Покращення терміну служби та вартості низькотемпературних електролізерів шляхом впровадження передових матеріалів і компонентів у стеки та баланс заводу

Згідно з Global Hydrogen Review 2023 МЕА ^[1] , у світовому виробництві водню в 2022 році домінувало використання викопного палива, тоді як виробництво водню з низьким рівнем викидів становило менше 0,7% світового виробництва. Велика кількість проектів з виробництва водню з низьким рівнем викидів знаходиться в стадії розробки з прогнозованим річним виробництвом до 38 Мт до 2030 року. Серед них домінують проекти з електролізерами, які мають на меті досягти 70% виробництва водню з низьким рівнем викидів. Зокрема, Європа оголосила про те, що до 2030 року припадатиме майже 30% таких електролітичних водневих проектів і зосереджена на проектах, що збільшують постачання низьковуглецевого та відновлюваного водню.

Враховуючи потенціал водню як джерела чистої енергії та хімічної сировини, а також його застосування в різних секторах, включаючи транспорт, промисловість та інтеграцію відновлюваних джерел енергії в енергосистему, оптимізація ефективності та довговічності електролізерів є надзвичайно важливою. Ця необхідність породжує важливість цієї теми, спрямованої на розробку передових матеріалів та/або компонентів для стека та BoP (Balance of Plant), шляхом розуміння та пом’якшення механізмів деградації низькотемпературних компонентів електролізера, в той же час подальшого покращення їх продуктивності та зменшення їх залежності від критичної сировини (CRM). Зосереджуючись на розробці та інтеграції передових матеріалів у стек і компонентах BoP, які не спричиняють погіршення якості чи проблем з надійністю або навіть пом’якшують погіршення, очікується, що пропозиції внесуть значний внесок у подовження терміну служби низькотемпературних електролізерів і продемонструють зниження вартості.

Очікується, що результати проекту сприятимуть наступним результатам:

• Розробка передових компонентів осередку, стека та BoP, включаючи функціональні та структурні матеріали, що демонструють покращену продуктивність і розроблені для протидії механізмам деградації;

• Збільшення терміну служби електролізерів;

• Інновації, які зменшують потребу в CRM та/або металах платинової групи (PGM);

• Покращена циркулярність матеріалів і компонентів;

• Підвищення розуміння відповідних механізмів деградації матеріалів та/або компонентів і демонстрація ефективного пом’якшення за допомогою розроблених матеріалів та/або компонентів.

Очікується, що ця тема сприятиме наступним цілям Програми денних стратегічних досліджень та інновацій Спільного підприємства з виробництва чистого водню (SRIA):

• Зменшіть OPEX (експлуатаційні витрати) низькотемпературних електролізерів за рахунок продовження терміну служби, зменшення втрати ефективності з часом та/або зменшення витрат на обслуговування.

• Зменшіть CAPEX (капітальні витрати) низькотемпературних електролізерів, наприклад, використовуючи менше CRM та/або PGM для матеріалів і компонентів.

• Покращення динамічної роботи та ефективності з високою довговічністю та надійністю, особливо при динамічній роботі та інтеграції з відновлюваними джерелами енергії.

Очікується, що результати проекту внесуть ключові показники ефективності (KPI) SRIA на 2030 рік:

• Лужний електроліз (AEL)

  • Деградація: 0,10 %/1000 год

  • Продуктивність: 1,0 А/см ² при ефективності 48 кВт/год/кг (системний рівень)

  • CAPEX: 800 €/(кг/день)

  • OPEX: 35 €/(кг/день)/рік

  • Критична сировина як каталізатор: 0 мг/Вт

• Електроліз протонної обмінної мембрани (PEMEL)

  • Деградація: 0,12 %/1000 год

  • Продуктивність: 3,0 А/см ² при ефективності 48 кВт/год/кг (системний рівень)

  • CAPEX: 1000 €/(кг/день)

  • OPEX: 21 євро/(кг/день)/рік

  • Критична сировина як каталізатор: 0,25 мг/Вт

• Аніонообмінний мембранний електроліз (AEMEL)

  • Деградація: 0,5 %/1000 год

  • Продуктивність: 1,5 А/см ² при ефективності 48 кВт-год/кг (системний рівень)

  • CAPEX: 600 €/(кг/день)

  • OPEX: 21 євро/(кг/день)/рік

  • Критична сировина як каталізатор: 0 мг/Вт

Крім того: на рівні системи актуальні наступні KPI SRIA:

• Час гарячого холостого ходу:

  • AEL: 10 секунд

  • ПЕМЕЛЬ: 1 секунда

  • AEMEL: 5 секунд

• Час наростання холодного старту:

  • AEL: 300 секунд

  • ПЕМЕЛЬ: 10 секунд

  • AEMEL: 150 секунд

Сфера застосування

Обсяг теми полягає в розгляді терміну служби, продуктивності та вартості низькотемпературних електролізерів на системному рівні шляхом розробки, проектування та тестування передових функціональних і структурних матеріалів та/або компонентів для елемента, стека та BoP.

Тема спрямована на покращення продуктивності та довговічності низькотемпературних електролізерів шляхом розгляду не лише внутрішньої деградації самого елемента/стека, але й деградації, яка може виникнути на стеці через взаємодію з компонентами BoP. Наприклад, такі проблеми, як корозія та вимивання іонів із трубопроводів, які можуть забруднити живильну воду, або пульсаційні ефекти та електричні збої в перетворювачах живлення, які можуть значно скоротити термін експлуатації стека.

Основна мета полягає в розробці вдосконалених матеріалів для клітин і стеків, а також компонентів BoP, які не спричиняють погіршення чи проблем з надійністю або навіть пом’якшують погіршення та покращують загальну довговічність системи.

Пропозиції мають стосуватися таких елементів:

• Дослідження та подальша розробка передових матеріалів для елементів комірки, стека та BoP для подальшого підвищення продуктивності та продовження терміну служби низькотемпературних електролізерів;

• Оптимізуйте компоненти й архітектури BoP, щоб мінімізувати їхній вплив на деградацію стека та покращити загальну продуктивність системи та термін служби; також піклування про площу цих елементів з огляду на проектування майбутніх установок розміру GW;

• Перевірте нові рішення у відповідних умовах тестування, щоб продемонструвати їхню ефективність у покращенні терміну служби порівняно з базовою лінією. Базовий рівень має відповідати сучасному стану на початку проекту та бути обґрунтованим у пропозиції. Крім того, для підтримки цих валідацій можна використовувати дії з моделювання;

• Продемонструйте покращений термін служби на системному рівні, використовуючи промислово релевантну стеку понад 20 кВт, випробовуючи відповідні умови протягом щонайменше 2000 годин. Перевірка має бути сумісною з системним рівнем. Очікується, що пропозиції пояснять їхній підхід до цього. Прикладом може бути використання підходу апаратного забезпечення в циклі для моделювання роботи компонентів системи, які не є частиною цільової розробки;

• Відповідно до рівня TRL, спрямованого на кінець проекту, цільовий рівень чистоти водню та вихідний тиск повинні бути вказані та взяті до уваги під час виконання розрахунків вартості;

• Опишіть, як будуть розглянуті динамічні умови, що виникають у зв’язку з підключенням до відновлюваної енергомережі, та обґрунтуйте обраний підхід (наприклад, моделювання коливань споживаної потужності від відновлюваної енергії);

• Аспекти сталого розвитку, циркулярності та переробки для вибраних матеріалів і процесів їх виробництва, а також виконати техніко-економічну оцінку та оцінку життєвого циклу для вибраних розробок.

Очікуваний крок TRL наприкінці проекту має збільшитися з TRL 3 до 5 або з TRL 4 до 6 залежно від обраної технології. Пропозиції повинні враховувати поточний рівень зрілості різних технологій і відповідно визначати їхні початкові та кінцеві TRL. Загалом, технології мають різний рівень зрілості, тому можна очікувати, що для PEMEL і AEL інноваційні матеріали та компоненти відповідатимуть кроку TRL 4–6, тоді як для AEMEL це може відповідати кроку TRL 3–5. Також очікується, що пропозиції досягнуть цілей SRIA до 2030 року, як зазначено вище. Наступні заходи входять до сфери дії цього проекту, і пропозиція повинна відповідати щонайменше трьом із наведених нижче пунктів і повинна включати два перші пункти:

• Дослідження та подальша розробка вдосконалених компонентів клітин, таких як, але не обмежуючись ними, електроди (з мінімізованим навантаженням CRM/PGM), мембрани/сепаратори електролітів, функціональні добавки (наприклад, поглиначі радикалів), з’єднання та ущільнювачі, покриття, компоненти стека, такі як біполярні пластини та пов’язані виробничі процеси, які можуть реалізувати зниження CAPEX та покращення терміну служби на рівні стека за реалістичних умов експлуатації;

• Дослідження та подальша розробка передових компонентів BoP, які подовжують термін служби електролізерів, наприклад, але не обмежуючись цим: інноваційні компресори H2, силова електроніка, яка зменшує (ефект) пульсації, мінімізує корозію та вимивання іонів із частин BoP, таких як трубопроводи та насоси, використовуючи альтернативні матеріали та/або покриття, та/або мінімізує вплив домішок у воді, що подається, наприклад, шляхом іонного обміну;

• Зрозумійте за допомогою експериментів різні механізми, що впливають на продуктивність компонентів клітини, наприклад, згадані вище приклади під час роботи стека, і те, як запропонована розробка мінімізує погіршення під час тривалої роботи в реалістичних умовах. Діяльність з моделювання може бути використана для підтвердження цих висновків;

• Розробити протоколи для прискореного старіння та моніторингу деградації, які спеціально спрямовані на механізми старіння, доповнюючи існуючі гармонізовані в ЄС протоколи тестування для низькотемпературного електролізу;

• Зрозуміти та звести до мінімуму вплив динамічної роботи та інтеграції мережі, таких як події запуску/зупинки та коливання навантаження, у реалістичних умовах експлуатації;

• Розробіть модель тривалості життя з прогностичною цінністю на основі даних, отриманих під час тестування в лабораторному масштабі та масштабі стека.