Разработка и применение технологии получения водорода с помощью протонообменной мембраны электролизом воды в условиях колебаний ветровой и солнечной энергии I

Разработка и применение протонообменная мембрана электролиз воды производство водорода технология в условиях колебаний ветровой и солнечной энергии I

Тенденция глобального потепления более очевидна. РазработкаИспользование чистой энергии может уменьшить большое количество выбросов парниковых газов, возникающих в результате использования ископаемого топлива. Поэтому развитие возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнечная энергия, имеет большое значение для устойчивого развития человеческого общества. Возобновляемая энергия имеет сильную временную и пространственную зависимость, прерывистость, нестабильность и другие характеристики. Он также сталкивается с трудностями обеспечения надежности, регулирования пиковых значений и частоты при подключении к сети. Таким образом, преобразование электроэнергии из возобновляемых источников в химическую энергию и ее хранение перед использованием является более гибким и эффективным способом координации развития источника, сети и нагрузки.

Преимуществом водорода является его чистота и высокое качество/плотность энергии. Это эффективный энергоноситель, который может заменить ископаемое топливо, такое как уголь и природный газ, в отраслях с высоким уровнем выбросов углекислого газа, электроэнергетике и других областях, и имеет широкие перспективы применения. Производство водорода путем электролиза воды из возобновляемых источников энергии является эффективным способом достижения потребления возобновляемой энергии и производства экологически чистого водорода. Общие технологии включают электролиз щелочной воды, электролиз воды с протонообменной мембраной (PEM), электролиз воды с анионообменной мембраной и электролиз воды с твердыми оксидами. Среди них технология электролиза воды PEM обладает высокой плотностью тока, эффективностью (80–90%), чистотой газа, низким энергопотреблением и объемом, а также хорошей безопасностью и надежностью. Проведение исследований и разработок технологии электролиза воды PEM является важной частью поддержки реализации возобновляемых источников энергии и производства водорода в сочетании с электричеством.

Статья посвящена разработке и применению эффективной технологии получения водорода путем электролиза воды под воздействием ветровых и солнечных источников энергии. В нем систематически обсуждаются проблемы, существующие в производстве водорода путем объединения источников энергии ветра и солнца с точки зрения характеристик колебаний ветра и солнца и методов производства водорода, характеристик производства водорода электролизом воды PEM и механизма ослабления, текущего состояния приложений производства водорода, а также ключевых технологические исследования и разработки, чтобы предоставить базовую информацию для разработки соответствующих технологий и исследований промышленного применения.

I. Возобновляемая электроэнергия, производство ветровой и солнечной энергии, сценарии производства водорода
Основными формами возобновляемой энергии являются энергия ветра и фотоэлектрическая энергия, которым присуще свойство сильной волатильности. Только анализируя колебательные характеристики ветровой и фотоэлектрической энергии, можно выявить основные условия развития технологии получения водорода электролизом воды на ветровых и фотоэлектрических источниках переменного тока.
1. Ветроэнергетика в сочетании с производством водорода.
Ветер Производство водорода с использованием энергии в основном делится на подключенное к сети и автономное. Для ветровой энергии, подключенной к сети, электросеть реализует управление напряжением и частотой через систему управления энергией, чтобы гарантировать, что электролитическая ячейка производит водород при относительно стабильном напряжении; Соответствующие методы подключения к сети в основном включают синхронное подключение к сети ветровой энергии и асинхронное подключение к сети ветровой энергии. Существует три основных сценария применения производства водорода с использованием ветровой энергии, связанной с сетью: использование избыточной энергии ветра для производства водорода, который играет роль «сглаживания пиковых нагрузок» в энергосистеме; использование водородной энергии и выработка электроэнергии с помощью таких технологий, как топливные элементы, чтобы сыграть роль «заполнения долины» в энергосистеме; использование сетевого электроснабжения для решения периодически возникающих проблем с ветроэнергетикой и повышения стабильности и надежности системы производства водорода.
По сравнению с методом подключения к сети, автономная ветроэнергетика исключает необходимость подключения к сети вспомогательного оборудования, позволяет избежать проблем, вызванных подключением к сети, и снизить стоимость производства водорода. Внедрение автономной генерации электроэнергии, особенно в случае морской ветроэнергетики, может эффективно решить проблему передачи энергии; Инфраструктура транспортировки нефти и природного газа также может служить каналом передачи для производства водорода с помощью морской ветроэнергетики, что значительно снижает инвестиционные затраты на соответствующий трубопровод. Как правило, существует два основных сценария применения автономного производства водорода с использованием энергии ветра: полученный водород экспортируется по газопроводам или водородным цистернам, а микросетевая система строится с использованием энергии ветра, преобразователей, электролизеров, оборудования для хранения водорода, топлива. клетки и т. д.

2. Производство фотоэлектрической энергии в сочетании с производством водорода.
Производство фотоэлектрической энергии в сочетании с производством водорода также можно разделить на подключенное к сети и автономное. Фотоэлектрическая выработка электроэнергии, подключенная к сети, в сочетании с производством водорода подключает электроэнергию, вырабатываемую фотоэлектрическими модулями, к сети, а затем получает электроэнергию из сети для электролиза воды для производства водорода. Его часто используют для крупномасштабного заброшенного хранения света и энергии; Автономное производство фотоэлектрической энергии в сочетании с производством водорода подразумевает прямую подачу электроэнергии, генерируемой фотоэлектрическими модулями, в электролизеры для производства водорода, который в основном используется для распределенного производства водорода. Фотоэлектрическая выработка электроэнергии в сочетании с технологией производства водорода электролизом воды PEM в основном использует два способа: фотоэлектрическое преобразование постоянного тока в постоянный ток, косвенное соединение и фотоэлектрическое прямое соединение.
1). Фотоэлектрическое преобразование постоянного тока в постоянный ток с непрямым соединением, производство водорода
На выходную мощность фотоэлектрической генерации влияют множество факторов, таких как солнечное излучение, температура окружающей среды и внешняя нагрузка, что затрудняет непосредственное обеспечение оптимальной мощности для нагрузки. Преобразователь постоянного тока обычно добавляется между фотоэлектрическим модулем и электролитической ячейкой, чтобы лучше согласовать напряжение фотоэлектрического элемента и напряжение электролитической ячейки, тем самым повышая эффективность производства водорода. Обычно используемый метод — отслеживание максимальной плотности мощности, например, использование технологии широтно-импульсной модуляции для регулировки рабочего цикла для отслеживания точки максимальной мощности и настройки надежного управления выходным током преобразователя. Хотя преобразователь постоянного тока может эффективно повысить эффективность производства водорода, пульсации, генерируемые преобразователем, будут вызывать ошибки в определении уровня входного тока, тем самым влияя на эффективность работы электролизера; потери, вызванные преобразованием постоянного тока, увеличивают эксплуатационные расходы, а также влияют на долговечность системы производства водорода и срок службы устройства.
2). Производство водорода прямым фотоэлектрическим соединением
Прямое соединение фотоэлектрических устройств по выработке энергии и электролитических элементов упрощает сложность связанных с фотоэлектрическими системами производства водорода. Например, система фотоэлектрического электролиза состоит из двух электролитических ячеек PEM, напрямую соединенных с трехузловыми солнечными фотоэлектрическими элементами, которые могут генерировать достаточное напряжение для поддержания процесса производства водорода в электролитической ячейке на основе солнечных фотоэлектрических элементов; регулировка точки максимальной фотоэлектрической плотности мощности в соответствии с электролитической ячейкой может повысить эффективность преобразования солнечной энергии в водород до 30%. Однако при прямом соединении формы напряжения и тока фотогальванического элемента непосредственно воздействуют на электролизер, что создает проблему для долгосрочной безопасной и стабильной работы электролизера.