การแยกน้ำด้วยอัลคาไลน์ (ALK) เป็นเทคโนโลยีที่มีความสมบูรณ์และประหยัดค่าใช้จ่ายในการผลิตไฮโดรเจนจากไฟฟ้า ซึ่งสามารถผลิตไฮโดรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยความบริสุทธิ์เกินกว่า 99.9% เมื่อผสมกับขั้นตอนการอบแห้งและการทำความบริสุทธิ์ของออกซิเจน อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้ถูกออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อการทำงานในสภาวะคงที่ที่อัตรากำหนดหรือใกล้กับโหลดเต็ม และความสามารถในการปรับตัวให้เข้ากับโหลดบางส่วน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการทำงานแบบไม่ต่อเนื่องนั้นมีข้อจำกัด ด้วยส่วนแบ่งของพลังงานหมุนเวียนที่เพิ่มขึ้น (เช่น พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์) ในระบบไฟฟ้าและความต้องการที่เพิ่มขึ้นในการใช้ระบบเก็บพลังงาน (ESS) เพื่อดูดซับพลังงานหมุนเวียนที่ผันผวน เทคโนโลยีการแยกน้ำด้วยอัลคาไลน์จึงต้องเผชิญกับความท้าทายที่รุนแรงในด้านนี้
I. ความท้าทายหลักของการทำงานภายใต้โหลดบางส่วน (ต่ำ): สารปนเปื้อนในแก๊สและความเสี่ยงด้านความปลอดภัย
ในระหว่างกระบวนการแยกน้ำ ออกซิเจนจะถูกผลิตขึ้นที่แอโนด และไฮโดรเจนจะถูกผลิตขึ้นที่แคโทด แม้ว่าตัวแยกจะสามารถยับยั้งการซึมผ่านและการย้ายถ่ายของแก๊สส่วนใหญ่ได้อย่างมาก (เช่น ออกซิเจนไปยังด้านแคโทดและไฮโดรเจนไปยังด้านแอโนด) แต่ไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ถูกผลิตขึ้นก็ไม่ได้บริสุทธิ์อย่างสมบูรณ์และยังคงมีสารปนเปื้อนในปริมาณเล็กน้อย ภายใต้สภาวะที่อัตรากำหนด สารปนเปื้อนในปริมาณเล็กน้อยเหล่านี้สามารถถูกกำจัดได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านขั้นตอนการทำความบริสุทธิ์ในภายหลัง (เช่น การกำจัดออกซิเจนจากกระแสไฮโดรเจนและการกำจัดไฮโดรเจนจากกระแสออกซิเจน)
แก่นของปัญหาอยู่ที่การลดลงของโหลด:
อัตราการรั่วซึมของตัวแยกคงที่โดยพื้นฐาน: อัตราการซึมผ่านทางกายภาพของแก๊สผ่านตัวแยกจะถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของวัสดุและความแตกต่างของแรงดันทั้งสองด้านเป็นหลัก และจะคงที่ประมาณนั้น
อัตราการผลิตแก๊สลดลง: การลดลงของโหลดจะนำไปสู่การลดลงของปริมาณรวมของ H₂ ที่ผลิตขึ้นที่แคโทดและ O₂ ที่ผลิตขึ้นที่แอโนดต่อหน่วยเวลา (นั่นคือ ตัวส่วน)
ความเข้มข้นของสารปนเปื้อนเพิ่มขึ้น: เมื่อ (1) คงที่ (ตัวเศษ) และ (2) ลดลง ความเข้มข้นสัมพัทธ์ของแก๊สตรงข้ามในแก๊สผลิตภัณฑ์จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก นำไปสู่ระดับมลพิษที่เกินกว่ามาตรฐาน
การเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของสารปนเปื้อนนี้ก่อให้เกิดปัญหาด้านความปลอดภัยที่สำคัญ เมื่อส่วนผสมของไฮโดรเจนและออกซิเจนถึงอัตราส่วนที่เฉพาะเจาะจง (เช่น ปริมาณ O₂ ≥4% ปริมาตร ใน H₂ หรือ ปริมาณ H₂ ≥4% ปริมาตร ใน O₂) มันจะเข้าสู่ช่วงขีดจำกัดการระเบิดเพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยในการดำเนินงาน เครื่องผลิตไฮโดรเจนด้วยวิธีอัลคาไลน์จะติดตั้งระบบล็อกความปลอดภัยไว้ด้วย หากความเข้มข้นของสารปนเปื้อนในก๊าซใดก๊าซหนึ่งถึง 2% ปริมาตร (ระดับความปลอดภัยที่ต่ำกว่าขีดจำกัดการระเบิด) ระบบจะถูกปิดเพื่อให้สามารถล้างระบบได้อย่างเป็นระเบียบภายใต้สภาพเสี่ยงต่ำ
ดังนั้น ในระหว่างการดำเนินงานที่มีโหลดบางส่วน ระดับการปนเปื้อนจะเพิ่มขึ้นเมื่อโหลดลดลง และมีโหลดต่ำสุดที่อนุญาตได้ (ขีดจำกัดด้านล่าง) สำหรับเครื่องผลิตไฮโดรเจน ซึ่งสอดคล้องกับขีดจำกัดของสารปนเปื้อนที่ 2% ปริมาตร สำหรับเครื่องผลิตไฮโดรเจนที่มีการออกแบบที่แตกต่างกัน ขีดจำกัดโหลดต่ำสุดโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 10% - 40% ของโหลดที่กำหนด ซึ่งหมายความว่า
เมื่อความเข้มข้นของการจ่ายไฟฟ้าผันผวนต่ำกว่า 40% ของค่าที่กำหนด อาจนำไปสู่การปิดระบบโดยไม่ได้วางแผน
ความเสียหายที่เกิดจากการปิดระบบนั้นเกินกว่าความเสียหายจากการหยุดชะงักของการผลิตไฮโดรเจนเองมาก
เวลาในการเริ่มต้นใหม่ที่ยาวนาน: ขั้นตอนการเริ่มต้นใหม่มีความซับซ้อนและใช้เวลานาน มักจะเกินเวลาที่จำเป็นในการฟื้นฟูจากการผันผวนของไฟฟ้ามาก
การชะลอตัวของอุปกรณ์ที่เร็วขึ้น: แต่ละรอบการเริ่มต้นและหยุดทำงานจะก่อให้เกิดความเสียหายจากความเครียดต่ออิเล็กโทรด (เช่น อิเล็กโทรดที่มีฐานนิเกิล) ซึ่งจะทำให้อายุการใช้งานของอิเล็กโทรดสั้นลงอย่างมาก (อายุการใช้งานของอิเล็กโทรดทั่วไปจะอยู่ที่เพียง 5,000 - 10,000 รอบการเริ่มต้นและหยุดทำงาน) และเพิ่มความถี่ในการบำรุงรักษาและต้นทุนสินทรัพย์อุปกรณ์
II. สาเหตุของช่วงขีดจำกัดโหลดต่ำสุด (10% - 40%): ความแตกต่างในโหมดการหมุนเวียนของสารละลายไฟฟ้า
ความแตกต่างในช่วงขีดจำกัดโหลดต่ำสุด (10% - 40%) ของเครื่องผลิตไฮโดรเจนด้วยวิธีอัลคาไลน์นั้นส่วนใหญ่มาจากความแตกต่างในโหมดการจัดการการหมุนเวียนของสารละลายไฟฟ้าของพวกมัน คือ วงจรแยกส่วนเทียบกับวงจรร่วม/ผสม
ความท้าทายของวงจรร่วม/ผสม: หลังจากปฏิกิริยาแล้ว สารผสมก๊าซ-ของเหลวที่อิเล็กโทรดจะเข้าสู่ตัวแยกแคโธดและแอนโอดแยกเพื่อแยกก๊าซและของเหลว หากสารละลายไฟฟ้าที่แยกแล้วถูกผสมและหมุนเวียนอีกครั้ง (วงจรร่วม/ผสม)
การปนเปื้อนของก๊าซที่เพิ่มขึ้น: ก๊าซตกค้างในปริมาณเล็กน้อยที่ละลายในสารละลายที่แยกแล้ว (ปริมาณเล็กน้อยของ O₂ ในสารละลายแคโธดและปริมาณเล็กน้อยของ H₂ ในสารละลายแอนโอด) จะถ่ายโอนระหว่างกันเมื่อสารละลายไฟฟ้าผสมกัน
ความเข้มข้นของสิ่งเจือปนในระดับเริ่มต้นที่สูงขึ้น: สิ่งนี้ทำให้เกิดความเข้มข้นของสิ่งเจือปน O₂ ในไฮโดรเจนแคโธด์และสิ่งเจือปน H₂ ในออกซิเจนแอนโอด์ในระดับพื้นหลังที่สูงขึ้น
การปิดระบบแบบบังคับที่โหลดสูง: เพื่อหลีกเลี่ยงการกระตุ้นขีดจำกัดความปลอดภัยปริมาตร 2% ที่โหลดต่ำ ระบบต้องปิดที่โหลดที่ค่อนข้างสูง (โดยทั่วไปประมาณ 40% ของโหลดที่กำหนด) ส่งผลให้มีขีดจำกัดโหลดต่ำที่แย่ลง (เช่น ~40%)
ข้อดีและต้นทุนของวงจรแยก: หากอิเล็กโตรไลต์ที่แยกจากแคโธด์และแอนโอด์ถูกหมุนเวียนอย่างเป็นอิสระ (ไม่ผสมกัน) สามารถยับยั้งการปนเปื้อนข้ามที่กล่าวมาข้างต้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดความเข้มข้นของสิ่งเจือปนในระดับเริ่มต้นลงอย่างมาก และดังนั้นจึงสามารถผลักดันขีดจำกัดโหลดต่ำที่ปลอดภัยให้ใกล้กับระดับที่ต่ำลง (เช่น ~10%)
การจัดการสมดุลระดับของเหลว: ให้แน่ใจว่ามีระดับของเหลวที่เสถียรในทั้งสองข้างเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาการดูดหรือการสูบ
ความสามารถในการปรับความเข้มข้น: รักษาอิเล็กโตรไลต์ให้อยู่ในช่วงความเข้มข้นที่เหมาะสม (ตัวอย่างเช่น NaOH มีความนำไฟฟ้าสูงสุดประมาณ 65 S/m ที่น้ำหนักน้อยกว่า 20% และประมาณ 50°C; KOH มีความนำไฟฟ้าสูงสุดประมาณ 95 S/m ที่น้ำหนักมากกว่า 30%) ซึ่งมีความสำคัญในการรับประกันการใช้พลังงานต่ำและประสิทธิภาพสูง
ความท้าทายที่ต้องเผชิญ: วงจรแยกเองก็มีปัญหาใหม่ๆ
ความซับซ้อนในการรักษาสมดุล: สิ่งนี้ต้องการให้ระบบมีความแม่นยำ
ความเข้มข้นที่เพิ่มขึ้นในบริเวณแคโธด์: การใช้น้ำในปฏิกิริยาแคโธด์นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของความเข้มข้น KOH/NaOH ในท้องถิ่น
ความเข้มข้นที่เจือจางในบริเวณแอนโอด์: การเกิดน้ำในปฏิกิริยาแอนโอด์นำไปสู่การลดลงของความเข้มข้น KOH/NaOH ในท้องถิ่น
III. ผลกระทบซ้อนทับจากการดำเนินงานภายใต้แรงดัน
แม้ว่าการดำเนินงานภายใต้แรงดันสูงจะสามารถลดการใช้พลังงานในการบีบอัดไฮโดรเจนในขั้นต่อไปได้ แต่ก็ทำให้ปัญหาการปนเปื้อนของแก๊สข้ามที่โหลดต่ำรุนแรงขึ้น:
การแพร่กระจายของตัวแยกที่เพิ่มขึ้น: แรงดันที่เพิ่มขึ้นอาจเพิ่มอัตราการซึมผ่านของแก๊สผ่านตัวแยก
การเพิ่มขึ้นของความสามารถในการละลายของแก๊ส: ความสามารถในการละลายของแก๊สในอิเล็กโตรไลต์เพิ่มขึ้นตามแรงดันที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้มีปริมาณแก๊สสิ่งเจือปนที่ถูกนำมาด้วยการละลายเพิ่มขึ้น
บทสรุป: ภายใต้การรวมกันของเงื่อนไขการดำเนินงานที่ต้องการมากที่สุดของโหลดบางส่วนและการดำเนินงานภายใต้แรงดัน ต้องนำมาใช้การออกแบบวงจรทางเลี่ยง พร้อมกับการดำเนินการกลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพในการรักษาสมดุลระดับของเหลวและความเข้มข้นเพื่อรักษาความเข้มข้นของสิ่งเจือปนให้อยู่ในขอบเขตที่ปลอดภัยงานวิจัยระบุว่าความสามารถในการปรับตัวของระบบหมุนเวียนอิเล็กโทรไลต์ร่วมกันต่อสภาพการทำงานร่วมกันนี้มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงและไม่มั่นคง
IV. การจัดการการดับไฟและแรงดันไฟฟ้าต่ำ
ภายใต้เงื่อนไขการรักษาระดับความเข้มข้นของสิ่งเจือปนให้อยู่ในขอบเขตที่ปลอดภัย ระบบสามารถรับมือกับการทำงานที่ต่ำกว่าขอบเขตของโหลดล่างได้ชั่วคราว แต่ต้องควบคุมแรงดันไฟฟ้าของอิเล็กโทรดอย่างเข้มงวด:
แรงดันไฟฟ้าป้องกันแคโทด: เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแคโทดลดลงต่ำกว่าประมาณ 0.25 โวลต์ การเสื่อมสภาพของวัสดุอิเล็กโทรด (เช่น การกัดกร่อนและการละลาย) จะเร่งขึ้นอย่างมาก
ความปลอดภัยที่เกินความจำเป็น: แม้ว่าความเข้มข้นของสิ่งเจือปนจะสามารถควบคุมได้ แต่เมื่อแรงดันไฟฟ้าเข้าใกล้ขอบเขตนี้ ระบบจะต้องหยุดทำงานทันทีเพื่อป้องกันอิเล็กโทรด
กลยุทธ์การตอบสนอง:
การบัฟเฟอร์ด้วยผลกระทบของความจุไฟฟ้า: โครงสร้างอิเล็กโทรดแบบคอมโพสิตหลายชั้นในยุคปัจจุบันสามารถแสดงผลกระทบของความจุไฟฟ้าได้ในระดับหนึ่ง (เทียบเท่ากับตัวเก็บประจุภายในที่มีขนาดใหญ่) การทดลองได้แสดงให้เห็นว่าหลังจากการดับไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์ ผลกระทบนี้สามารถชะลออัตราการลดลงของแรงดันไฟฟ้าของอิเล็กโทรดได้ ทำให้ระบบมีเวลาในการเริ่มต้นใหม่ ข้อมูลการวิจัยระบุว่าหากสามารถฟื้นฟูไฟฟ้าได้ภายใน 10 นาทีหลังจากการดับไฟฟ้า อาจเป็นไปได้ที่จะหลีกเลี่ยงการหยุดทำงานและรักษาการทำงานอย่างต่อเนื่องได้ ซึ่งช่วยเพิ่มความสามารถของระบบในการรับมือกับการเปลี่ยนแปลงชั่วคราวได้อย่างมาก
V. ความซับซ้อนของการจัดการอุณหภูมิ
การทำงานที่โหลดบางส่วนก็ก่อให้เกิดความท้าทายที่สำคัญต่อการควบคุมอุณหภูมิของระบบ:
ช่วงประสิทธิภาพที่ดีที่สุดที่จำกัด: การแยกน้ำด้วยไฟฟ้าในสภาพอัลคาไลน์โดยทั่วไปจะบรรลุประสิทธิภาพที่ดีที่สุด (การนำไฟฟ้าสูงโดยไม่มีการเสื่อมสภาพของวัสดุอย่างมาก) ระหว่าง 50-80°C
ความร้อนที่ไม่เพียงพอที่โหลดลดลง: เมื่อโหลดลดลง ความร้อนจากปฏิกิริยา (ความร้อนโอห์มิกและความร้อนจากปฏิกิริยา) ก็จะลดลงตามไปด้วย ภายใต้อุณหภูมิแวดล้อมที่ต่ำหรือฉนวนกันความร้อนที่ไม่เพียงพอ ระบบจะต้องดิ้นรนเพื่อรักษาอุณหภูมิให้สูงกว่าขั้นต่ำที่ 50°C (ซึ่งจะส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพและความปลอดภัย)
การระบายความร้อนที่จำเป็นที่โหลดสูงและอุณหภูมิสูง: ภายใต้โหลดเต็มหรืออุณหภูมิแวดล้อมสูง ระบบระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อป้องกันอุณหภูมิจากการเกินขอบเขตบน (โดยทั่วไปคือ 80-90°C) เพื่อหลีกเลี่ยงการเร่งการเสื่อมสภาพของวัสดุหรือการกัดกร่อนที่รุนแรงขึ้น
VI. มาตรการภายนอกในการรับมือกับการเปลี่ยนแปลงของโหลดบางส่วน
เพื่อรับมือกับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานที่ต่ำกว่าขีดจำกัดโหลดล่าง (เช่น 10%-25%) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และหลีกเลี่ยงการเริ่มต้นและหยุดทำงานบ่อยครั้ง มักจะต้องใช้มาตรการภายนอกเพื่อให้โมดูลย่อยของเครื่องผลิตไฟฟ้าจากน้ำทำงานที่โหลดที่สูงขึ้น:
การบัฟเฟอร์การเปลี่ยนแปลงของพลังงาน: รวมระบบเก็บพลังงาน (เช่น แบตเตอรี่ ซุปเปอร์แคปาซิเตอร์ หรือ ล้อหมุน) เพื่อลดการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วของพลังงานหมุนเวียนและให้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่เสถียร
การทำงานเป็นกลุ่มของเซลล์ผลิตไฟฟ้าจากน้ำ: แบ่งระบบผลิตไฟฟ้าจากน้ำขนาดใหญ่ออกเป็นโมดูลย่อยที่เป็นอิสระหลายโมดูล เมื่อพลังงานที่ต้องการทั้งหมดลดลง โมดูลย่อยบางส่วนสามารถหยุดทำงาน (เข้าสู่โหมดหยุดทำงานหรือโหมดรอคอย) ในขณะที่รักษาโมดูลย่อยที่ทำงานอยู่ให้ใกล้เคียงกับการทำงานที่โหลดปกติของพวกเขา
ความท้าทายทางเทคนิค:
อัลกอริทึมการกระจายโหลด: กระจายการเปลี่ยนแปลงของพลังงานไปยังโมดูลย่อยต่าง ๆ อย่างมีประสิทธิภาพและยืดหยุ่น
การจัดการสถานะความร้อน: จัดการการเพิ่มขึ้น ลดลง และความต้องการฉนวนกันความร้อนเมื่อเริ่มต้นและหยุดทำงานของโมดูลย่อยต่าง ๆ
การบันทึกและวิเคราะห์ประวัติการทำงาน: ติดตามและบันทึกเวลาเริ่มต้น ระยะเวลาการทำงาน เส้นโค้งโหลด เป็นต้น ของแต่ละโมดูลย่อยอย่างแม่นยำเพื่อประเมินสถานะการเสื่อมสภาพ ทำนายอายุการใช้งาน กำหนดแผนการบำรุงรักษาที่แม่นยำ (เช่น การเปลี่ยนอิเล็กโทรด) และปรับปรุงกลยุทธ์การทำงานให้ดีขึ้น
