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

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

III. PEM electrolizor tehnologia de bază de cercetare și dezvoltare și PEM electrolizor de hidrogen de producție tehnologia direcție de dezvoltare

1. Cercetare și dezvoltare pentru tehnologia electrolizoarelor PEM
Gama de fluctuații de putere a energiei eoliene și solare producția de hidrogen este mare, iar efectele negative asupra echipamente de producere a hidrogenului se manifestă printr-o reducere semnificativă a duratei de viață a echipamentului și a purității hidrogenului produs. Aceste efecte sunt cauzate de atenuarea componentelor principale ale electrolizatorului PEM în condiția alimentării cu energie eoliană și solară fluctuantă. Din punct de vedere tehnic, principala provocare cu care se confruntă electrolizorul PEM este cum să îmbunătățească performanța de lucru și stabilitatea prin cercetarea și dezvoltarea materialelor, procesul de asamblare și optimizare. Cercetarea și dezvoltarea avansată a materialelor includ strat catalitic și materiale adezive, plăci bipolare rezistente la coroziune, membrane organice schimbătoare de ioni și alte direcții. Procesul de asamblare și optimizarea componentelor electrolizorului includ în principal optimizarea metodei de preparare a electrodului cu membrană, optimizarea preîncărcării ansamblului electrolizorului, optimizarea temperaturii electrodului/electrolizorului cu membrană și distribuția tensiunii termice și optimizarea canalului de curgere. În ultimii ani, electrodul cu membrană a fost direcția cheie de cercetare a electrolizorului PEM.
Concentrându-se pe principalele componente ale catalizatorilor electrolizatori, membranelor schimbătoare, plăcilor bipolare etc., principalele modalități de desfășurare a cercetării și dezvoltării catalizatorilor sunt: îmbunătățirea activității și stabilității catalizatorilor prin dopaje compozite binare sau multimetalice; selectarea materialelor de suprafață rezistente la oxidare și cu specificitate ridicată ca purtători de catalizatori pentru a îmbunătăți rata de utilizare și activitatea catalizatorilor; proiectarea de noi catalizatori structurali, cum ar fi structuri nucleu-cochiliu și nanoarrays. Printre membranele de schimb utilizate în prezent, membranele protonice ale acidului perfluorosulfonic DuPont sunt cele mai comune, iar membranele protonice ale acidului perfluorosulfonic cu catenă scurtă de la mărci precum Dow Chemical, 3M, Gore și Asahi Glass sunt, de asemenea, utilizate. Pentru a îmbunătăți stabilitatea membranei de schimb, polimerii de poliarilenă sunt de obicei utilizați pentru a întări și modifica membrana, iar materiale catalitice sunt utilizate pentru a modifica diafragma pentru a reduce încrucișarea gazului produs. Costul plăcilor bipolare reprezintă mai mult de 50% din electrolizor, iar acoperirile cu metale prețioase sunt de obicei configurate pentru a îmbunătăți rezistența la coroziune. Lucrările viitoare de reducere a costurilor de producție se vor concentra în principal pe noi materiale de plăci bipolare cu costuri reduse și procese de tratare a suprafețelor.
În ceea ce privește procesul de asamblare și optimizare, cercetările actuale se concentrează pe proiectarea asimetrică a catodului/anodului, optimizarea fixării componentelor electrolitice prin conectarea poziției cardului etc. Pentru a se adapta la sursa de alimentare fluctuantă, unele studii au explorat influența apei. modificările debitului în electrolizor, distribuția conductelor de alimentare cu apă și structura electrodului membranei pe permeația gazului pe ambele părți, schimbările de temperatură și presiune, densitatea curentului etc. Pentru componentele de bază ale electrolizorului, cele mai frecvent utilizate procese cu membrană de acoperire cu catalizator sunt pulverizare cu ultrasunete și acoperire roll-to-roll: în comparație cu prima, cea din urmă utilizează o acoperire unică a stratului de catalizator, care poate obține o acoperire mai groasă și mai uniformă mai rapid și poate satisface nevoile producției în masă a electrozilor cu membrană. Pentru a evita perforarea, fisurarea, solicitarea mecanică, umidificarea insuficientă și presiunea de reacție cauzată de asamblare, proprietățile materialului utilizat sunt de obicei studiate pe deplin la proiectarea electrodului cu membrană și a procesului de fixare a acestuia, iar testele de încărcare sunt efectuate pe baza unor dispozitive experimentale.

Pentru a evalua durata de viață a componentelor sub pornire-oprire frecventă și sursă de energie fluctuantă eoliană-solară, trebuie obținute mai multe date prin testare accelerată pentru a îmbunătăți durabilitatea componentelor stivei, ceea ce reprezintă o altă provocare în cercetarea și dezvoltarea actuală. Cu toate acestea, nu există un protocol standardizat de testare a dezintegrarii accelerate pentru componentele electrolizorului PEM, iar rata de degradare a componentelor componentelor stivei este dificil de măsurat, ceea ce face dificilă efectuarea unei comparații directe a rezultatelor cercetării existente. Stabilirea unui protocol standardizat de testare a dezintegrarii accelerate a electrolizorului PEM este o problemă de blocaj care trebuie rezolvată urgent în cercetarea și dezvoltarea tehnologiei cheie actuale.
În ultimii ani, cercetarea tehnică și dezvoltarea componentelor cheie ale electrolizoarelor PEM au făcut progrese semnificative. Conform traseului tehnic al țării mele pentru producerea hidrogenului prin electroliza apei, actualii indicatori tehnici cheie ai electrolizoarelor PEM sunt: eficiență de aproximativ 63%, durata de viață de aproximativ 6×104 ore și costul de aproximativ 10.000 de yuani/kW. Este de așteptat ca până în 2030, indicatorii tehnici cheie ai electrolizoarelor PEM să fie: eficiență de 78%, durată de viață de 1×105 h și costuri reduse la 4.000 de yuani/kW.

2. Direcția de dezvoltare a tehnologiei de producere a hidrogenului cu electrolizor PEM
Principiul producției de hidrogen eolian-solar este de a finaliza conversia energiei eoliene/solare în electricitate și apoi de a transforma electricitatea în energie de hidrogen printr-un electrolizor. În prezent, există patru tehnologii principale de electroliză a apei, dintre care tehnologia de electroliză a apei alcaline este cea mai matură și are cel mai mic cost și a intrat în stadiul de dezvoltare comercială; dar tehnologia de electroliză a apei PEM se dezvoltă rapid și are o bună adaptabilitate la energia eoliană și solară și va fi direcția preferată pentru producția de hidrogen de energie regenerabilă în viitor.
În prezent, principalele metode de producere a hidrogenului de cuplare eoliană-solară sunt în afara rețelei și conectate la rețea. Deși producția de hidrogen conectată la rețea depășește volatilitatea puterii de producere a hidrogenului, aceasta are probleme legate de prețurile ridicate ale energiei electrice și accesul limitat la rețea. Metoda off-grid furnizează energia electrică generată de una sau mai multe turbine eoliene (fără a trece prin rețea) către echipamentele de producere a hidrogenului de electroliză a apei pentru producerea de hidrogen. Este potrivit pentru zonele cu resurse eoliene bune, dar cu un consum limitat, și are un model de afaceri robust și perspective largi de dezvoltare; este folosit în principal pentru producția distribuită de hidrogen și este folosit local pentru generarea de energie și alimentarea cu energie a celulelor de combustie.
Similar cu producția de hidrogen în afara rețelei, producția de hidrogen fără rețea este o altă modalitate eficientă de a produce hidrogen, care elimină un număr mare de echipamente auxiliare necesare pentru conectarea la rețea (cum ar fi convertoare/transformatoare, sisteme de filtrare), iar costul este mult redus comparativ cu producția de hidrogen conectată la rețea. Producția de hidrogen fără rețea folosește curent continuu, evitând eficient problemele cu diferența de fază și frecvența cauzate de accesul la rețea de curent alternativ, simplificând sistemul și economisind costurile. Este de remarcat faptul că, în comparație cu producția de hidrogen în afara rețelei/conectate la rețea, producția de hidrogen prin hidroliză eoliană și solară neconectată la rețea cuplează direct energia eoliană și solară cu electrolizoare PEM, realizând rețele de energie eoliană și solară fără conexiune la rețea, evitându-se astfel impactul fluctuațiilor energiei eoliene și solare asupra rețelei electrice. Din acest proces, sursa de energie fluctuantă în producția de hidrogen eoliană și solară neconectată la rețea are nevoie doar de o simplă transformare și rectificare, iar tensiunea este ajustată la tensiunea necesară prin transformator, iar puterea de curent alternativ este rectificată în curent continuu.
Tehnologia de producere a hidrogenului fără rețea este o tehnologie originală în țara mea în domenii conexe, care ajută la depășirea limitărilor tehnice ale energiei regenerabile fluctuante. Energia eoliană și solară nu sunt supuse constrângerilor conectate la rețea, iar energia eoliană și echipamentele de generare a energiei fotovoltaice pot fi optimizate în continuare, ceea ce poate reduce semnificativ costurile și poate evita accidentele la scară largă ale turbinelor eoliene/fotovoltaice, cauzate de conectarea la rețea, astfel atingerea soluției la problema consumului de energie eoliană și solară și promovarea dezvoltării industriei de energie verde cu hidrogen în același timp.

IV. Tendințe de aplicare ale electrolizei apei și producției de hidrogen din surse de energie electrică fluctuantă eoliană și solară
1. Starea actuală și economia producției de hidrogen cuplată cu energia eoliană
În prezent, se concentrează cercetările interne și externe pe aplicabilitatea și economia producției de hidrogen din energie eoliană conectată la rețea în diferite scenarii de aplicare. Producția de hidrogen de energie eoliană conectată la rețea poate absorbi eficient abandonul vântului (rata corespunzătoare de abandonare a vântului este redusă de la 35,8% la 7,5%). Direcțiile cheie de cercetare includ optimizarea configurației sistemului și simularea strategiei de control, în principal explorând impactul tensiunii, curentului, temperaturii, presiunii și proprietăților electrochimice ale materialelor electrozilor asupra funcționării echipamentelor de producție a hidrogenului sub schimbări frecvente de putere, optimizarea funcționării și pornire-oprire. strategii de control și extinderea duratei de viață a electrolizatoarelor. În producția de hidrogen cuplată cu energia eoliană, producția de hidrogen din energia eoliană offshore este una dintre formele principale în viitor. În ultimii ani, peste 20 de proiecte demonstrative de producție de hidrogen cuplată cu energia eoliană au fost realizate în străinătate. În Europa, direcțiile cheie de cercetare sunt: explorarea avantajelor de stocare a energiei hidrogenului în rețeaua electrică, îmbunătățirea utilizării energiei eoliene, a calității producției de energie și a stabilității rețelei electrice; realizarea de proiecte „power-to-gas” pentru creșterea ponderii energiei regenerabile prin stocarea hidrogenului; dezvoltarea proiectelor de producere a hidrogenului de energie eoliană offshore, cum ar fi Țările de Jos, va construi un proiect de producție de hidrogen de energie eoliană offshore de 3 ~ 4 GW în 2030 și va atinge o capacitate instalată de 10 GW și o scară de producție de hidrogen de 8 × 105 t în 2040. În comparație cu hidrogenul tradițional metode de producție, electroliza este un factor cheie în determinarea eficienței economice a producției de hidrogen din energia eoliană. 70% din costul producției de hidrogen prin electroliza apei provine din prețul energiei electrice. Conform prețurilor curente ale energiei electrice, costul producției de hidrogen din energia eoliană este de 2 până la 3 ori mai mare decât cel al producției tradiționale de hidrogen. Când costul pe kilowatt-oră este controlat la 0,25 yuani, costul producției de hidrogen din energia eoliană este la egalitate cu costul producției tradiționale de hidrogen; daca pretul energiei electrice scade, va avea un avantaj economic.

2. Situația actuală și economia generării de energie fotovoltaică cuplată cu producția de hidrogen
Generarea de energie fotovoltaică cuplată cu producția de hidrogen este o altă modalitate majoră de a produce hidrogen din energie regenerabilă.
Blocajul industrializării producției de hidrogen pentru generarea de energie fotovoltaică constă în costul ridicat. Scăderea costului energiei electrice fotovoltaice va reduce foarte mult costul producției de hidrogen prin electroliza apei. Se estimează că costul producerii de energie fotovoltaică pe kilowatt-oră va fi mai mic de 0,3 yuani în 2025, iar producția de hidrogen pentru generarea de energie fotovoltaică este de așteptat să fie parită până atunci; în zonele cu resurse luminoase abundente, costul producției de hidrogen pentru generarea de energie fotovoltaică pe kilowatt-oră este de așteptat să scadă la 0,15 yuani, ceea ce va reduce și mai mult costul producției de hidrogen. Până în 2035 și 2050, costul producției de energie fotovoltaică pe kilowatt-oră va fi de 0,2 yuani și, respectiv, 0,13 yuani, realizând o eficiență economică bună în toate aspectele.
Conform previziunilor recente de cercetare și a „Foii de parcurs de dezvoltare a „Hidrogenului regenerabil 100” în China 2030”, producția de hidrogen de electroliză a apei din țara mea eoliană pe uscat și generarea de energie fotovoltaică este aproape de paritate. Cu toate acestea, echipamentul de producere a hidrogenului cu electroliză a apei PEM este de peste 5 ori mai mare decât electrolizoarele alcaline, iar costul de producție a hidrogenului nivelat este cu aproximativ 40% mai mare. Prin urmare, factorul cheie pentru dezvoltarea viitoare a producției de hidrogen pentru electrolizor PEM este reducerea costurilor de producție și operare a echipamentelor. Odată cu amploarea industriei de producție a hidrogenului și progresele continue în tehnologiile de bază corespunzătoare, costul electrolizoarelor PEM este de așteptat să fie redus cu mai mult de 50%, iar costul nivelat al hidrogenului este de așteptat să fie redus cu 20%.