ускладнень під час обслуговування та значно знижує витрати на ремонт, часто скорочуючи їх на 35–50% порівняно з іншими сучасними варіантами.

Зростаюче впровадження у регіонах із дефіцитом води та віддалених районах

Аналіз тенденцій: впровадження в районах із обмеженим очищенням прісної води

У місцях, де очисні споруди для чистої води або відсутні, або просто нераціонально експлуатуються, люди все частіше звертаються до лужних електролізерів. Ці системи можуть працювати практично з будь-яким місцевим джерелом води, будь то річкова чи навіть трохи солона вода, не потребуючи при цьому складних попередніх технологічних операцій. Це робить їх надзвичайно корисними для створення станцій генерації водню далеко від основних населених пунктів. Візьмемо, наприклад, недавній тестовий випадок 2023 року. Навіть при використанні сирої річкової води, у якій було чимало завислих домішок та понад 15 частин на мільйон розчинених речовин, їм вдалося підтримувати ефективність роботи на рівні близько 92%. У регіоні Азії та Тихого океану ця тенденція останнім часом набирає обертів. Лужні системи дають звичайним людям альтернативу надто дорогим військовим фільтрам для води. І не варто забувати, що такі установки скорочують витрати енергії на підготовку води приблизно на третину порівняно з традиційними методами.

Переваги щодо сталого розвитку: зменшення залежності від інфраструктури деіонізованої води

Завдяки витривалості до кальцію (до 50 мг/л) та силіцію (до 20 мг/л) лужні електролізери усувають необхідність у системах зворотного осмосу або йонообмінних системах, які споживають 2–4 кВт·год/м³ очищеної води. Це значно знижує:

• Викиди вуглекислого газу на 18–22% на кілограм виробленого водню
• Капіталовкладення на інфраструктуру очищення води на 400 000–740 000 доларів США (Ponemon, 2023)
• Час простою через забруднення мембран у блоках очищення

Ця ефективність відповідає Цілі сталого розвитку ООН №6, особливо в посушливих регіонах, де менше ніж 5% доступної води природним чином відповідає промисловим стандартам чистоти, що робить лужний електроліз стійким шляхом розширення виробництва зеленого водню.

ЧаП

• Що робить лужні електролізери кращими для води низької чистоти? Лужні електролізери використовують гідроксид-іони, які створюють середовище з високим рівнем pH, нейтралізуючи кислотні забруднювачі. Ця структура природно чинить опір домішкам, на відміну від PEM-електролізерів, яким потрібна надчиста вода, щоб уникнути отруєння каталізатора та інших проблем.
• Як лужні електролізери справляються з домішками? Їхній рідкий електроліт діє як буфер, осаджуючи важкі метали у вигляді нерозчинних гідроксидів і затримуючи завислі частинки, щоб запобігти засміченню та забрудненню електродів.
• Чому лужні системи віддають перевагу віддаленим та вододефіцитним районам? Вони можуть ефективно працювати з різноманітними джерелами води без значної попередньої обробки, необхідної для інших систем, що робить їх ідеальними для децентралізованого виробництва водню в районах із обмеженим доступом до очищеної води.
• Які показники ефективності та вартості лужних електролізерів порівняно з PEM? Хоча системи PEM є трохи ефективнішими, лужні системи є більш вигідними з точки зору вартості, оскільки вони потребують менш чистої води, використовують менш дорогі каталізатори та мають довший термін служби, що зменшує загальні експлуатаційні витрати.