Ефективність витрат у масштабі: капіталовкладення (CAPEX), експлуатаційні витрати (OPEX) та рівень витрат на водень (LCOH) для систем AEM і PEM потужністю <100 кВт

Фактори, що впливають на капіталовкладення (CAPEX): вартість мембрани, навантаження каталізатора та спрощення балансу системи (BoP) у системах AEM

Електролізери з лужною обмінною мембраною (AEM) значно знижують початкові витрати, оскільки замінюють дорогоцінні метали платинової групи на дешевші каталізатори на основі нікелю й заліза. Ця заміна сама по собі зменшує вартість анодних матеріалів на 60–70 % порівняно з системами з протонною обмінною мембраною (PEM). Самі мембрани коштують приблизно на 40–60 % менше, оскільки їм не потрібні дорогі перфторовані полімери. Крім того, загальна конструкція системи стає простішою: немає потреби у дорогостоячих титанових деталях чи складних системах циркуляції надчистої води, які використовують багато інших рішень. Усі ці фактори разом означають, що капіталовкладення в електролізери AEM можуть знизитися до рівня нижче 1500 дол. США за кіловат після збільшення обсягів виробництва. Це значно нижче, ніж сьогоднішній рівень для технології PEM — близько 2147 дол. США за кіловат, згідно з різними галузевими дослідженнями, присвяченими економіці різних технологій електролізу.

Чутливість OPEX: ефективність використання електроенергії, допустимість чистоти води та частота технічного обслуговування

Системи AEM знижують експлуатаційні витрати кількома важливими способами. По-перше, вони добре працюють навіть тоді, коли вода не така чиста, як цього вимагає PEM. Системи AEM можуть використовувати воду з електропровідністю понад 1 мікросіменс на сантиметр, тоді як для PEM потрібна вода з електропровідністю близько 0,1 мікросіменс. Це означає, що компанії витрачають приблизно на 15–30 % менше коштів на процеси попередньої очистки. Інший важливий фактор — ефективність роботи таких систем у режимі часткового навантаження. Нещодавні покращення дозволили підвищити їхній коефіцієнт корисної дії за напругою до 67–74 %, що фактично наближає їх до діапазону PEM (56–70 %). І, нарешті, тривалість служби каталізаторів. Стоси AEM працюють значно довше до першого обслуговування — зазвичай близько 8 000 годин порівняно зі стандартними 5 000 годин для PEM. Більш тривалі інтервали між обслуговуванням означають менше трудових годин, витрачених на ремонт, меншу потребу в запасних частинах та, що особливо важливо, менше втрат робочого часу через простої системи.

Порівняння вирівняних витрат на водень (LCOH) за реалістичних режимів роботи на малих потужностях

Коли йдеться про системи потужністю нижче 100 кВт, що працюють на відновлюваних джерелах енергії, які не завжди доступні, технологія AEM забезпечує зрівняну вартість водню в діапазоні від 2,50 до 5,00 дол. США за кілограм. Цей показник приблизно відповідає вартості водню для технологій PEM (2,34–7,52 дол. США/кг), хоча загалом перевага надається AEM. Чому? Справа в кількох чинниках, що забезпечують цю перевагу. По-перше, капітальні витрати зазвичай нижчі у рішень на основі AEM. По-друге, такі системи зберігають високу ефективність навіть за умов частих змін навантаження. І, звичайно ж, не слід забувати й про тривалість експлуатації. Поточні випробування показують, що стеки AEM залишаються стабільними понад 10 000 годин у реальних умовах експлуатації. У майбутньому деякі прогнози передбачають, що термін їх служби може сягати понад 80 000 годин роботи, тоді як аналогічні стеки PEM мають термін служби близько 40 000–60 000 годин. Така надійність істотно знижує загальну вартість виробництва одного кілограма водню протягом часу.

Переваги каталізаторів та матеріалів: AEM без ПГМ порівняно з PEM, що залежать від ПГМ

Нікель-залізні каталізатори в АЕМ дозволяють створювати аноди з нижчою вартістю та масштабовані

Електролізери на основі аніон-обмінних мембран (АЕМ) використовують нікель-залізні каталізатори, які є поширеними в природі, замість дорогих електродів на основі іридію чи платини. Ця заміна усуває проблеми з ланцюгами поставок і різко знижує вартість каталізаторів для анодів — до приблизно 32 доларів США за кіловат. Це значно дешевше, ніж 140 доларів США за кіловат для систем на основі протон-обмінних мембран (PEM). Суміш нікелю й заліза забезпечує ефективність системи на рівні приблизно 70–80 відсотків. Крім того, вона добре поєднується з методами виробництва «рулон-у-рулон» і зберігає стабільність навіть за умов нестабільного режиму роботи. Ці особливості роблять технологію АЕМ особливо придатною для масштабування виробництва без потреби в централізованих потужностях.

Стабільність мембрани та сумісність біполярних пластин за умов змінного навантаження та низької чистоти вхідних матеріалів

Аніонообмінні мембрани (АОМ) працюють шляхом перенесення гідроксид-іонів замість протонів, що означає, що вони можуть використовувати дешевші біполярні пластина з нержавіючої сталі замість дорогих титанових компонентів. Крім того, ці мембрани менш чутливі до домішок у воді порівняно з іншими системами, тому немає потреби в надчистій вихідній сировині. Діапазон робочих температур становить приблизно 50–80 °C, що забезпечує їм високу стійкість до стрибків напруги, які часто виникають у відновлюваних джерелах енергії, таких як сонячні панелі або вітрові турбіни. У минулому ранні версії лужних мембран мали серйозні проблеми з хімічним розкладанням з часом. Однак ситуація кардинально змінилася після 2023 року, коли виробники значно покращили їхню стабільність. Тепер польові випробування показують, що ці поліпшені мембрани зберігають працездатність понад 10 000 годин роботи навіть за умов змінного навантаження та реальних експлуатаційних умов.

Експлуатаційна гнучкість для інтеграції відновлюваних джерел енергії: динамічна реакція та ефективність при низькому навантаженні

Вища стабільність AEM при низькому навантаженні та швидші темпи зміни потужності за умов нестабільного сонячного/вітрового живлення

Електролізери AEM здатні підтримувати стабільність напруги навіть при роботі лише на 10–20 % від максимальної потужності, що значно нижче мінімального рівня (близько 30 %), який зазвичай забезпечують системи PEM. Це робить технологію AEM особливо придатною для безпосереднього підключення до відновлюваних джерел енергії, потужність яких природно коливається. Такі системи досягають повної вихідної потужності протягом приблизно 30 секунд — майже вдвічі швидше, ніж типові моделі PEM. Крім того, вони зберігають стабільність напруги понад 98 % навіть у складних ситуаціях, коли вітер стихає або хмари закривають сонячні панелі. Швидка реакція означає менші втрати енергії в цілому та скорочує потребу в дорогих системах зберігання енергії, необхідних для невеликих установок, де найбільш важливими є обмежені простір і бюджет.

Переваги проектування системи для децентралізованого розгортання: мінімальна площа, модульність та простота складу компонентів (BoP)

Архітектура AEM з одним шаром зменшує площу розташування та забезпечує модульні одиниці типу «підключи й працюй»

Електролізери AEM мають інтегровану конструкцію з єдиною шаровою коміркою, яка скорочує вимоги до фізичного простору приблизно на 40 % порівняно з багатошаровими PEM-системами. Це робить їх ідеальними для місць, де простір обмежений, наприклад, на дахах, у промислових зонах або в віддалених районах. Спрощена система трубопроводів разом із меншою кількістю з’єднань означає нижчу складність компонентів системи забезпечення експлуатації (BOP) та економію приблизно на 30 % витрат, пов’язаних із цими компонентами. Крім того, ці стандартизовані модулі легко підключаються один до одного, що сприяє простому розширенню системи за потреби. Практичні встановлення показали, що час монтажу скоротився приблизно вдвічі порівняно з попередніми рішеннями, а ремонтним бригадам потрібно значно менше простору для роботи з цими системами. Ці практичні переваги стають особливо цінними під час створення децентралізованих водневих мереж у різних місцях.

Часто задані питання

Які матеріали використовують системи AEM замість металів платинової групи?

Системи AEM використовують нікель-залізні каталізатори, які є дешевшими та поширенішими, ніж метали платинової групи.

Як системи AEM корисні для компаній з точки зору чистоти води?

Системи AEM можуть обробляти воду з вищою електропровідністю, що зменшує витрати на попередню обробку на 15–30 % порівняно з системами PEM.

Який типовий термін служби стека AEM?

Стеки AEM, як правило, працюють близько 10 000 годин, а прогнози свідчать, що в майбутньому їх термін служби може досягнути 80 000 годин.

Чому системи AEM вважаються придатними для децентралізованого розгортання?

Системи AEM мають одношарову архітектуру, що зменшує їхні габарити та підвищує модульність, забезпечуючи просте розгортання за принципом «підключи й працюй», і тому вони підходять для районів із обмеженим простором.