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

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

III. Проучване и развитие на основните технологии за PEM електролизери и посока на развитие на технологията за производство на водород за PEM електролизери

1. Проучване и развитие на технологиите за PEM електролизери
Диапазонът на колебания на мощността на производството на водород от вятърна и слънчева енергия е голям и неблагоприятните ефекти върху оборудване за производство на водород се изразяват в значително намаляване на живота на оборудването и чистотата на произвеждания водород. Тези ефекти са причинени от затихването на основните компоненти на PEM електролизера при условия на вятърно и слънчево захранване с колебания. От техническа гледна точка, основното предизвикателство, пред което е изправен електролизерът PEM, е как да се подобри работната производителност и стабилност чрез изследване и развитие на материалите, процес на сглобяване и оптимизация. Усъвършенстваните изследвания и разработки на материали включват каталитичен слой и адхезивни материали, устойчиви на корозия биполярни плочи, органични йонообменни мембрани и други направления. Процесът на сглобяване и оптимизирането на компонентите на електролизера включва главно оптимизиране на метода за подготовка на мембранния електрод, оптимизиране на предварителното натоварване на сглобката на електролизера, оптимизиране на температурата на мембранния електрод/електролизатора и разпределението на термичното напрежение и оптимизиране на канала на потока. През последните години мембранният електрод е ключовата изследователска посока на PEM електролизера.
Фокусирайки се върху основните компоненти на електролизните катализатори, обменните мембрани, биполярните плочи и т.н., основните начини за извършване на изследвания и разработки на катализатори са: подобряване на активността и стабилността на катализаторите чрез бинарно или мултиметално композитно допиране; избор на устойчиви на окисляване и високоспецифични повърхностни материали като носители на катализатори за подобряване на степента на използване и активността на катализаторите; проектиране на нови структурни катализатори, като структури ядро-обвивка и наноматрици. Сред обменните мембрани, които се използват в момента, протонните мембрани на перфлуоросулфоновата киселина на DuPont са най-често срещаните, а също така се използват протонни мембрани с къса верига на перфлуоросулфоновата киселина от марки като Dow Chemical, 3M, Gore и Asahi Glass. За да се подобри стабилността на обменната мембрана, обикновено се използват полиариленови полимери за укрепване и модифициране на мембраната, а каталитични материали се използват за модифициране на диафрагмата, за да се намали пресичането на газовия продукт. Цената на биполярните плочи представлява повече от 50% от електролизера, а покритията от благородни метали обикновено са конфигурирани за подобряване на устойчивостта на корозия. Бъдещата работа за намаляване на производствените разходи ще се фокусира главно върху нови евтини материали за биполярни пластини и процеси за повърхностна обработка.
По отношение на процеса на сглобяване и оптимизиране, настоящите изследвания се фокусират върху асиметричния дизайн на катод/анод, оптимизиране на фиксирането на електролитния компонент чрез свързване на позицията на картата и т.н. За да се адаптира към променливо захранване, някои проучвания изследват влиянието на водата промени в потока в електролизера, разпределението на тръбопроводите за водоснабдяване и структурата на мембранния електрод върху пропускането на газа от двете страни, промените в температурата и налягането, плътността на тока и т.н. За основните компоненти на електролизера най-често използваните процеси на мембрана за покритие на катализатор са ултразвуково пръскане и покритие от ролка до ролка: в сравнение с първото, последното използва еднократно покритие на слоя катализатор, което може да получи по-дебело и по-равномерно покритие по-бързо и да отговори на нуждите на масовото производство на мембранни електроди. За да се избегне пробиване, напукване, механично напрежение, недостатъчно овлажняване и реакционно налягане, причинени от сглобяването, свойствата на използвания материал обикновено се изучават напълно при проектирането на мембранния електрод и неговия процес на затягане, а тестовете за натоварване се извършват на базата на експериментални устройства.

За да се оцени живота на компонентите при чести старт-стоп и вятърно-слънчево променливо захранване, трябва да се получат повече данни чрез ускорено тестване, за да се подобри издръжливостта на стековите компоненти, което е друго предизвикателство в текущите изследвания и разработки. Въпреки това, няма стандартизиран протокол за ускорено разпадане на компонентите на PEM електролизера и скоростта на разграждане на компонентите на компонентите на стека е трудна за измерване, което затруднява провеждането на директно сравнение на съществуващи резултати от изследвания. Създаването на стандартизиран протокол за тест за ускорено разпадане на PEM електролизатор е проблем с тясно място, който трябва да бъде решен спешно в настоящите ключови технологични изследвания и разработки.
През последните години техническите изследвания и разработването на ключови компоненти на PEM електролизатори постигнаха значителен напредък. Според техническия път на моята страна за производство на водород чрез електролиза на вода, настоящите ключови технически показатели на PEM електролизери са: ефективност от около 63%, живот от около 6 × 104 часа и цена от около 10 000 юана/kW. Очаква се до 2030 г. ключовите технически показатели на PEM електролизарите да бъдат: ефективност от 78%, живот от 1 × 105 часа и намалена цена до 4000 юана/kW.

2. Насока за развитие на технологията за производство на водород чрез електролизер PEM
Принципът на производството на водород от вятърна и слънчева енергия е да завърши преобразуването на вятърна/слънчева енергия в електричество и след това да преобразува електричеството във водородна енергия чрез електролизатор. В момента има четири основни технологии за електролиза на вода, от които технологията за електролиза на алкална вода е най-зрялата и има най-ниска цена и е навлязла в етап на търговско развитие; но PEM технологията за водна електролиза се развива бързо и има добра адаптивност към вятърна и слънчева енергия и ще бъде предпочитаната посока за производство на водород в енергия от възобновяеми източници в бъдеще.
Понастоящем основните методи за производство на водород чрез вятърно-слънчево свързване са извън мрежата и свързани с мрежата. Въпреки че свързаното с мрежата производство на водород преодолява нестабилността на мощността за производство на водород, то има проблеми с високите цени на електроенергията и ограничения достъп до мрежата. Методът извън мрежата осигурява електричеството, генерирано от една или няколко вятърни турбини (без преминаване през мрежата) към оборудването за производство на водород чрез водна електролиза за производство на водород. Той е подходящ за райони с добри вятърни ресурси, но ограничено потребление и има стабилен бизнес модел и широки перспективи за развитие; използва се главно за разпределено производство на водород и се използва локално за производство на енергия от горивни клетки и енергийни доставки.
Подобно на производството на водород извън мрежата, производството на водород извън мрежата е друг ефективен начин за производство на водород, който елиминира голям брой спомагателно оборудване, необходимо за свързване към мрежата (като преобразуватели/трансформатори, филтърни системи), а разходите са значително намалени в сравнение със свързаното с мрежата производство на водород. Производството на водород извън мрежата използва постоянен ток, като ефективно избягва проблемите с разликата във фазите и честотата, причинени от достъпа до AC мрежата, опростявайки системата и спестявайки разходи. Струва си да се отбележи, че в сравнение с производството на водород извън мрежата/свързано с мрежата, несвързаното с мрежата производство на водород чрез хидролиза на вятърна и слънчева енергия свързва директно вятърната и слънчевата енергия с PEM електролизери, реализирайки мрежово свързване на вятърна и слънчева енергия без мрежова връзка, като по този начин се избягва влиянието на променливата вятърна и слънчева енергия върху електрическата мрежа. От този процес променливият източник на енергия при несвързаното с мрежата вятърно и слънчево производство на водород се нуждае само от проста трансформация и коригиране и напрежението се регулира до необходимото напрежение през трансформатора, а променливотоковото захранване се коригира в постояннотоково.
Технологията за производство на водород извън мрежата е оригинална технология в моята страна в свързани области, която помага да се преодолеят техническите ограничения на променливата възобновяема енергия. Вятърната и слънчевата енергия не подлежат на ограничения, свързани с мрежата, а оборудването за вятърна енергия и фотоволтаично производство на електроенергия може да бъде допълнително оптимизирано, което може значително да намали разходите и да избегне мащабни аварии с прекъсване на вятърна турбина/фотоволтаична мрежа, причинени от свързването към мрежата, като по този начин постигане на решение на проблема с потреблението на вятърна и слънчева енергия и насърчаване на развитието на зелената водородна енергийна индустрия в същото време.

IV. Тенденции в приложението на електролизата на водата и производството на водород от вятърни и слънчеви променливи източници на енергия
1. Текущо състояние и икономика на производството на водород, свързано с вятърна енергия
Понастоящем фокусът на местните и чуждестранните изследвания е върху приложимостта и икономичността на свързаното с мрежата производство на водород от вятърна енергия при различни сценарии на приложение. Производството на водород от вятърна енергия, свързана с мрежата, може ефективно да абсорбира изоставянето на вятъра (съответният процент на изоставяне на вятъра е намален от 35,8% на 7,5%). Ключовите изследователски насоки включват оптимизиране на конфигурацията на системата и симулация на стратегия за управление, основно изследване на влиянието на напрежението, тока, температурата, налягането и електрохимичните свойства на електродните материали върху работата на оборудването за производство на водород при чести промени в мощността, оптимизиране на работата и старт-стоп стратегии за контрол и удължаване на експлоатационния живот на електролизаторите. При производството на водород, свързано с вятърна енергия, производството на водород от вятърна енергия в морето е една от основните форми в бъдеще. През последните години повече от 20 демонстрационни проекта за производство на водород, свързани с вятърна енергия, са изградени в чужбина. В Европа ключовите изследователски направления са: изследване на предимствата на съхранението на енергия от водорода в електрическата мрежа, подобряване на използването на вятърната енергия, качеството на производството на електроенергия и стабилността на електрическата мрежа; осъществяване на проекти за "електроенергия към газ" за увеличаване на дела на възобновяема енергия чрез съхранение на водород; разработване на проекти за производство на водород от офшорна вятърна енергия, като например Холандия ще изгради проект за производство на водород от 3 ~ 4 GW офшорна вятърна енергия през 2030 г. и ще достигне 10 GW инсталиран капацитет и мащаб на производство на водород 8 × 105 t през 2040 г. В сравнение с традиционния водород производствени методи, електролизата е ключов фактор при определяне на икономическата ефективност на производството на водород от вятърна енергия. 70% от разходите за производство на водород чрез водна електролиза идват от цените на електроенергията. Според настоящите цени на електроенергията цената на производството на водород от вятърна енергия е 2 до 3 пъти по-висока от тази на традиционното производство на водород. Когато цената на киловатчас се контролира на 0,25 юана, цената на производството на водород от вятърна енергия е равна на цената на традиционното производство на водород; ако цената на електроенергията падне, това ще има икономическо предимство.

2. Текущо състояние и икономика на фотоволтаичното производство на електроенергия, съчетано с производството на водород
Фотоволтаичното производство на електроенергия, съчетано с производството на водород, е друг основен начин за производство на водород от възобновяема енергия.
Тесното място на индустриализацията на фотоволтаичното производство на водород се крие във високата цена. Спадът в цената на фотоволтаичната електроенергия значително ще намали разходите за производство на водород чрез електролиза на вода. Изчислено е, че цената на фотоволтаичното производство на електроенергия на киловатчас ще бъде по-малко от 0,3 юана през 2025 г. и се очаква дотогава производството на водород от фотоволтаичното производство на електроенергия да бъде равен; в райони с изобилие от светлинни ресурси, разходите за производство на водород от фотоволтаични електроцентрали за киловатчас се очаква да паднат до 0,15 юана, което допълнително ще намали разходите за производство на водород. До 2035 г. и 2050 г. цената на фотоволтаичното производство на електроенергия на киловатчас ще бъде съответно 0,2 юана и 0,13 юана, постигайки добра икономическа ефективност във всички аспекти.
Според скорошни изследователски прогнози и „Пътна карта за развитие на Китай до 2030 г. „Възобновяем водород 100““, производството на водород от наземната вятърна енергия и фотоволтаичното производство на електролиза на водата в моята страна е близо до паритета. Оборудването за производство на водород с водна електролиза на PEM обаче е повече от 5 пъти по-високо от алкалните електролизатори, а изравнените разходи за производство на водород са с около 40% по-високи. Следователно, ключовият движещ фактор за бъдещото развитие на PEM електролизното производство на водород е намаляването на производствените и оперативните разходи на оборудването. С мащаба на индустрията за производство на водород и непрекъснатите пробиви в съответните основни технологии, разходите за PEM електролизери се очаква да бъдат намалени с повече от 50%, а равните разходи за водород се очаква да бъдат намалени с 20%.