Порівняння енергоефективності: електролізатори Enapter AEM та PEM

Ефективність за напругою та системні енергетичні втрати

Електролізери AEM від таких компаній, як Enapter, працюють при значно нижчих напругах на елемент порівняно з системами PEM, що зменшує омічні втрати приблизно на 15–20 % — згідно з останніми випробуваннями на рівні стека. Системи PEM, у свою чергу, демонструють досить високі показники ефективності за напругою — близько 75–85 %, коли використовуються дорогі каталізатори на основі платинової групи металів. Однак існує й недолік: оскільки PEM функціонує в кислому середовищі, для всіх систем балансу установки (BOP) потрібні дорогі титанові компоненти, що додає додаткове навантаження на енергоспоживання. Enapter обходять цю проблему завдяки модульній конструкції, яка включає вбудоване перетворення електроенергії. Такий підхід дозволяє уникнути типових втрат енергії в межах 8–12 %, що спостерігаються в звичайних системах PEM при роботі з неповним навантаженням.

Вплив робочої температури та тиску на фарадеївський вихід

Коли температура піднімається вище 60 градусів Цельсія, системи на основі протонно-обмінних мембран (PEM) починають втрачати свою фарадеївську ефективність, оскільки водень схильний до більш швидкого проникнення крізь мембрану при вищих температурах, що суттєво обмежує теплову гнучкість таких систем. З іншого боку, технологія електролізера з аніон-обмінною мембраною (AEM) компанії Enapter забезпечує стабільну поточну ефективність понад 98 відсотків у діапазоні температур від 30 до 50 градусів Цельсія завдяки стабільним гідроксид-іонам, які проводять струм через систему. Це означає, що такі системи ефективно реагують на зміни навантаження навіть за умов коливань виробництва енергії з відновлюваних джерел, а також не втрачають продуктивності під час швидких змін температури. Ще одна важлива відмінність полягає в тому, що мембрани PEM потребують робочого тиску в діапазоні від 30 до 200 бар для запобігання втратам через проникнення. Це додає додатково 5–7 відсотків енергії лише на роботу стиснення порівняно з набагато простішою роботою AEM-системи за атмосферного тиску.

Вимоги до технічного обслуговування та експлуатаційна надійність

Деградація каталізатора в кислотному (PEM) та лужному (AEM) середовищах

Електролізери з полімерною електролітною мембраною (PEM) потребують дорогих благородних металевих каталізаторів, таких як іридій та платина, щоб витримувати надзвичайно кисле середовище роботи. На жаль, ці метали досить швидко руйнуються через корозію й отруюються оксидом вуглецю. Згідно з практикою експлуатації, заміна таких каталізаторів становить близько 30 % або більше всіх витрат на технічне обслуговування лише за перші п’ять років експлуатації. Системи з лужною обмінною мембраною (AEM) працюють інакше: вони функціонують у лужному середовищі, що дозволяє виробникам використовувати дешевші нікелеві каталізатори, які мають значно більший термін служби. Швидкість деградації при цьому на 40 % нижча порівняно з системами PEM. Чому? Тому що на електродах виникає значно менше окисного навантаження. Це означає довші інтервали між плановим технічним обслуговуванням і меншу кількість неочікуваних зупинок. А коли електростанції працюють довше, загалом виробництво водню стає набагато надійнішим.

Чутливість до забруднення, чистота живильної води та інтегроване водне господарство в системах AEM

Електролізери з протонно-обмінною мембраною (PEM) потребують води настільки чистої, що її опірність становить щонайменше 18 мегаом-сантиметрів, щоб запобігти таким проблемам, як забруднення мембрани та постійне пошкодження каталізаторів. Це означає необхідність встановлення складних багатоступеневих систем деіонізації, які фактично споживають приблизно 15 % допоміжної електроенергії, необхідної для роботи. Мембрани лужного електролізу (AEM) набагато краще витримують помірний рівень домішок, що значно спрощує процес попередньої обробки порівняно з традиційними методами. Системи компанії Enapter оснащені інтелектуальною технологією управління водою, яка автоматично регулює ступінь інтенсивності очищення залежно від того, що система виявляє у вхідній воді. Ця інновація скорочує обсяг технічного обслуговування приблизно на 25 %, зокрема зменшуючи частоту заміни фільтрів та процедур промивання мембран. Крім того, природна стійкість лужних мембран до забруднення сприяє підтримці стабільної продуктивності протягом тривалого часу з мінімальним обсягом ручного втручання операторів.

Стійкість матеріалів та загальна вартість власництва для електролізерів Enapter на основі аніон-обмінної мембрани (AEM)

Технологія AEM від Enapter забезпечує кращу стійкість і нижчу вартість порівняно з варіантами на основі протон-обмінної мембрани (PEM), оскільки вона використовує каталізатори з неблагородних металів і працює в менш агресивному лужному середовищі. Для систем PEM потрібен іридій, який сьогодні коштує близько 150 доларів за грам. Це не лише дуже дорого, а й складно забезпечити постачання, оскільки обсяги поставок значно коливаються. Крім того, кисле середовище з часом руйнує матеріали. Технологія AEM усуває цю проблему, замінюючи каталізатори на нікельові, що знижує витрати на матеріали приблизно на 60 відсотків. Ця різниця також проявляється в терміні служби таких систем: більшість одиниць PEM починають виходити з ладу через 10–15 років, тоді як електролізери Enapter на основі технології AEM проектуються так, щоб надійно працювати понад 20 років поспіль.

Аналіз капітальних витрат показує, що ці технології досить суттєво відрізняються. Системи на основі PEM зазвичай коштують від 900 до 1500 доларів США за кіловат, що майже вдвічі перевищує вартість систем на основі AEM, які коштують від 500 до 800 доларів США за кВт. Хоча PEM має незначну перевагу щодо максимальної ефективності, технологія AEM виділяється тим, що може обробляти воду з домішками без потреби в складних процесах попередньої очистки. Це також означає меншу частоту технічного обслуговування протягом тривалого часу. Згідно з аналізом галузевих витрат на виробництво водню, технологія AEM компанії Enapter забезпечує виробництво водню за ціною близько 2,09 долара США за кілограм — приблизно на 25 % дешевше, ніж традиційні системи PEM. Чому? Тому що мембрани AEM мають довший термін служби, конструкція балансу установки (BOP) простіша, а загалом потрібно менше зусиль для забезпечення їх стабільної роботи протягом усього строку експлуатації. Усі ці економії роблять технологію AEM легко масштабованою та фінансово стабільною навіть у разі активного розвитку проектів «зеленого» водню.

ЧаП

Яка основна відмінність між електролізаторами з аніон-обмінною мембраною (AEM) та протон-обмінною мембраною (PEM)?

Основна відмінність полягає у типі середовища, в якому вони працюють. Електролізатори з аніон-обмінною мембраною (AEM) працюють у лужних умовах і використовують каталізатори на основі нікелю, тоді як системи з протон-обмінною мембраною (PEM) функціонують у кислотному середовищі, використовуючи дорогоцінні металеві каталізатори, такі як іридій і платина.

Чому електролізатори з аніон-обмінною мембраною (AEM) вважаються більш енергоефективними?

Електролізатори з аніон-обмінною мембраною (AEM) працюють при нижчих напругах у клітині, що зменшує омічні втрати й усуває енергетичні витрати, пов’язані з використанням дорогих компонентів, необхідних для систем PEM. Це забезпечує більш енергоефективну роботу.

Як порівнюються потреби в обслуговуванні між системами AEM та PEM?

Системи PEM мають вищі витрати на обслуговування через деградацію каталізаторів у кислотному середовищі, тоді як системи AEM мають повільніші темпи деградації й потребують менш частого обслуговування завдяки роботі в менш агресивних умовах.

Які витрати пов’язані з використанням систем AEM замість PEM?

Системи AEM, як правило, дешевші, оскільки вони використовують більш доступні матеріали, такі як нікель, і мають менш складну конструкцію, що призводить до нижчих капітальних витрат і зменшення експлуатаційних витрат із часом.