Разработване и прилагане на технология за производство на водород с водна електролиза на протонна обменна мембрана при колебания на вятърната и слънчевата енергия I

Разработка и приложение на протонообменна мембрана вода електролиза производство на водород технология при колебания на вятърната и слънчевата енергия I

Тенденцията на глобалното затопляне е по-очевидна. РазвитиетоПрилагането на чиста енергия може да намали голямото количество емисии на парникови газове, генерирани от използването на изкопаеми горива. Следователно развитието на възобновяема енергия като вятърна енергия и слънчева енергия е от голямо значение за устойчивото развитие на човешкото общество. Възобновяемата енергия има силна времева и пространствена зависимост, периодичност, променливост и други характеристики. Той също така се сблъсква с трудностите, свързани с надеждността и регулирането на пиковете и честотите при свързване към мрежата. Следователно преобразуването на електроенергия от възобновяеми източници в химическа енергия и съхраняването й преди използването й е по-гъвкаво и е ефективен начин за координиране на развитието на източника, мрежата и товара.

Водородът има предимствата да бъде чист и с високо качество/енергийна плътност. Това е ефективен енергиен носител, който може да замени изкопаемите горива като въглища и природен газ в индустрии с високи въглеродни емисии, електроенергия и други области и има широки перспективи за приложение. Производството на водород от водна електролиза на възобновяема енергия е ефективен начин за постигане на потребление на възобновяема енергия и производство на зелен водород. Общите технологии включват електролиза на алкална вода, електролиза на вода с протонна обменна мембрана (PEM), електролиза на вода с анионобменна мембрана и електролиза на вода с твърд оксид. Сред тях PEM технологията за електролиза на вода има висока плътност на тока, ефективност (80% ~ 90%), чистота на газа, ниска консумация на енергия и обем и добра безопасност и надеждност. Провеждането на изследвания и разработки на PEM технология за водна електролиза е важна част от подпомагането на реализацията на възобновяема енергия и производство на водород, свързано с електричество.

Статията се фокусира върху разработването и прилагането на ефективна технология за производство на водород чрез електролиза на вода при вятърни и слънчеви променливи източници на енергия. Той систематично обсъжда съществуващите проблеми при производството на водород чрез свързване на вятърни и слънчеви променливи източници на енергия от аспектите на характеристиките на вятъра и слънчевата флуктуация и методите за производство на водород, характеристиките на производството на водород чрез водна електролиза PEM и механизма за затихване, текущото състояние на приложенията за производство на водород и ключови технологично изследване и развитие, за да се осигури основна справка за съответното технологично развитие и изследване на индустриалното приложение.

I. Възобновяема електроенергия, производство на вятърна и слънчева енергия, сценарии за производство на водород
Основните форми на енергия от възобновяеми източници са вятърната енергия и производството на фотоволтаична енергия, които имат присъщото свойство на силна нестабилност. Само чрез анализиране на флуктуационните характеристики на вятърната и фотоволтаичната енергия можем да идентифицираме основните условия за развитието на технологията за производство на водород чрез водна електролиза при вятърни и фотоволтаични променливи източници на енергия.
1. Вятърна енергия, съчетана с производство на водород
Вятър Производството на водород, свързано с мощност, се разделя главно на свързани към мрежата и извън мрежата видове. За вятърна енергия, свързана към мрежата, електрическата мрежа осъществява контрол на напрежението и честотата чрез системата за управление на енергията, за да гарантира, че електролитната клетка произвежда водород при относително стабилно напрежение; съответните методи, свързани с мрежата, включват главно синхронна вятърна енергия, свързана с мрежата, и асинхронна вятърна енергия, свързана с мрежа. Съществуват три основни сценария на приложение за свързани с мрежата вятърни мощности, съчетани с производство на водород: използване на излишък от вятърна енергия за производство на водород, който играе ролята на "пиково бръснене" в електроенергийната мрежа; използване на водородна енергия и генериране на електричество чрез технологии като горивни клетки, които да играят ролята на „запълване на долината“ в електрическата мрежа; използване на мрежово захранване за решаване на непостоянния проблем с вятърната енергия и подобряване на стабилността и надеждността на системата за производство на водород.
В сравнение с метода, свързан към мрежата, вятърната енергия извън мрежата елиминира свързаното към мрежата спомагателно оборудване, може да избегне проблемите, причинени от свързването към мрежата, и да намали разходите за производство на водород. Особено за офшорна вятърна енергия, приемането на производство на електроенергия извън мрежата може ефективно да реши проблема с преноса на енергия; Инфраструктурата за пренос на нефт и природен газ може също да служи като преносен канал за производство на водород от офшорна вятърна енергия, което значително намалява инвестиционните разходи на съответния тръбопровод. Като цяло има два основни сценария на приложение за производство на водород, свързано с вятърна енергия извън мрежата: полученият водород се изнася през газопроводи или водородни танкери и микромрежова система се изгражда от вятърна енергия, конвертори, електролизатори, оборудване за съхранение на водород, гориво клетки и др.

2. Фотоволтаично производство на електроенергия, съчетано с производство на водород
Фотоволтаичното производство на електроенергия, съчетано с производството на водород, също може да бъде разделено на свързани към мрежата и извън мрежата типове. Свързаното в мрежата фотоволтаично производство на електроенергия, съчетано с производство на водород, свързва електричеството, генерирано от фотоволтаичните модули, към мрежата и след това получава електричество от мрежата, за да електролизира водата за производство на водород. Често се използва за широкомащабно изоставено съхранение на светлина и енергия; Генерирането на фотоволтаична енергия извън мрежата, съчетано с производство на водород, се отнася до директно доставяне на електричество, генерирано от фотоволтаични модули, към електролизатори за производство на водород, което се използва главно за разпределено производство на водород. Фотоволтаичното производство на електроенергия, съчетано с PEM технологията за производство на водород чрез водна електролиза, използва главно два начина: фотоволтаично DC-DC преобразуване непряко свързване и фотоволтаично директно свързване.
1). Фотоволтаично DC-DC преобразуване производство на водород с индиректно свързване
Изходната мощност на фотоволтаичното генериране на електроенергия се влияе от множество фактори като слънчева радиация, температура на околната среда и външен товар, което затруднява директното осигуряване на оптимална мощност за товара. Между фотоволтаичния модул и електролитната клетка обикновено се добавя DC-DC преобразувател, за да съответства по-добре на фотоволтаичното напрежение и напрежението на електролитната клетка, като по този начин се подобрява ефективността на производството на водород. Често използваният метод е проследяване на максималната плътност на мощността, като например използване на технология за модулация на ширината на импулса за регулиране на работния цикъл за проследяване на точката на максимална мощност и регулиране на стабилния контрол на изходния ток на преобразувателя. Въпреки че DC-DC преобразувателят може ефективно да подобри ефективността на производството на водород, пулсациите, генерирани от преобразувателя, ще причинят грешки в преценката на нивото на входния ток, като по този начин ще повлияят на работната ефективност на електролитната клетка; загубата, причинена от преобразуване на постоянен ток, увеличава оперативните разходи и също така ще повлияе на издръжливостта на системата за производство на водород и живота на устройството.
2). Фотоволтаично производство на водород с директно свързване
Директното свързване на фотоволтаични устройства за генериране на електроенергия и електролитни клетки опростява сложността на системите за производство на водород, свързани с фотоволтаично производство на електроенергия. Например, системата за фотоволтаична електролиза се състои от две PEM електролитни клетки, директно свързани към тривъзлови слънчеви фотоволтаични клетки, които могат да генерират достатъчно напрежение, за да поддържат процеса на производство на водород в електролитната клетка, базиран на слънчеви фотоволтаични клетки; регулирането на точката на максимална плътност на фотоволтаичната мощност, за да съответства на електролитната клетка, може да направи ефективността на преобразуване на слънчева енергия към водород до 30%. Въпреки това, при директно свързване, вълните на напрежението и тока на фотоволтаичната клетка директно действат върху електролитната клетка, което представлява предизвикателство за дългосрочната безопасна и стабилна работа на електролизера.