Як електролізери AEM забезпечують розподілене виробництво водню

Перехід до децентралізованої інфраструктури водню

Ми стаємо свідками значної зміни у способі виробництва та використання енергії на глобальному рівні. Традиційні системи на основі викопного палива повільно замінюються так званими модульними водневими мережами. Чому? Тому що зберігання відновлюваної енергії на місцевому рівні значно подешевшало за останні кілька років. Згідно з дослідженням Hydrogen Council за 2023 рік, вартість такого зберігання знизилася майже на 60% з 2020 року. Це робить AEM-електролізери надзвичайно важливими для переходу. Ці пристрої дозволяють громадам виробляти водень безпосередньо там, де він потрібен — чи то невелика сонячна електростанція потужністю близько 500 кВт, чи більші установки потужністю до 20 МВт для промисловості. Найкраще? Їм не потрібні дорогі трубопроводи для транспортування водню. Крім того, вони добре працюють із переривчастими джерелами відновлюваної енергії, такими як вітер і сонце, саме тому їх дуже цінують у місцях із нестабільними електромережами. Уявіть собі ті маленькі електростанції в віддалених районах підсахарської Африки, де звичайні підключення до мережі просто неможливі.

Основний принцип: електроліз води з використанням аніонобмінної мембрани (AEM)

Системи з аніонобмінною мембраною (AEM) працюють за рахунок розкладання молекул води на водень та кисень за допомогою спеціальних гідроксид-провідних мембран і каталітичних матеріалів, таких як сплави нікелю та заліза. Вони відрізняються від традиційних систем електролізу з протонною обмінною мембраною (PEM), які потребують дорогих платинових металів. Згідно з останніми дослідженнями звіту «Інновації в матеріалознавстві 2024», технологія AEM досягає приблизно 75 відсотків ефективності при щільності струму близько 2 ампер на квадратний сантиметр. Однак найбільш вражає те, що вони скорочують витрати на каталізатори приблизно на дев'яносто відсотків порівняно з альтернативами. Оскільки вони забезпечують гарну продуктивність без значних витрат, багато експертів вважають, що ці системи є доцільними для невеликих або децентралізованих установок з виробництва енергії, де вартість залишається головною проблемою.

Застосування в реальних умовах: AEM у сільських мікромережах на поновлюваних джерелах енергії

У 2023 році дослідники спостерігали, як електролізери AEM забезпечували стабільну роботу 5-мегаватної сонячної мікромережі на архіпелазі Індонезії. Ці системи виробляли близько 12 тонн водню щомісяця, який місцеві фермери використовували для виробництва добрив і як аварійне електроживлення в похмурий час. Навіть коли рівень сонячного світла протягом дня змінювався на 40%, установка все одно працювала з ефективністю 68%. Це насправді досить вражаюче порівняно зі старішими лужними моделями, які поступалися приблизно на 22%, коли виникали зміни попиту на енергію. Сьогодні кілька провідних виробників запускають компактні AEM-установки, укомплектовані в контейнери. Їх можна легко підключити до існуючих вітрових ферм або сонячних установок без необхідності будівництва дорогого нового обладнання, що робить виробництво зеленого водню більш доступним для громад усього світу.

Стратегічна відповідність місцевим цілям енергетичної стійкості

Коли мова доходить до виробництва водню, технологія AEM справді допомагає країнам підвищити енергетичну безпеку, особливо таким ініціативам, як REPowerEU ЄС, яка передбачає щорічне виробництво близько 20 мільйонів тонн зеленого водню до 2030 року. Місцеве виробництво скорочує потребу в імпорті палива з-за кордону, що є дуже важливим у сучасних умовах. Крім того, активно розвиваються концепції циклічної економіки. Наприклад, в Норвегії залишковий водень використовують для живлення швидкої допомоги. Тим часом у Німеччині надлишковий водень допомагає очищати сталеливарні заводи. Розумність цього підходу полягає в тому, що він адаптується до реальних потреб різних регіонів, не залишаючись у залежності від складних у видобутку рідкоземельних мінералів, за які зараз ведеться жорстока конкуренція.

Технологічні досягнення та продуктивність електролізерів AEM

Каталізатори на основі неблагородних металів: стимулювання інновацій у системах AEM

Електролізери з лужною мембраною (AEM) позбавляють нас залежності від дорогих металів платинової групи, замінюючи їх каталізаторами на основі нікелю та заліза. Згідно з нещодавнім дослідженням, опублікованим в Arab Journal of Chemistry у 2023 році, ці нові матеріали демонструють таку саму ефективність, як і традиційні системи PEM, щодо густини струму, але скорочують витрати на матеріали приблизно на тридцять–п'ятдесят відсотків. Це досягнення є особливо важливим через глобальні тенденції до доступнішого виробництва зеленого водню. Виробники починають впроваджувати ці технології, оскільки зараз існують чіткі шляхи для масштабування виробництва, про що свідчать огляди в наукових виданнях з матеріалознавства.

Ефективність та масштабованість: порівняння AEM з іншими типами електролізерів

Електролізери з лужною обмінною мембраною (AEM) зазвичай мають ефективність близько 70–75 відсотків під час роботи при нижчих температурах, що перевершує стандартні лужні системи з ефективністю 60–65 відсотків. Вони також можуть конкурувати з технологією протонно-обмінних мембран (PEM), не потребуючи дорогих каталізаторів на основі іридію, які збільшують витрати. Справжньою відмінною рисою цих установок є модульна конструкція, яка дозволяє операторам масштабувати потужності від одного кіловата до декількох мегаватт. Ця гнучкість забезпечує їх ефективне використання — від невеликих місцевих енергомереж до великомасштабних промислових виробництв аміаку. Згідно з останніми ринковими оцінками, урівноважена вартість водню для технології AEM фактично опускається нижче трьох доларів за кілограм, якщо вартість відновлюваної електроенергії залишається нижче двадцяти доларів за мегават-годину.

Тривкість проти вартості: ключові виклики у розробці мембран AEM

Останні покращення у хімії мембран дозволили збільшити термін служби AEM значно понад 30 000 годин, про що свідчать дослідження, опубліковані в Arab Journal of Chemistry ще в 2023 році. Проте забезпечення довговічності цих мембран без надмірного здорожчання досі залишається серйозним викликом для виробників. Найновіші аніон-провідні полімери фактично демонструють приблизно на 40 відсотків кращу іонну провідність порівняно з попередніми аналогами, хоча для них потрібні дуже точні технологічні процеси виробництва, щоб уникнути будь-яких проблем із забрудненням електролітів. Наразі науковці працюють над методами зменшення деградації мембран аж на 80 відсотків за допомогою спеціальних наноструктурованих армувальних шарів. Їхня мета — досягти вартості цих мембран на рівні менше ніж п’ятдесят доларів за квадратний метр у разі комерційного продажу, що значно полегшить їхнє масове впровадження.

Економічний потенціал: Виробництво водню за низькою ціною за допомогою електролізерів AEM

Інновації в матеріалах, що знижують вартість систем електролізерів

Вигода вартості електролізерів AEM походить переважно від досягнень у розробці каталізаторів та мембран. Коли виробники замінюють дорогі метали платинової групи на більш дешеві версії на основі нікелю та заліза, витрати на каталізатори скорочуються приблизно на 60 відсотків порівняно з системами PEM, згідно з ScienceDirect минулого року. Дослідження, опубліковане в Applied Energy ще в 2023 році, показало, що такі установки AEM коштують на 30–40% менше на початковому етапі для однакової потужності виробництва, оскільки матеріали менш коштовні, а також потрібно менше обладнання. Деякі практичні випробування також демонстрували перспективність нових конструкцій мембран, які витримують понад 8 000 годин роботи, навіть коли живляться від нестабільних джерел відновлюваної енергії, що допомагає подолати побоювання щодо терміну служби цих пристроїв до виходу з ладу.

Шляхи досягнення економічно ефективного зеленого водню

Чотири стратегії прискорюють шлях AEM до виробництва водню за ціною <$3/кг:

1. Уніфіковані модульні конструкції що дозволяють масове виробництво стеків потужністю 1–5 МВт
2. Гібридна інтеграція відновлюваних джерел енергії поєднання сонячної/вітрової енергії з вирівнюванням потужності мережі
3. Стимули для розташування об'єктів разом розміщення електролізерів поблизу центрів з низькою вартістю відновлюваної енергії
4. Рекуперація відходів тепла повторне використання 15–20% теплових втрат для централізованого опалення

Випробування в реальних умовах показали, що системи AEM можуть виробляти водень приблизно за 2,50 дол. США за кілограм, якщо відновлювана електроенергія доступна за ціною менше 0,03 дол. США за кіловат-годину. Це приблизно на 45 відсотків менше, ніж у 2022 році. Експерти прогнозують, що до кінця цього десятиліття світовий попит на зелений водень досягне приблизно 150 мільйонів тонн на рік. З огляду на ці показники, зниження вартості технології AEM робить її особливо перспективною для масштабування в різних регіонах, де зараз потрібні рішення з чистою енергією.

Інтеграція AEM-електролізерів із джерелами відновлюваної енергії

Виробництво зеленого водню за допомогою сонячних та вітрових AEM-систем

AEM-електролізери використовують зайву електроенергію від відновлюваних джерел і перетворюють її на водень, що допомагає сонячним та вітровим фермам зберігати енергію тоді, коли акумулятори вже не справляються. Ці установки добре працюють навіть при неповному навантаженні — в межах 30–120% потужності, тому вони набагато краще справляються з нестабільним надходженням енергії, ніж традиційні системи. У минулому році деякі дослідження сонячних установок показали приблизно 68% ефективності при змінному сонячному світлі, що на 12 процентних пунктів перевершує системи PEM за однакових умов. Для операторів невеликих мереж у віддалених районах ця гнучкість означає, що вони можуть продовжувати виробляти водень навіть у похмурий день чи коли вітер стихає.

Динамічна робота в умовах переривчастого енергопостачання від відновлюваних джерел

Ці електролізери автоматично реагують на коливання якості електроживлення шляхом:

• Регулювання напруги (±15% допуск без втрати ефективності)
• Швидкість зміни потужності — 10% від номінальної потужності за секунду
• співвідношення розширення діапазону регулювання 95% для умов малої потужності

Польові дані проекту гібридної системи вітроенергетики та AEM 2023 року показали 1200 циклів запуску та зупинки на добу без деградації мембран — значна перевага порівняно з лужними системами, обмеженими 50 циклами. Ця стійкість робить технологію AEM сумісною з середнім індексом волатильності 76%, характерним для мереж із високим рівнем відновлюваних джерел енергії.

Поєднання стабільності електромережі та потреб у розподіленій генерації водню

Системи AEM виконують подвійну функцію як:

Модель розподіленої енергетики показала, що громади, які використовують гібридні системи на основі AEM-електролізерів, скоротили залежність від дизельних резервних джерел на 89% і при цьому підтримували рівень обмеження виробництва відновлюваної енергії на рівні менше 15%. Ця подвійна функціональність робить технологію AEM ключовим елементом у досягненні цілей як щодо енергетичної безпеки, так і декарбонізації.

Масштабованість та комерційна готовність технології AEM-електролізерів

Пілотні проекти, що підтверджують продуктивність і масштабованість AEM-електролізерів

Пілотні тести показують, що AEM-електролізери дійсно можуть збільшуватися в розмірах від невеликих лабораторних моделей до більших систем, не втрачаючи значної ефективності на шляху. Дослідники в Європі вивчали це ще в 2023 році й виявили, що їхня 2 кВт AEM-система досягла приблизно 60% ефективності, навіть попри використання дешевших каталітичних матеріалів замість дорогих металів. Вони вже говорять про масштабування таких систем до 200 кВт протягом наступних кількох років. Коли компанії тестували модульні версії цих електролізерів у віддалених районах, підключених до малих енергомереж, результати були вражаючими. Такі установки досягали майже 90% потужності, працюючи разом із сонячними панелями, що допомагає вирішити одну з найбільших проблем джерел відновлюваної енергії, які не виробляють електроенергію стабільно протягом усього дня.

Оцінка рівня готовності технологій (TRL) та майбутній дорожній план

На даний момент рівень технологічної готовності (TRL) електролізерів з аніонними обмінними мембранами (AEM) становить приблизно 6–7, причому деякі промислові прототипи показують термін служби близько 8000 годин у разі роботи з нестабільними джерелами відновлюваної енергії. Учасники галузі прагнуть досягти рівня TRL 8–9 до кінця цього десятиліття, головним чином за рахунок збільшення терміну служби мембран — ідеально довівши їх стійкість до приблизно 30 000 годин роботи перед заміною. У майбутньому шлях розвитку передбачає три основні напрямки. По-перше, зменшення кількості каталізатора, необхідного для роботи, з метою досягнення значення нижче 1 мг на квадратний сантиметр. По-друге, поліпшення конструкції стеків для ефективної роботи в діапазоні потужностей від 1 до 10 мегаватт. І, нарешті, виробники прагнуть скоротити витрати на супутнє обладнання (balance-of-plant) приблизно на 40 відсотків за рахунок удосконалених методів теплового управління на всіх рівнях системи.

Часто задані питання (FAQ)

• Що таке електролізери AEM?
  Електролізери AEM — це пристрої, які використовують аніонні обмінні мембрани для отримання водню з води, забезпечуючи ефективне та недороге рішення для генерації водню порівняно з традиційними методами.
• Як електролізери AEM сприяють децентралізованому виробництву енергії?
  Завдяки можливості виробництва водню безпосередньо в місці його використання, електролізери AEM усувають необхідність будівництва дорогих трубопроводів та транспортної інфраструктури, що робить їх ідеальними для децентралізованих енергетичних мереж.
• Яку роль відіграють електролізери AEM у системах відновлюваної енергетики?
  Електролізери AEM перетворюють надлишкову електроенергію від відновлюваних джерел на водень, забезпечуючи надійне рішення для зберігання енергії, яке доповнює сонячну та вітрову енергетику, особливо в регіонах із переривчастим енергопостачанням.
• Чому непридатні металеві каталізатори важливі в системах AEM?
  Вони знижують загальну вартість електролізерів за рахунок використання дешевших та поширених матеріалів, таких як нікель та залізо, замість дорогих металів платинової групи, зберігаючи при цьому високу ефективність.
• Які економічні переваги використання електролізерів AEM?
  Досягнення у технологіях каталізаторів і мембран знижують початкові витрати на систему та підвищують довговічність, що призводить до значної економії та отримання доступу до виробництва водню за низькими цінами.