Объем работ по техническому обслуживанию электролизеров определяется двумя параметрами. Первый параметр — это глубина технического обслуживания, варьирующаяся от минимальной до наиболее обширной: капитальный ремонт электролизера, капитальный ремонт электролизера, разборка электролизера и, наконец, восстановление электролизера. Второй параметр — это уровень замены, от всего агрегата до блока и отдельных ячеек, и подразделяется на замену электролизера, замену блока и замену ячеек/МЭА. Сочетание этих двух параметров определяет время простоя, перечень запасных частей, технические риски и конечное состояние оборудования. На этапе торгов по многим проектам часто возникают споры, и основная причина заключается в том, что эти два параметра не были четко определены в контракте; понимание поставщиком понятия «капитальный ремонт» и понимание заказчиком понятия «капитальный ремонт» полностью различаются с точки зрения объема разборки, доли заменяемых компонентов и критериев приемки. В смету на "капитальный ремонт электролизера" может входить только замена уплотнений, тогда как в смету на "полный капитальный ремонт электролизера" может входить замена большинства мембранно-электродных узлов (МЭУ), что приводит к существенным различиям как в стоимости, так и во времени простоя.
Капитальный ремонт электролизера — это комплексная процедура технического обслуживания, выполняемая во время планового простоя с целью восстановления работоспособности оборудования. Типичные условия, запускающие процесс ремонта щелочных электролизеров, включают: увеличение потребления постоянного тока более чем на 5% выше проектного значения; разброс распределения напряжения в ячейках, превышающий ±3%; отслоение никелевого покрытия, покрывающее более 20% поверхности пластины; или суммарное время работы, достигающее 30 000 часов. Промышленные данные показывают, что типичный срок службы блока щелочных электролизеров составляет приблизительно 90 000 часов (около 10 лет), в то время как вспомогательное оборудование обычно рассчитано на 20–30 лет. Это означает, что за весь срок службы системы блок потребует как минимум одного капитального ремонта. Стандартная процедура «Капитального ремонта электролизера» основана на принципах обратной разборки и упорядоченной сборки, начиная с отключения питания и очистки ячейки, за которыми следуют продувка азотом, разборка и маркировка, очистка и осмотр, ремонт и замена, и, наконец, сборка и затяжка. Каждый раз, когда снимается комплект электродов или рамок, его необходимо немедленно пронумеровать и сфотографировать для документирования распределения коррозии и отложений. Подозрительные продукты коррозии необходимо отобрать и отправить на анализ с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) для определения источника примесей.
Объем работ по капитальному ремонту электролизера шире, чем при стандартном ремонте. Когда в ходе осмотра обнаруживается равномерная коррозия более чем одной трети ячеек электролизера, или когда потеря покрытия электродов превышает 20% от первоначальной толщины, становится экономически целесообразным проведение более масштабных работ. Капитальный ремонт электролизера обычно включает полную разборку блока, замену большинства мембранно-электродных сборок (МЭС), осмотр и ремонт биполярных пластин, а также, возможно, замену торцевых пластин и компрессионного оборудования. Исследовательская группа Немецкого аэрокосмического центра (DLR) провела анализ замены компонентов каждой ячейки в коммерческом блоке электролизера с протонно-обменной мембраной (PEM) и обнаружила, что мембраны с каталитическим покрытием вносят наибольший вклад в снижение производительности из-за загрязнения и перестройки полимеров. Также были обнаружены следы кальция, вероятно, образовавшиеся в результате недостаточной очистки воды во время работы. Это открытие напрямую влияет на стратегию выбора запасных частей при капитальном ремонте электролизера: если система водоподготовки не будет модернизирована одновременно, замененные мембранно-электродные узлы могут столкнуться с теми же путями загрязнения.
«Разборка электролизера» — это диагностическая разборка, а не ремонт как таковой. Блок вскрывается, каждая ячейка осматривается, измеряется степень сжатия прокладки, регистрируется состояние мембраны, проверяется толщина покрытия электродов и подтверждается плоскостность биполярных пластин. Стандартная рабочая процедура, опубликованная в *Frontiers in Energy Research*, подчеркивает необходимость проведения предварительного визуального осмотра компонентов батареи перед любой очисткой или обработкой, за которым следуют углубленные проверки отдельных компонентов, если первоначальные результаты вызывают опасения, включая выявление признаков деградации, таких как изменение цвета, различия в текстуре, расслоение электродов, отверстия или трещины. Результатом «разборки электролизера» является не отремонтированный блок, а отчет о состоянии каждого компонента, который позволяет отличить пригодные для повторного использования детали от тех, которые требуют замены или ремонта. Без этого отчета подрядчики по капитальному ремонту работают вслепую, а владельцы платят за детали, которые, возможно, не нуждаются в замене, и при этом рискуют столкнуться с отказом компонентов из-за неправильной оценки. В коммерческих контрактах демонтаж электролизера обычно является первым этапом любых крупных работ по техническому обслуживанию и служит диагностической основой для всех последующих решений о капитальных затратах.
Восстановление электролизера — это шаг вперед по сравнению с капитальным ремонтом, цель которого — восстановление его производительности до уровня, близкого к исходному. В ходе восстановления электролизера блок полностью разбирается; заменяются все мембраны и электроды; биполярные пластины либо заменяются, либо покрываются новым слоем; обновляется пористый транспортный слой; и блок собирается заново с использованием новых компрессионных элементов и уплотнений. Компания INEOS Electrochemical Solutions имеет более чем 35-летний опыт в разработке покрытий для электродов, а ее услуги по восстановлению включают ремонт модулей и повторное покрытие для различных конструкций электролизеров, что демонстрирует наличие у Electrolyzer Rebuild развитой коммерческой сервисной сети в отрасли. Denora также предоставляет услуги по техническому обслуживанию и восстановлению различных технологий электролизеров, включая реактивацию электродов. Основной принцип Electrolyzer Rebuild заключается в точном определении источника деградации и замене только поврежденных компонентов, а не в слепой замене всего блока. Если деградация ограничивается исключительно слоем анодного катализатора, в то время как катод и биполярные пластины остаются в приемлемом состоянии, стратегия полной замены приведет к ненужным потерям материалов и увеличению затрат.
Замена дымовой трубы представляет собой нечто среднее между капитальным ремонтом и полной заменой. Дымовая труба демонтируется, и устанавливается новая или восстановленная, но инфраструктура системы остается в эксплуатации. Это предпочтительный подход, когда срок службы дымовой трубы подошел к концу, но вспомогательное оборудование все еще находится в пределах своего расчетного срока службы. Проект замены дымовой трубы щелочного электролизера на предприятии BTU Cottbus является реальным примером: старые трубы демонтировались поэтапно, при этом каждое соединение документировалось; технические чертежи были предоставлены поставщику новых труб, чтобы гарантировать возможность установки новых труб на существующие сосуды под давлением без модификации. Наиболее распространенной причиной отказов в проектах по замене дымовых труб являются не дефекты новых труб, а неполная документация по интерфейсам старых труб. Перед демонтажем старых труб с объекта необходимо сделать фотографии каждого соединения, измерить каждую поверхность фланца и зафиксировать размеры каждой прокладки. Если исходная модель дымовой трубы больше не выпускается и нет эквивалентной замены, новая конструкция может потребовать модификации и интеграционных работ, что значительно увеличивает сложность и продолжительность проекта. Анализ причин отказов проекта Eurowind, проведенный компанией Force Technology, также показывает, что сложность решений о замене резко возрастает, когда эквивалентные варианты замены недоступны.
Замена электролизера подразумевает решение о выводе из эксплуатации существующих установок и установке новых; это не капитальный ремонт, не перестройка и не замена энергоблока. К факторам, обусловливающим необходимость замены, относятся: соотношение затрат на ремонт и замену, превышающее 50% от стоимости замены; недоступность запасных частей для устаревших конструкций энергоблоков; или технологические достижения, делающие дальнейшее техническое обслуживание нерентабельным. После замены электролизера демонтированная установка становится переработанным активом. Процесс вывода из эксплуатации включает в себя строгие процедурные требования. Перед физическим демонтажем все электрические, газовые и охлаждающие соединения должны пройти процедуру блокировки и маркировки, а установка должна быть продута и изолирована с помощью глухих фланцев. Рекомендации H2Tools по передовой практике предполагают, что обслуживающий персонал должен убедиться в разрядке энергоблока путем измерения напряжения перед снятием защитных кожухов и электрических соединений. Документация по выводу из эксплуатации при замене электролизера должна включать обновления в реестр активов, закрытие записей о техническом обслуживании и сверку запасов запасных частей. Ненадлежащее закрытие этих записей является причиной того, почему «фиктивные активы» продолжают появляться в планах технического обслуживания спустя годы после физического демонтажа.
Биполярные пластины и пористые транспортные слои в электролизерных блоках с протонно-обменной мембраной содержат стратегически важные сырьевые материалы, в первую очередь титан и металлы платиновой группы. Проект ReCycle в Леобенском университете разработал поэтапную стратегию извлечения, которая начинается с ручной разборки для сохранения целостности компонентов и минимизации загрязнения, за которой следует применение технологии гидрометаллургического выщелачивания для селективного извлечения титана и металлов платиновой группы. Ручная разборка была успешно завершена, обеспечив чистое разделение биполярных пластин и пористых транспортных слоев. В коммерческой реальности ручная разборка является трудоемким процессом, ограничивающим масштабируемость, а процесс химического выщелачивания еще не оптимизирован для промышленного использования. Для операторов, планирующих капитальный ремонт или восстановление электролизеров, практическим подходом является сортировка титановых компонентов по типу и передача их специализированным предприятиям по переработке титана с опытом работы с материалами с покрытием. Средний коэффициент извлечения при переработке титана составляет приблизительно 40%, при этом выбросы углекислого газа составляют около 12 500 килограммов эквивалента CO₂ на один электролизерный блок. Для переработки титана, контактировавшего с покрытиями из оксидов иридия или рутения, необходимо удалить эти покрытия. Было показано, что электролиз серной кислотой эффективно удаляет рутениесодержащие покрытия с титановых анодов, что приводит к уменьшению коррозии титановой подложки и повышению коэффициента извлечения драгоценных металлов. Проект CircuPEM в Институте Фраунгофера UMSICHT исследует полный цикл извлечения титана, иридия и платины из мембранно-электродных сборок с целью достижения коэффициента извлечения, приближающегося к 100 процентам.
Иридий является узким местом, ограничивающим экономическую целесообразность электролизеров с протонно-обменной мембраной (PEM). Иридий не добывается в качестве основного материала, а извлекается исключительно в качестве побочного продукта при добыче платины. Для операторов, планирующих капитальный ремонт или замену электролизеров, содержание иридия в мембранах с каталитическим покрытием представляет собой извлекаемый актив, который следует оценить до утилизации старого оборудования. Проект IRION, финансируемый ЕС, разрабатывает процессы извлечения иридия и деполимеризованных материалов из отслуживших свой срок мембран с каталитическим покрытием. В этих процессах используются ионные жидкости, эвтектические растворители и другие экологически чистые растворители, а также методы электроосаждения, чтобы избежать вредных выбросов, связанных с традиционными методами кальцинирования. Извлеченный иридий и деполимеризованные материалы очищаются и используются для производства новых мембран с каталитическим покрытием. Запатентованный компанией Johnson & Marsie метод описывает процесс, включающий окислительное кислотное выщелачивание для извлечения платины, палладия и/или рутения, за которым следует восстановительное кислотное выщелачивание для извлечения иридия, при этом степень извлечения металлов платиновой группы достигает 90–95%. Гидрометаллургическое извлечение иридия из отходов электролизеров сталкивается с проблемами, связанными с чрезвычайно низкими концентрациями, стабильными формами оксидов и необходимостью получения высокочистого материала; однако оптимизированная гидрометаллургия, направленная на иридий, может обеспечить степень извлечения, превышающую 90%. Мембраны составляют 20–30% от стоимости электролизного блока; следовательно, сохранение мембран в процессе извлечения катализатора имеет прямую экономическую ценность.
Последовательность действий по минимизации общей стоимости владения имеет четкую структуру. Она начинается с оценки состояния. Если деградация локализована, следует провести плановый капитальный ремонт электролизера, включающий целевую замену компонентов. Если деградация широко распространена, но архитектура блока остается неповрежденной, следует провести восстановление электролизера, включающее полную замену мембран и электродов. Если сам блок достиг конца своего срока службы, но инфраструктура системы остается работоспособной, следует провести замену блока. Если весь блок выходит за рамки экономически целесообразного ремонта, следует провести замену электролизера и возместить стоимость титана и драгоценных металлов, содержащихся в выведенном из эксплуатации блоке. Разборка электролизера предшествует каждому этапу, предшествующему капитальному ремонту, и служит диагностической основой для каждого последующего решения о капитальных затратах. Капитальный ремонт электролизера оправдан только после того, как отчет о состоянии, составленный по результатам разборки электролизера, подтвердит необходимость его замены.
Перед запросом коммерческого предложения необходимо четко указать следующее: относится ли объем работ к электролизеру, блоку, ячейке или мембранно-электродному узлу; является ли объем работ капитальным ремонтом электролизера, капитальным ремонтом электролизера, разборкой электролизера, восстановлением электролизера или заменой электролизера; и какие компоненты подлежат замене, включая мембраны, электроды, биполярные пластины, уплотнения, торцевые пластины и крепежные элементы; критерии приемки включают скорость утечки, производство водорода, энергопотребление, чистоту и плотность тока; для извлечения использованных деталей необходимо четко указать методы тестирования, формулы расчета и права собственности на титан и драгоценные металлы ; коммерческие условия должны включать инвентарные номера, гарантию, права собственности на использованные детали и временные рамки простоя.
Капитальный ремонт электролизера восстанавливает его функциональность. Капитальный ремонт электролизера заменяет большинство активных компонентов. Разборка электролизера позволяет получить точные данные о его состоянии по всей системе. Восстановление электролизера возвращает его к практически новому состоянию. Замена электролизера сохраняет систему, одновременно обновляя ее основные компоненты. Замена электролизера выводит оборудование из эксплуатации и запускает процесс извлечения титана и драгоценных металлов. Использованные детали не являются отходами; титановые компоненты должны быть отсортированы для переработки, драгоценные металлы должны быть протестированы и очищены, а доходы от переработки драгоценных металлов должны быть указаны в контракте.
Язык
