Phân ly nước bằng điện cực kiềm (ALK), là một công nghệ sản xuất hydro từ điện năng đã trưởng thành và có hiệu quả về chi phí, có thể sản xuất hydro hiệu quả với độ tinh khiết hơn 99,9% khi kết hợp với các bước sấy khô và tinh chế oxy. Tuy nhiên, công nghệ này chủ yếu được thiết kế để hoạt động ở trạng thái ổn định trong điều kiện định mức hoặc gần tải đầy, và khả năng thích ứng với tải một phần, đặc biệt là hoạt động không liên tục, là hạn chế. Với tỷ lệ năng lượng tái tạo (như gió và quang điện) ngày càng tăng trong lưới điện và nhu cầu ngày càng tăng về việc sử dụng hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) để hấp thụ công suất năng lượng tái tạo dao động, công nghệ phân ly nước bằng điện cực kiềm phải đối mặt với những thách thức nghiêm trọng trong lĩnh vực này.
I. Những thách thức chính của hoạt động tải một phần (thấp): Tạp chất khí và rủi ro an toàn
Trong quá trình phân ly, oxy được sản xuất tại cực dương và hydro được sản xuất tại cực âm. Mặc dù tấm ngăn có thể ngăn chặn đáng kể sự thẩm thấu và di chuyển của hầu hết các loại khí (như oxy sang cực âm và hydro sang cực dương), nhưng hydro và oxy được tạo ra không hoàn toàn tinh khiết và vẫn chứa một lượng rất nhỏ các tạp chất chéo. Trong điều kiện định mức, các tạp chất này có thể được loại bỏ hiệu quả thông qua các bước tinh chế tiếp theo (như loại bỏ oxy khỏi dòng hydro và loại bỏ hydro khỏi dòng oxy).
Cốt lõi của vấn đề nằm ở việc giảm tải:
Tỷ lệ rò rỉ của tấm ngăn vẫn cơ bản không đổi: Tỷ lệ thẩm thấu vật lý của khí qua tấm ngăn chủ yếu được xác định bởi tính chất vật liệu và chênh lệch áp suất giữa hai mặt, và gần như không đổi.
Tốc độ sản xuất khí giảm: Sự giảm tải dẫn đến giảm tổng lượng H₂ được sản xuất tại cực âm và O₂ được sản xuất tại cực dương trong mỗi đơn vị thời gian (tức là mẫu số).
Nồng độ tương đối của tạp chất tăng lên: Khi (1) vẫn không đổi (tử số) và (2) giảm, nồng độ tương đối của khí đối lập trong khí sản phẩm tăng lên đáng kể, dẫn đến mức độ ô nhiễm quá cao.
Sự tăng lên của nồng độ tạp chất này đặt ra những vấn đề an toàn nghiêm trọng. Khi hỗn hợp hydro-oxy đạt đến một tỷ lệ cụ thể (như hàm lượng O₂ ≥4% thể tích trong H₂ hoặc hàm lượng H₂ ≥4% thể tích trong O₂), nó sẽ rơi vào phạm vi giới hạn nổ. Để đảm bảo an toàn vận hành, các máy điện phân kiềm được trang bị cơ chế liên động an toàn: một khi nồng độ chất ô nhiễm trong một trong hai dòng khí đạt 2% thể tích (một mức an toàn dưới giới hạn nổ), hệ thống sẽ được tắt để cho phép thanh lọc có trật tự trong điều kiện có nguy cơ thấp.
Do đó, trong quá trình vận hành với tải một phần, mức độ ô nhiễm tăng lên khi tải giảm, và có một tải tối thiểu cho phép (giới hạn dưới) cho máy điện phân, tương ứng với giới hạn chất ô nhiễm 2% thể tích. Đối với các máy điện phân có thiết kế khác nhau, giới hạn tải dưới thường nằm trong khoảng 10%-40% tải định mức. Điều này có nghĩa là:
Khi cường độ cung cấp điện dao động dưới 40% giá trị định mức, nó có thể dẫn đến việc tắt máy không theo kế hoạch.
Tác hại do tắt máy gây ra vượt xa tác hại của việc gián đoạn sản xuất hydro:
Thời gian khởi động lại dài: Quá trình khởi động lại phức tạp và tốn thời gian, thường vượt xa thời gian cần thiết để phục hồi dao động điện.
Tăng tốc lão hóa thiết bị: Mỗi chu kỳ khởi động-tắt máy gây ra tổn thương do căng thẳng cho các điện cực (như điện cực dựa trên niken), làm giảm đáng kể tuổi thọ của chúng (tuổi thọ điện cực điển hình chỉ là 5.000-10.000 chu kỳ khởi động-tắt máy) và tăng tần suất bảo trì và chi phí tài sản thiết bị.
II. Nguyên nhân của khoảng giới hạn tải dưới (10%-40%): Sự khác biệt trong các chế độ lưu thông điện giải
Sự khác biệt trong khoảng giới hạn tải dưới (10%-40%) của các máy điện phân kiềm chủ yếu xuất phát từ sự khác biệt trong các chế độ quản lý lưu thông điện giải của chúng: Vòng lặp riêng biệt so với Vòng lặp chia sẻ/hỗn hợp.
Thách thức của Vòng lặp chia sẻ/hỗn hợp: Sau khi phản ứng, hỗn hợp khí-lỏng tại các điện cực đi vào các bộ tách âm và dương riêng biệt để tách khí-lỏng. Nếu các điện giải đã tách được sau đó trộn lẫn và tái chế (Vòng lặp chia sẻ/hỗn hợp):
Tăng nhiễm chéo khí: Các khí dư lượng có trong các pha lỏng đã tách (một lượng nhỏ O₂ trong lỏng âm và một lượng nhỏ H₂ trong lỏng dương) sẽ chuyển giao cho nhau khi trộn lẫn các điện giải.
Nồng độ tạp chất ban đầu cao: Điều này dẫn đến nồng độ tạp chất O₂ trong hydrogen phía cực âm và tạp chất H₂ trong oxygen phía cực dương cao hơn.
Tắt máy cưỡng bức ở tải trọng cao: Để tránh kích hoạt ngưỡng an toàn 2% thể tích ở tải trọng thấp, hệ thống phải tắt máy ở tải trọng tương đối cao (thường là khoảng 40% tải trọng định mức), dẫn đến giới hạn tải trọng thấp hơn kém hơn (ví dụ, ~40%).
Ưu điểm và chi phí của Vòng lặp Tách biệt: Nếu điện giải được tách ra từ cực âm và cực dương được tuần hoàn độc lập (không trộn lẫn), nó có thể hiệu quả ngăn chặn sự ô nhiễm chéo trên đây, giảm đáng kể nồng độ tạp chất ban đầu, và do đó đẩy giới hạn tải trọng thấp an toàn gần hơn với mức thấp hơn (ví dụ, ~10%).
Quản lý cân bằng mực nước: Đảm bảo mực nước ổn định ở cả hai bên để tránh các vấn đề hút hoặc bơm.
Khả năng điều chỉnh nồng độ: Duy trì điện giải hoạt động trong phạm vi nồng độ tối ưu (ví dụ, NaOH có độ dẫn điện đỉnh ≈65 S/m ở <20% khối lượng và ~50°C; KOH có độ dẫn điện đỉnh ≈95 S/m ở >30% khối lượng), điều này rất quan trọng để đảm bảo tiêu thụ năng lượng thấp và hiệu suất cao.
Những thách thức phải đối mặt: Vòng lặp Tách biệt tự nó cũng đưa ra những vấn đề mới.
Sự phức tạp của việc duy trì cân bằng: Điều này đòi hỏi hệ thống phải có độ chính xác cao
Nồng độ tăng lên ở khu vực cực âm: Tiêu thụ nước trong phản ứng cực âm dẫn đến sự tăng lên cục bộ nồng độ KOH/NaOH.
Nồng độ pha loãng ở khu vực cực dương: Sự tạo ra nước trong phản ứng cực dương dẫn đến sự giảm sút cục bộ nồng độ KOH/NaOH.
III. Tác động chồng chất của Hoạt động Áp suất
Mặc dù hoạt động áp suất cao có thể giảm tiêu thụ năng lượng của quá trình nén hydrogen tiếp theo, nhưng nó làm trầm trọng hơn vấn đề ô nhiễm chéo khí ở tải trọng thấp:
Tăng cường khuếch tán vách ngăn: Áp suất tăng có thể làm tăng tốc độ thẩm thấu của khí qua vách ngăn.
Tăng độ hòa tan khí: Độ hòa tan của khí trong điện giải tăng lên cùng với áp suất tăng, dẫn đến sự tăng lên lượng khí tạp chất mang theo do hòa tan.
Kết luận: Dưới điều kiện hoạt động đòi hỏi khắt khe nhất là sự kết hợp giữa tải trọng một phần và hoạt động áp suất, phải áp dụng thiết kế vòng lặp bypass, cùng với việc thực hiện các chiến lược hiệu quả để cân bằng mực nước và nồng độ để duy trì nồng độ tạp chất trong giới hạn an toàn. Nghiên cứu chỉ ra rằng khả năng thích ứng của việc tuần hoàn điện giải chung đối với điều kiện vận hành kết hợp này là rất nhạy cảm và không ổn định.
IV. Quản lý mất điện và điện áp thấp
Dưới tiền đề duy trì nồng độ tạp chất trong giới hạn an toàn, hệ thống có thể tạm thời chấp nhận vận hành dưới giới hạn tải trọng thấp hơn, nhưng điện áp điện cực phải được kiểm soát chặt chẽ:
Điện áp bảo vệ cực âm: Khi điện áp cực âm giảm xuống dưới khoảng 0,25 V, sự suy giảm (như ăn mòn và hòa tan) của vật liệu điện cực sẽ tăng tốc đáng kể.
Dự phòng an toàn: Ngay cả khi nồng độ tạp chất có thể kiểm soát được, một khi điện áp tiếp cận ngưỡng này, cần phải tắt máy ngay lập tức để bảo vệ điện cực.
Chiến lược phản ứng:
Đệm hiệu ứng điện dung: Cấu trúc điện cực đa lớp hiện đại có thể thể hiện một hiệu ứng điện dung nhất định (tương đương với một tụ điện lớn). Các thí nghiệm đã chứng minh rằng sau khi mất điện hoàn toàn, hiệu ứng này có thể làm chậm tốc độ giảm điện áp điện cực, tạo thời gian cho hệ thống khởi động lại. Dữ liệu nghiên cứu chỉ ra rằng nếu điện có thể được khôi phục trong vòng 10 phút sau khi mất điện, có thể tránh được việc tắt máy và duy trì hoạt động liên tục, tăng cường đáng kể khả năng của hệ thống để đối phó với các dao động tạm thời.
V. Độ phức tạp của Quản lý Nhiệt độ
Vận hành với tải trọng một phần cũng đặt ra những thách thức lớn đối với việc kiểm soát nhiệt độ của hệ thống:
Phạm vi hiệu suất tối ưu hẹp: Phản ứng điện phân kiềm thường đạt được hiệu suất tối ưu (độ dẫn điện cao mà không có sự suy giảm vật liệu đáng kể) trong khoảng 50-80°C.
Nhiệt lượng không đủ ở tải trọng giảm: Khi tải trọng giảm, nhiệt lượng phản ứng (nhiệt lượng ôm và nhiệt lượng phản ứng) cũng giảm theo. Dưới nhiệt độ môi trường thấp hoặc cách nhiệt không đủ, hệ thống phải vật lộn để duy trì nhiệt độ trên mức tối thiểu là 50°C (ảnh hưởng đến hiệu suất và an toàn).
Tản nhiệt cần thiết ở tải trọng cao và nhiệt độ cao: Dưới tải trọng đầy đủ hoặc nhiệt độ môi trường cao, cần có một hệ thống làm mát hiệu quả để ngăn nhiệt độ vượt quá giới hạn trên (thường là 80-90°C) để tránh tăng tốc quá trình suy giảm vật liệu hoặc làm trầm trọng thêm sự ăn mòn.
VI. Chiến lược bên ngoài để đối phó với sự dao động tải một phần
Để đối phó hiệu quả với sự dao động công suất dưới mức tải thấp nhất (ví dụ như 10%-25%) và tránh khởi động và tắt máy thường xuyên, thường cần có các chiến lược bên ngoài để duy trì các mô-đun con của máy điện phân hoạt động ở mức tải cao hơn:
Đệm dao động công suất: Tích hợp các hệ thống lưu trữ năng lượng (ví dụ như pin, siêu tụ điện hoặc bánh xe quay) để làm mịn sự dao động nhanh chóng của năng lượng tái tạo và cung cấp đầu vào DC ổn định.
Hoạt động theo nhóm của các cụm điện phân: Chia một hệ thống điện phân lớn thành nhiều mô-đun con độc lập. Khi tổng công suất yêu cầu giảm, một số mô-đun con có thể được tắt (đưa vào chế độ tắt hoặc chế độ chờ), trong khi duy trì các mô-đun con còn lại đang hoạt động gần với mức tải định mức của chúng.
Thách thức kỹ thuật:
Thuật toán phân bổ tải: Phân bổ hiệu quả và linh hoạt sự dao động công suất cho các mô-đun con khác nhau.
Quản lý trạng thái nhiệt: Quản lý sự tăng, giảm nhiệt độ và yêu cầu cách điện khi khởi động và tắt các mô-đun con khác nhau.
Ghi lại và phân tích lịch sử hoạt động: Theo dõi và ghi lại chính xác thời gian khởi động, thời gian hoạt động, đường cong tải, v.v. của từng mô-đun con để đánh giá tình trạng lão hóa, dự đoán tuổi thọ, xây dựng kế hoạch bảo trì chính xác (ví dụ như thay thế điện cực) và tối ưu hóa các chiến lược hoạt động.
