Dezvoltarea și aplicarea tehnologiei de producere a hidrogenului prin electroliză a apei cu membrană schimbătoare de protoni sub fluctuațiile energiei eoliene și solare I

Dezvoltarea și aplicarea membrana schimbătoare de protoni electroliza apei producerea de hidrogen tehnologie sub fluctuațiile energiei eoliene și solare I

Tendința de încălzire globală este mai evidentă. DezvoltareaPmentul de energie curată poate atenua cantitatea mare de emisii de gaze cu efect de seră generate de utilizarea combustibililor fosili. Prin urmare, dezvoltarea energiei regenerabile, cum ar fi energia eoliană și energia solară, are o mare importanță pentru dezvoltarea durabilă a societății umane. Energia regenerabilă are o dependență puternică de timp și spațiu, intermitență, volatilitate și alte caracteristici. De asemenea, se confruntă cu dificultățile de fiabilitate și de reglare a vârfurilor și frecvenței în conexiunea la rețea. Prin urmare, transformarea energiei electrice din surse regenerabile în energie chimică și stocarea acesteia înainte de utilizare este mai flexibilă și reprezintă o modalitate eficientă de coordonare a dezvoltării sursei, rețelei și încărcării.

Hidrogenul are avantajele de a fi curat și de a avea o calitate/densitate energetică ridicată. Este un purtător de energie eficient care poate înlocui combustibilii fosili, cum ar fi cărbunele și gazul natural, în industriile cu emisii mari de carbon, electricitate și alte domenii și are perspective largi de aplicare. Producția de hidrogen din electroliza apei din surse regenerabile este o modalitate eficientă de a obține consumul de energie regenerabilă și producția de hidrogen verde. Tehnologiile comune includ electroliza apei alcaline, electroliza apei cu membrană schimbătoare de protoni (PEM), electroliza apei cu membrană schimbătoare de anioni și electroliza apei cu oxid solid. Printre acestea, tehnologia de electroliză a apei PEM are densitate mare de curent, eficiență (80% ~ 90%), puritate a gazului, consum și volum scăzut de energie și siguranță și fiabilitate bune. Efectuarea cercetării și dezvoltării tehnologiei de electroliză a apei PEM este o parte importantă a sprijinirii realizării energiei regenerabile și producției de hidrogen cuplate cu electricitate.

Articolul se concentrează pe dezvoltarea și aplicarea unei tehnologii eficiente de producere a hidrogenului prin electroliza apei sub surse de energie eoliană și solară fluctuante. Se discută în mod sistematic problemele existente în producția de hidrogen prin cuplarea surselor de energie eoliană și solară fluctuantă din aspectele caracteristicilor de fluctuație eoliană și solară și ale metodelor de producere a hidrogenului, caracteristicile de producție a hidrogenului prin electroliza apei PEM și mecanismul de atenuare, starea actuală a aplicațiilor de producție de hidrogen și cheie. cercetare și dezvoltare tehnologică, pentru a oferi o referință de bază pentru dezvoltarea tehnologiei corespunzătoare și cercetarea aplicațiilor industriale.

I. Scenarii de producere a energiei electrice din surse regenerabile, eoliană și solară, producție de hidrogen
Principalele forme de energie din surse regenerabile sunt energia eoliană și generarea de energie fotovoltaică, care au proprietatea inerentă a unei volatilități puternice. Numai analizând caracteristicile de fluctuație ale energiei eoliene și fotovoltaice putem identifica condițiile de bază pentru dezvoltarea tehnologiei de producere a hidrogenului prin electroliza apei sub surse de energie eoliană și fotovoltaică fluctuante.
1. Putere eoliană cuplată cu producția de hidrogen
Vânt producția de hidrogen cuplată cu putere este împărțită în principal în tipuri conectate la rețea și în afara rețelei. Pentru energia eoliană conectată la rețea, rețeaua electrică realizează controlul tensiunii și frecvenței prin sistemul de management al energiei pentru a se asigura că celula electrolitică produce hidrogen la o tensiune relativ stabilă; metodele corespunzătoare conectate la rețea includ în principal conectarea la rețea de energie eoliană sincronă și conectată la rețea de energie eoliană asincronă. Există trei scenarii principale de aplicație pentru producția de hidrogen cuplată cu energie eoliană conectată la rețea: utilizarea surplusului de energie eoliană pentru a produce hidrogen, care joacă rolul de „răpire a vârfurilor” în rețeaua electrică; utilizarea energiei cu hidrogen și generarea de energie electrică prin tehnologii precum celulele de combustie pentru a juca rolul de „umplere a văii” în rețeaua electrică; utilizarea rețelei de alimentare pentru a rezolva problema intermitentă a energiei eoliene și pentru a îmbunătăți stabilitatea și fiabilitatea sistemului de producție de hidrogen.
În comparație cu metoda conectată la rețea, energia eoliană în afara rețelei elimină echipamentele auxiliare conectate la rețea, poate evita problemele cauzate de conectarea la rețea și poate reduce costul producției de hidrogen. În special pentru energia eoliană offshore, adoptarea producției de energie în afara rețelei poate rezolva în mod eficient problema transportului de energie; Infrastructura de transport a petrolului și a gazelor naturale poate servi și ca canal de transport pentru producția de hidrogen de energie eoliană offshore, ceea ce reduce semnificativ costul de investiție al conductei corespunzătoare. În general, există două scenarii principale de aplicare pentru producția de hidrogen cuplată cu energie eoliană în afara rețelei: hidrogenul obținut este exportat prin conducte de gaz sau cisterne cu hidrogen, iar un sistem de microrețea este construit cu energie eoliană, convertoare, electrolizoare, echipamente de stocare a hidrogenului, combustibil. celule, etc.

2. Generarea de energie fotovoltaică cuplată cu producția de hidrogen
Generarea de energie fotovoltaică cuplată cu producția de hidrogen poate fi, de asemenea, împărțită în tipuri conectate la rețea și în afara rețelei. Generarea de energie fotovoltaică conectată la rețea cuplată cu producția de hidrogen conectează electricitatea generată de modulele fotovoltaice la rețea și apoi obține energie electrică din rețea pentru a electroliza apa pentru a produce hidrogen. Este adesea folosit pentru stocarea de energie și lumină abandonată pe scară largă; Generarea de energie fotovoltaică în afara rețelei cuplată cu producția de hidrogen se referă la furnizarea directă a energiei electrice generate de modulele fotovoltaice către electrolizoarele pentru producerea hidrogenului, care este utilizat în principal pentru producția distribuită de hidrogen. Generarea de energie fotovoltaică cuplată cu tehnologia de producere a hidrogenului cu electroliză a apei PEM adoptă în principal două moduri: cuplarea indirectă cu conversie DC-DC fotovoltaică și cuplarea directă fotovoltaică.
1). Conversie fotovoltaică DC-DC cuplare indirectă producție de hidrogen
Puterea de ieșire a producției de energie fotovoltaică este afectată de mai mulți factori, cum ar fi radiația solară, temperatura ambiantă și sarcina externă, ceea ce face dificilă furnizarea directă a puterii optime pentru sarcină. Un convertor DC-DC este de obicei adăugat între modulul fotovoltaic și celula electrolitică pentru a se potrivi mai bine cu tensiunea fotovoltaică și tensiunea celulei electrolitice, îmbunătățind astfel eficiența producției de hidrogen. Metoda folosită în mod obișnuit este urmărirea densității maxime de putere, cum ar fi utilizarea tehnologiei de modulare a lățimii impulsului pentru a ajusta ciclul de funcționare pentru a urmări punctul de putere maximă și a regla controlul robust al curentului de ieșire al convertorului. Deși convertorul DC-DC poate îmbunătăți eficient eficiența producției de hidrogen, ondulația generată de convertor va cauza erori în evaluarea nivelului curentului de intrare, afectând astfel eficiența de lucru a celulei electrolitice; pierderea cauzată de conversia DC crește costul de funcționare și va afecta, de asemenea, durabilitatea sistemului de producere a hidrogenului și durata de viață a dispozitivului.
2). Producția de hidrogen cu cuplare directă fotovoltaică
Cuplarea directă a dispozitivelor de generare a energiei fotovoltaice și a celulelor electrolitice simplifică complexitatea sistemelor de producere a hidrogenului cuplate cu generarea de energie fotovoltaică. De exemplu, sistemul de electroliză fotovoltaică constă din două celule electrolitice PEM conectate direct la celule fotovoltaice solare cu trei noduri, care pot genera suficientă tensiune pentru a menține procesul de producere a hidrogenului celulei electrolitice pe baza celulelor solare fotovoltaice; ajustarea punctului de densitate maximă a puterii fotovoltaice pentru a se potrivi cu celula electrolitică poate face ca eficiența conversiei solare în hidrogen să fie de până la 30%. Cu toate acestea, sub cuplare directă, formele de undă de tensiune și curent ale celulei fotovoltaice acționează direct asupra celulei electrolitice, ceea ce reprezintă o provocare pentru funcționarea sigură și stabilă pe termen lung a stivei de electrolizor.