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

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

III. Исследования и разработки основной технологии электролизера PEM и направление развития технологии производства водорода в электролизере PEM

1. Исследования и разработки технологии электролизера PEM.
Диапазон колебаний мощности ветровой и солнечной энергии при производстве водорода велик, и неблагоприятное воздействие на оборудование для производства водорода проявляются в значительном снижении срока службы оборудования и чистоты получаемого водорода. Эти эффекты вызваны затуханием основных компонентов электролизера ПОМ в условиях переменного ветрового и солнечного питания. С технической точки зрения основная задача, стоящая перед электролизером PEM, заключается в том, как улучшить рабочие характеристики и стабильность за счет исследований и разработок материалов, процесса сборки и оптимизации. Передовые исследования и разработки материалов включают каталитический слой и клеевые материалы, коррозионностойкие биполярные пластины, органические ионообменные мембраны и другие направления. Процесс сборки и оптимизация компонентов электролизера в основном включают в себя оптимизацию метода подготовки мембранных электродов, оптимизацию предварительной нагрузки узла электролизера, оптимизацию температуры мембранного электрода/электролиза и распределения термического напряжения, а также оптимизацию проточного канала. В последние годы мембранные электроды стали ключевым направлением исследований электролизеров ПОМ.
Сосредоточив внимание на основных компонентах катализаторов электролизеров, обменных мембранах, биполярных пластинах и т. д., основными способами проведения исследований и разработок катализаторов являются: улучшение активности и стабильности катализаторов путем легирования бинарными или мультиметаллическими композитами; выбор устойчивых к окислению и высокоспецифичных поверхностных материалов в качестве носителей катализаторов для повышения степени использования и активности катализаторов; разработка новых структурных катализаторов, таких как структуры ядро-оболочка и наноматрицы. Среди обменных мембран, используемых в настоящее время, наиболее распространены протонные мембраны DuPont из перфторсульфоновой кислоты, а также используются протонные мембраны из короткоцепочечной перфторсульфоновой кислоты таких брендов, как Dow Chemical, 3M, Gore и Asahi Glass. Чтобы улучшить стабильность обменной мембраны, обычно используются полиариленовые полимеры для укрепления и модификации мембраны, а каталитические материалы используются для модификации диафрагмы с целью уменьшения пересечения продуктового газа. Стоимость биполярных пластин составляет более 50% стоимости электролизера, а покрытия из драгоценных металлов обычно предусматривают повышение коррозионной стойкости. Будущая работа по снижению производственных затрат будет в основном сосредоточена на новых недорогих материалах для биполярных пластин и процессах обработки поверхности.
Что касается процесса сборки и оптимизации, текущие исследования сосредоточены на асимметричной конструкции катода/анода, оптимизации фиксации электролитических компонентов путем подключения положения карты и т. д. Чтобы адаптироваться к нестабильному источнику питания, в некоторых исследованиях изучалось влияние воды. изменения расхода в электролизере, распределение трубопроводов подачи воды и структуру мембранных электродов при проникновении газа с обеих сторон, изменении температуры и давления, плотности тока и т. д. Для основных компонентов электролизера наиболее часто используемыми процессами нанесения мембранного катализатора являются ультразвуковое распыление и нанесение рулонного покрытия: по сравнению с первым, во втором используется одноразовое покрытие слоя катализатора, что позволяет быстрее получить более толстое и однородное покрытие и удовлетворить потребности массового производства мембранных электродов. Во избежание проколов, растрескивания, механического напряжения, недостаточного увлажнения и реакционного давления, вызванных сборкой, свойства используемого материала обычно полностью изучаются при проектировании мембранного электрода и процессе его зажима, а также проводятся нагрузочные испытания на экспериментальных устройствах.

Чтобы оценить срок службы компонентов при частых старт-стопах и нестабильном питании от ветра и солнца, необходимо получить больше данных посредством ускоренных испытаний, чтобы повысить долговечность компонентов стека, что является еще одной проблемой в текущих исследованиях и разработках. Однако не существует стандартизированного протокола испытаний на ускоренное разложение компонентов электролизера PEM, а скорость деградации компонентов батареи сложно измерить, что затрудняет проведение прямого сравнения существующих результатов исследований. Создание стандартизированного протокола испытаний на ускоренное разложение в электролизере PEM является узкой проблемой, которую необходимо срочно решить в текущих ключевых технологических исследованиях и разработках.
В последние годы технические исследования и разработки ключевых компонентов электролизеров PEM достигли значительного прогресса. Согласно техническому маршруту моей страны по производству водорода путем электролиза воды, текущие ключевые технические показатели электролизеров PEM таковы: эффективность около 63%, срок службы около 6×104 часов и стоимость около 10 000 юаней/кВт. Ожидается, что к 2030 году ключевыми техническими показателями электролизеров ПЭМ станут: КПД 78%, срок службы 1×105 ч и снижение стоимости до 4000 юаней/кВт.

2. Направление развития технологии производства водорода в электролизере ПЭМ.
Принцип производства водорода из ветро-солнечной энергии заключается в полном преобразовании энергии ветра/солнечной энергии в электричество, а затем в электролизере преобразования электричества в энергию водорода. В настоящее время существует четыре основные технологии электролиза воды, из которых технология щелочного электролиза воды является наиболее зрелой, имеет самую низкую стоимость и вступила в стадию коммерческой разработки; но технология электролиза воды PEM быстро развивается, имеет хорошую адаптируемость к ветровой и солнечной энергии и в будущем станет предпочтительным направлением производства водорода из возобновляемых источников.
В настоящее время основными методами производства водорода с использованием ветро-солнечной энергии являются автономные и подключенные к сети. Хотя производство водорода с подключением к сети преодолевает нестабильность мощности производства водорода, оно имеет проблемы, связанные с высокими ценами на электроэнергию и ограниченным доступом к сети. Автономный метод обеспечивает подачу электроэнергии, вырабатываемой одной или несколькими ветряными турбинами (без прохождения через сеть), к оборудованию для производства водорода электролизом воды для производства водорода. Он подходит для регионов с хорошими ветровыми ресурсами, но ограниченным потреблением, имеет надежную бизнес-модель и широкие перспективы развития; он в основном используется для распределенного производства водорода, а также локально для производства электроэнергии и энергоснабжения на топливных элементах.
Подобно автономному производству водорода, внесетевое производство водорода является еще одним эффективным способом производства водорода, который устраняет большое количество вспомогательного оборудования, необходимого для подключения к сети (например, преобразователи/трансформаторы, системы фильтрации), а стоимость значительно снижается. по сравнению с производством водорода, подключенным к сети. Для производства водорода без сети используется постоянный ток, что позволяет эффективно избежать проблем, связанных с разностью фаз и разностью частот, вызванных доступом к сети переменного тока, что упрощает систему и экономит затраты. Стоит отметить, что по сравнению с производством водорода вне сети / с подключением к сети, производство водорода с гидролизом ветровой и солнечной энергии без подключения к сети напрямую объединяет ветровую и солнечную энергию с электролизерами PEM, реализуя сеть ветровой и солнечной энергии без подключения к сети. тем самым избегая воздействия колебаний ветровой и солнечной энергии на энергосистему. В результате этого процесса колебательный источник энергии при производстве водорода ветровой и солнечной энергией, не подключенный к сети, нуждается только в простом преобразовании и выпрямлении, а напряжение регулируется до необходимого напряжения через трансформатор, а мощность переменного тока выпрямляется в мощность постоянного тока.
Бессетевая технология производства водорода является оригинальной технологией в моей стране в смежных областях, которая помогает преодолеть технические ограничения нестабильной возобновляемой энергии. Ветровая и солнечная энергия не подвержены ограничениям, связанным с подключением к сети, а оборудование для производства ветровой и фотоэлектрической энергии может быть дополнительно оптимизировано, что может значительно снизить затраты и избежать крупномасштабных аварий с отключением ветряных турбин / фотоэлектрических сетей, вызванных подключением к сети, тем самым достижение решения проблемы потребления ветровой и солнечной энергии и одновременное содействие развитию зеленой водородной энергетики.

IV. Тенденции применения электролиза воды и производства водорода из ветровых и солнечных источников энергии
1. Текущее состояние и экономика ветроэнергетического производства водорода.
В настоящее время основное внимание отечественных и зарубежных исследований уделяется применимости и экономичности производства водорода с использованием ветровой энергии в различных сценариях применения. Производство водорода с помощью ветровой энергии, подключенной к сети, может эффективно компенсировать выбросы ветровой энергии (соответствующая доля отказов от ветровой энергии снижается с 35,8% до 7,5%). Ключевые направления исследований включают оптимизацию конфигурации системы и моделирование стратегии управления, в основном изучение влияния напряжения, тока, температуры, давления и электрохимических свойств электродных материалов на работу оборудования для производства водорода при частых изменениях мощности, оптимизацию работы и систему «старт-стоп». стратегии управления и продление срока службы электролизеров. В сфере производства водорода, связанного с ветроэнергетикой, производство водорода с помощью морской ветроэнергетики станет одной из основных форм в будущем. За последние годы за рубежом было построено более 20 демонстрационных проектов по производству водорода с использованием ветровой энергии. В Европе ключевыми направлениями исследований являются: изучение преимуществ хранения энергии водорода в энергосистеме, улучшение использования энергии ветра, качества производства электроэнергии и стабильности энергосистемы; реализация проектов «электроэнергия-газ» для увеличения доли возобновляемой энергии за счет хранения водорода; развивая проекты по производству водорода для морской ветроэнергетики, например, Нидерланды построят проект по производству водорода для морской ветроэнергетики мощностью 3–4 ГВт в 2030 году и достигнут установленной мощности 10 ГВт и масштаба производства водорода 8 × 105 тонн в 2040 году. По сравнению с традиционным водородом методы производства, электролиз является ключевым фактором, определяющим экономическую эффективность производства водорода в ветроэнергетике. 70% стоимости производства водорода путем электролиза воды приходится на цены на электроэнергию. Согласно текущим ценам на электроэнергию, стоимость производства водорода с помощью ветра в 2–3 раза превышает стоимость традиционного производства водорода. Когда стоимость киловатт-часа контролируется на уровне 0,25 юаня, стоимость производства водорода с помощью ветра находится на одном уровне со стоимостью традиционного производства водорода; если цена на электроэнергию снизится, это будет иметь экономическое преимущество.

2. Текущее состояние и экономика фотоэлектрической энергетики в сочетании с производством водорода.
Производство фотоэлектрической энергии в сочетании с производством водорода является еще одним важным способом производства водорода из возобновляемых источников энергии.
Узким местом индустриализации производства водорода для фотоэлектрической энергетики является его высокая стоимость. Снижение стоимости фотоэлектрической электроэнергии значительно снизит стоимость производства водорода путем электролиза воды. Предполагается, что стоимость производства фотоэлектрической энергии за киловатт-час составит менее 0,3 юаня в 2025 году, а производство водорода с помощью фотоэлектрической энергии, как ожидается, к тому времени станет паритетным; Ожидается, что в районах с обильными световыми ресурсами стоимость производства водорода с помощью фотоэлектрической энергии за киловатт-час снизится до 0,15 юаня, что еще больше снизит стоимость производства водорода. К 2035 и 2050 годам стоимость производства фотоэлектрической энергии за киловатт-час составит 0,2 юаня и 0,13 юаня соответственно, что обеспечит хорошую экономическую эффективность во всех аспектах.
Согласно недавним прогнозам исследований и «Дорожной карте развития возобновляемого водорода в Китае до 2030 года», производство водорода на суше ветряной и фотоэлектрической энергией в воде с помощью электролиза воды близко к паритету. Однако оборудование для производства водорода электролизом воды PEM более чем в 5 раз выше, чем щелочные электролизеры, а приведенная себестоимость производства водорода примерно на 40% выше. Таким образом, ключевым движущим фактором будущего развития производства водорода в электролизере PEM является снижение затрат на производство и эксплуатацию оборудования. Ожидается, что благодаря масштабам отрасли производства водорода и постоянным прорывам в соответствующих основных технологиях стоимость электролизеров PEM снизится более чем на 50%, а приведенная стоимость водорода снизится на 20%.