วิธีการทำงานของกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสไฮโดรเจน: คู่มือสำหรับโครงการอุตสาหกรรม

วิธีการทำงานของกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสไฮโดรเจน: คู่มือสำหรับโครงการอุตสาหกรรม

สำหรับทีมอุตสาหกรรม การแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า ไม่ใช่เพียงบทเรียนด้านเคมีเท่านั้น แต่เป็นกระบวนการที่เชื่อมโยงกันซึ่งเปลี่ยนน้ำที่ผ่านการบำบัดแล้วและพลังงานไฟฟ้าให้กลายเป็นไฮโดรเจน ออกซิเจน ความร้อน และข้อมูลการดำเนินงาน การเข้าใจห่วงโซ่นี้ตั้งแต่เนิ่นๆ จะช่วยให้ผู้บริหารโครงการสามารถตั้งคำถามที่ดีขึ้นเกี่ยวกับพลังงาน น้ำ การอัดแรง การจัดเก็บ ระบบควบคุม ความปลอดภัย และวัตถุประสงค์ในการใช้ไฮโดรเจน

ในแกนของมัน การแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า ใช้พลังงานไฟฟ้าในการแยกน้ำ (H₂O) ออกเป็นไฮโดรเจน (H₂) กับออกซิเจน (O₂) กระบวนการนี้เกิดขึ้นภายในอิเล็กโทรไลเซอร์ หากพลังงานไฟฟ้ามาจากแหล่งผลิตพลังงานหมุนเวียน ไฮโดรเจนที่ได้อาจเรียกว่า ไฮโดรเจนสีเขียว อย่างไรก็ตาม อิเล็กโทรไลเซอร์เองไม่ได้กำหนดระดับความเข้มข้นของคาร์บอนโดยอัตโนมัติ หากไม่พิจารณาแหล่งพลังงานที่ป้อนเข้ามา

ปฏิกิริยาพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเพื่อผลิตไฮโดรเจน

ปฏิกิริยารวมมีลักษณะเรียบง่าย คือ น้ำรวมกับพลังงานไฟฟ้าจะผลิตไฮโดรเจนกับออกซิเจนออกมา ในทางปฏิบัติ อุตสาหกรรม การแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า โรงงานต้องทำให้ปฏิกิริยานั้นเกิดขึ้นอย่างมั่นคง ควบคุมได้ และปลอดภัย ที่อัตราการไหลที่กำหนด น้ำเข้าสู่สแต็ก กระแสไฟฟ้าแบบตรงขับปฏิกิริยา ไฮโดรเจนกับออกซิเจนแยกออกจากกันตามด้านที่ต่างกัน และอุปกรณ์ข้างหลังปรับสภาพก๊าซแต่ละชนิดให้พร้อมสำหรับการใช้งานขั้นต่อไป

สำหรับไฮโดรเจนที่ผลิตได้ 1 กิโลกรัม ปฏิกิริยาโดยทฤษฎีจะใช้น้ำประมาณ 8.93 กิโลกรัม ตัวเลขนี้มีประโยชน์สำหรับการประเมินเบื้องต้น แต่ไม่ใช่สมดุลน้ำทั้งหมด การสูญเสียจากกระบวนการกำจัดสิ่งเจือปน ความต้องการในการระบายความร้อน การปล่อยน้ำทิ้ง (blowdown) และข้อกำหนดเฉพาะด้านคุณภาพน้ำในพื้นที่ อาจส่งผลต่อพื้นฐานการออกแบบ ดังนั้นโครงการเชิงอุตสาหกรรมจึงควรประเมินระบบบำบัดน้ำและการจัดการน้ำร่วมกับชุดอุปกรณ์อิเล็กโทรไลเซอร์

ส่วนประกอบของระบบอิเล็กโทรไลเซอร์

ทางปฏิบัติ การแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า ระบบประกอบด้วยหลายหน่วยย่อย ไม่ใช่เพียงแค่สแต็กเพียงอย่างเดียว

• การบำบัดน้ำ: เตรียมน้ำป้อนให้มีความบริสุทธิ์ตามระดับที่เทคโนโลยีที่เลือกต้องการ
• การแปลงพลังงาน: แปลงพลังงานไฟฟ้ากระแสสลับที่ป้อนเข้ามา ให้เป็นพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงที่ควบคุมได้ ซึ่งสแต็กใช้งาน
• สแต็กอิเล็กโทรไลเซอร์: ประกอบด้วยอิเล็กโทรด อิเล็กโทรไลต์หรือเมมเบรน และช่องทางไหลที่เกิดปฏิกิริยา
• การแยกและทำให้ก๊าซกับของเหลวบริสุทธิ์ กำจัดความชื้นและควบคุมคุณภาพก๊าซก่อนการอัดแรง การจัดเก็บ หรือการใช้งาน
• การจัดการความร้อน: ควบคุมอุณหภูมิในการทำงาน และถ่ายเทหรือกู้คืนความร้อนตามความเหมาะสม
• ระบบควบคุมและความปลอดภัย ตรวจสอบความดัน ความบริสุทธิ์ อัตราการไหล อุณหภูมิ การระบายอากาศ สัญญาณเตือน และตรรกะการหยุดระบบ

อินเทอร์เฟซเหล่านี้อธิบายเหตุผลที่ การแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า ควรประเมินเป็นระบบทั้งโรงงาน แม้สแต็กจะทำงานได้ดี โครงการโดยรวมยังอาจประสบข้อจำกัดด้านการเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้า ปริมาณน้ำที่มีอยู่ พลังงานสำหรับการอัดแรง หรือการรับซื้อไฮโดรเจน

กระบวนการเปลี่ยนจากน้ำไปเป็นไฮโดรเจนที่ใช้งานได้

1. ปรับสภาพสิ่งป้อนเข้า โครงการนี้จัดหาน้ำและไฟฟ้าภายในช่วงเวลาการดำเนินงานที่ผู้ให้บริการเทคโนโลยีกำหนด
2. แปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรง เรกติไฟเออร์และระบบควบคุมปรับกระแสไฟฟ้าที่ส่งไปยังสแต็กอิเล็กโทรไลเซอร์
3. แยกโมเลกุลน้ำในสแต็ก ที่ขั้วแคโทดเกิดไฮโดรเจน ที่ขั้วแอโนดเกิดออกซิเจน และเยื่อหรือตัวแยกจะรักษาสตรีมผลิตภัณฑ์ให้แยกจากกัน
4. แยกและบำบัดก๊าซ ตัวแยกก๊าซ-ของเหลวกำจัดน้ำที่ปนมากับก๊าซ อาจตามด้วยการลดความชื้นหรือการบริสุทธิ์ก๊าซ ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดสุดท้าย
5. จัดส่งหรือเก็บไฮโดรเจน ผลิตภัณฑ์สามารถส่งต่อไปยังกระบวนการอัดแรงดัน การจัดเก็บ จุดเชื่อมต่อกับท่อส่ง ก๊าซเซลล์เชื้อเพลิง กระบวนการอุตสาหกรรม หรือจุดรับมอบผลิตภัณฑ์อื่นที่ระบุไว้

ลำดับขั้นตอนดังกล่าวคือพื้นฐานของ การแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า , แต่ละขั้นตอนมีขอบเขตการปฏิบัติงานที่กำหนดไว้ การเปลี่ยนแปลงของกำลังไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน สภาพแวดล้อมภายนอก คุณภาพน้ำ เป้าหมายความดัน และความต้องการของผู้ใช้งานปลายทาง ล้วนมีผลต่อการระบุรายละเอียดและการควบคุมระบบ

กลุ่มเทคโนโลยีอิเล็กโทรไลเซอร์ที่ใช้กันทั่วไป

อุตสาหกรรม การแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า โครงการมักเปรียบเทียบเทคโนโลยีแบบอัลคาไลน์ (alkaline), เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM), เมมเบรนแลกเปลี่ยนอนิออน (AEM) และเทคโนโลยีโซลิดออกไซด์ แม้จะมีจุดประสงค์หลักเดียวกันคือการแยกน้ำ แต่แต่ละชนิดแตกต่างกันในด้านวัสดุที่ใช้ เงื่อนไขการปฏิบัติงาน ความเร็วในการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลง ระดับความพร้อมใช้งานจริง และความต้องการส่วนประกอบเสริมของระบบ

ไม่มีตารางใดสามารถแทนการประเมินที่ทำเฉพาะสำหรับโครงการได้ ความเหมาะสมของ การแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้พลังงาน แรงดันและคุณภาพของไฮโดรเจนที่ต้องการ สิ่งอำนวยความสะดวกภายในพื้นที่ รูปแบบการบำรุงรักษา กำหนดเวลา และการแบ่งปันความเสี่ยงเชิงพาณิชย์

เหตุใดไฟฟ้าและลักษณะการดำเนินงานจึงสำคัญ

โดยทั่วไป ไฟฟ้าถือเป็นปัจจัยนำเข้าหลักในการดำเนินงานของ การแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า โครงการหนึ่งควรมีการระบุไม่เพียงแต่กำลังไฟฟ้าสูงสุดตามค่าที่ระบุ (MW rating) เท่านั้น แต่ยังรวมถึงช่วงโหลดที่คาดว่าจะใช้งาน รูปแบบการเพิ่มหรือลดโหลด (ramping pattern) กลยุทธ์การจำกัดการผลิต (curtailment strategy) และความสัมพันธ์ระหว่างการผลิตไฟฟ้ากับความต้องการไฮโดรเจนด้วย แหล่งพลังงานหมุนเวียนสามารถสนับสนุนการผลิตที่ปล่อยคาร์บอนต่ำ อย่างไรก็ตาม ผลผลิตที่แปรผันต้องสะท้อนให้เห็นในการดำเนินงานของเซลล์เชื้อเพลิง (stack operation) การจัดเก็บสำรอง (buffer storage) และการวางแผนการส่งมอบต่อเนื่อง

การนำเทคโนโลยีไปใช้งานในอุตสาหกรรมกำลังขยายตัว แต่กำลังการผลิตที่ติดตั้งแล้วไม่สามารถขจัดความเสี่ยงเฉพาะสถานที่ได้ สำนักงานพลังงานระหว่างประเทศ (IEA) รายงานว่า กำลังการผลิตติดตั้งรวมของอิเล็กโทรไลเซอร์น้ำทั่วโลกอยู่ที่ประมาณ 1.4 กิกะวัตต์ ณ สิ้นปี 2566 สำหรับโครงการแต่ละแห่ง คำถามที่เร่งด่วนกว่านั้นคือ ระบบทั้งระบบจะสามารถทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ภายใต้เงื่อนไขด้านพลังงาน สาธารณูปโภค และการรับซื้อไฮโดรเจนของสถานที่นั้นหรือไม่

รายการตรวจสอบเบื้องต้นที่ใช้งานได้จริง

ก่อนการเลือก การแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า วิธีแก้ปัญหา ให้จัดแนวการอภิปรายเชิงเทคนิครอบคำถามพื้นฐานไม่กี่ข้อ

• อัตราการไหลของไฮโดรเจนเป้าหมาย รูปแบบการผลิตต่อปี ระดับความบริสุทธิ์ และแรงดันในการจ่ายคือเท่าใด
• จะใช้แหล่งพลังงานใด และผลผลิตของแหล่งนั้นมีความแปรผันมากน้อยเพียงใด
• มีแหล่งน้ำป้อนและระบบบำบัดน้ำใดบ้างที่พร้อมใช้งาน
• ออกซิเจน ความร้อน และน้ำควบแน่นจะถูกจัดการที่ใด
• หลังจากอิเล็กโทรไลเซอร์ จะมีอินเทอร์เฟซประเภทใดบ้าง เช่น การอัดแรงดัน การเก็บรักษา การขนส่ง หรือการนำไปใช้ในกระบวนการ
• รหัสความปลอดภัย ข้อกำหนดในการขออนุญาต และกฎระเบียบเกี่ยวกับพื้นที่อันตรายใดบังคับใช้กับสถานที่นี้
• ต้องมีข้อมูล ช่องทางการเข้าถึงบริการ แผนการจัดเตรียมอะไหล่ และการทดสอบประสิทธิภาพใดบ้างในขณะส่งมอบ

สำหรับโครงการที่พิจารณาความจุในระดับเมกะวัตต์ การทบทวนหน้าผลิตภัณฑ์ที่มีอยู่อาจเป็นประโยชน์ในฐานะจุดเริ่มต้นในการหารือเกี่ยวกับขนาดของระบบกับผู้จัดจำหน่าย 1MW-5MW อย่างไรก็ตาม โครงสร้างสุดท้ายควรขึ้นอยู่กับข้อกำหนดเฉพาะของสถานที่ที่ได้รับการยืนยันแล้ว มากกว่าชื่อผลิตภัณฑ์เพียงอย่างเดียว

จากปฏิกิริยาเคมีสู่การตัดสินใจเชิงอุตสาหกรรม

การแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า ทำงานโดยการป้อนกระแสไฟฟ้าลงในน้ำภายในอุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้า (electrolyzer) แล้วจัดการก๊าซที่เกิดขึ้นผ่านระบบทั้งหมดของโรงงาน (balance of plant) ปฏิกิริยานั้นเรียบง่าย แต่การทำให้เกิดความน่าเชื่อถือในระดับอุตสาหกรรมจำเป็นต้องมีการผสานรวมอย่างรอบคอบระหว่างระบบจ่ายไฟ น้ำ การควบคุมกระบวนการ การจัดการก๊าซ และความปลอดภัย

สำหรับทีมโครงการที่อยู่ในขั้นตอนการรับรู้เบื้องต้น ขั้นตอนต่อไปคือการแปลงลำดับขั้นตอนพื้นฐานของกระบวนการให้กลายเป็นรายการข้อกำหนดเฉพาะของสถานที่ ซึ่งจะทำให้วิศวกร ทีมจัดซื้อ และผู้ให้บริการโซลูชันมีพื้นฐานร่วมกันในการเปรียบเทียบ การแยกไฮโดรเจนด้วยไฟฟ้า ตัวเลือกต่าง ๆ โดยไม่กล่าวอ้างถึงสมรรถนะเกินจริงก่อนที่เงื่อนไขการดำเนินงานจะถูกกำหนดอย่างชัดเจน