Ontwikkeling en toepassing van protonenuitwisselingsmembraan, waterelektrolyse, waterstofproductietechnologie onder wind- en zonne-energiefluctuaties I

Ontwikkeling en toepassing van protonenuitwisselingsmembraan waterelektrolyse waterstofproductie technologie onder schommelingen in wind- en zonne-energie I

De trend van de opwarming van de aarde is duidelijker. De ontwikkelHet gebruik van schone energie kan de grote hoeveelheid broeikasgasemissies die wordt gegenereerd door het gebruik van fossiele brandstoffen verminderen. Daarom is de ontwikkeling van hernieuwbare energie zoals windenergie en zonne-energie van groot belang voor de duurzame ontwikkeling van de menselijke samenleving. Hernieuwbare energie heeft een sterke tijd- en ruimteafhankelijkheid, intermittentie, volatiliteit en andere kenmerken. Het wordt ook geconfronteerd met de problemen van betrouwbaarheid en piek- en frequentieregeling bij netaansluiting. Daarom is het omzetten van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen in chemische energie en het opslaan ervan vóór gebruik flexibeler en een effectieve manier om de ontwikkeling van bron, netwerk en belasting te coördineren.

Waterstof heeft de voordelen dat het schoon is en een hoge kwaliteit/energiedichtheid heeft. Het is een efficiënte energiedrager die fossiele brandstoffen zoals steenkool en aardgas in industrieën met een hoge CO2-uitstoot, elektriciteit en andere terreinen kan vervangen, en heeft brede toepassingsmogelijkheden. Waterstofproductie uit hernieuwbare energiewaterelektrolyse is een effectieve manier om het hernieuwbare energieverbruik en de groene waterstofproductie te bereiken. Gebruikelijke technologieën zijn onder meer alkalische waterelektrolyse, protonenuitwisselingsmembraan (PEM) waterelektrolyse, anionenuitwisselingsmembraan waterelektrolyse en vaste-oxide waterelektrolyse. Onder hen heeft PEM-waterelektrolysetechnologie een hoge stroomdichtheid, efficiëntie (80% ~ 90%), gaszuiverheid, laag energieverbruik en volume, en goede veiligheid en betrouwbaarheid. Het uitvoeren van onderzoek en ontwikkeling van PEM-waterelektrolysetechnologie is een belangrijk onderdeel van het ondersteunen van de realisatie van hernieuwbare energie en elektriciteitsgekoppelde waterstofproductie.

Het artikel richt zich op de ontwikkeling en toepassing van efficiënte waterstofproductietechnologie door elektrolyse van water onder fluctuerende wind- en zonne-energiebronnen. Het bespreekt systematisch de problemen die bestaan bij de productie van waterstof door fluctuerende wind- en zonne-energiebronnen te koppelen aan de hand van de aspecten van wind- en zonnefluctuatiekarakteristieken en waterstofproductiemethoden, PEM-waterelektrolyse, waterstofproductiekarakteristieken en verzwakkingsmechanismen, de huidige status van waterstofproductietoepassingen, en belangrijke technologisch onderzoek en ontwikkeling, om een basisreferentie te bieden voor de overeenkomstige technologische ontwikkeling en onderzoek naar industriële toepassingen.

I. Hernieuwbare elektriciteit, opwekking van wind- en zonne-energie, scenario's voor de productie van waterstof
De belangrijkste vormen van hernieuwbare energie zijn windenergie en fotovoltaïsche energieopwekking, die de inherente eigenschap hebben van sterke volatiliteit. Alleen door de fluctuatiekarakteristieken van wind- en fotovoltaïsche energie te analyseren, kunnen we de basisvoorwaarden identificeren voor de ontwikkeling van waterelektrolyse-waterstofproductietechnologie onder fluctuerende wind- en fotovoltaïsche energiebronnen.
1.Windenergie gekoppeld aan waterstofproductie
Wind De stroomgekoppelde waterstofproductie wordt hoofdzakelijk onderverdeeld in op het elektriciteitsnet aangesloten en niet op het elektriciteitsnet aangesloten typen. Voor netgekoppelde windenergie realiseert het elektriciteitsnet spannings- en frequentiecontrole via het energiebeheersysteem om ervoor te zorgen dat de elektrolytische cel waterstof produceert met een relatief stabiele spanning; de overeenkomstige netgekoppelde methoden omvatten hoofdzakelijk synchrone windenergie op het net aangesloten en asynchrone windenergie op het net. Er zijn drie belangrijke toepassingsscenario's voor netgekoppelde windenergie-gekoppelde waterstofproductie: het gebruik van overtollige windenergie om waterstof te produceren, dat de rol speelt van "peak shaving" in het elektriciteitsnet; het gebruik van waterstofenergie en het opwekken van elektriciteit door middel van technologieën zoals brandstofcellen om de rol te spelen van het "vullen van de vallei" in het elektriciteitsnet; het gebruik van netstroomvoorziening om het periodieke probleem van windenergie op te lossen en de stabiliteit en betrouwbaarheid van het waterstofproductiesysteem te verbeteren.
Vergeleken met de op het elektriciteitsnet aangesloten methode elimineert off-grid windenergie de op het elektriciteitsnet aangesloten hulpapparatuur, kan de problemen veroorzaakt door de aansluiting op het elektriciteitsnet worden vermeden en de kosten van de waterstofproductie worden verlaagd. Vooral voor offshore windenergie kan het adopteren van off-grid energieopwekking het probleem van de energietransmissie effectief oplossen; De olie- en aardgastransmissie-infrastructuur kan ook dienen als transmissiekanaal voor de productie van waterstof uit windenergie op zee, waardoor de investeringskosten van de bijbehorende pijpleiding aanzienlijk worden verlaagd. Over het algemeen zijn er twee hoofdtoepassingsscenario's voor off-grid windenergie-gekoppelde waterstofproductie: de verkregen waterstof wordt geëxporteerd via gaspijpleidingen of waterstoftankers, en een microgrid-systeem wordt gebouwd door windenergie, converters, elektrolysers, waterstofopslagapparatuur, brandstof cellen, enz.

2. Fotovoltaïsche energieopwekking in combinatie met waterstofproductie
Fotovoltaïsche energieopwekking in combinatie met waterstofproductie kan ook worden onderverdeeld in op het elektriciteitsnet aangesloten en niet op het elektriciteitsnet aangesloten typen. Netgekoppelde fotovoltaïsche energieopwekking in combinatie met waterstofproductie verbindt de elektriciteit die wordt opgewekt door fotovoltaïsche modules met het elektriciteitsnet en haalt vervolgens elektriciteit uit het elektriciteitsnet om water te elektrolyseren om waterstof te produceren. Het wordt vaak gebruikt voor grootschalige verlaten licht- en energieopslag; Off-grid fotovoltaïsche energieopwekking in combinatie met waterstofproductie heeft betrekking op het rechtstreeks leveren van elektriciteit die wordt opgewekt door fotovoltaïsche modules aan elektrolysers voor waterstofproductie, die voornamelijk wordt gebruikt voor gedistribueerde waterstofproductie. Fotovoltaïsche energieopwekking in combinatie met PEM-waterelektrolyse, waterstofproductietechnologie maakt hoofdzakelijk gebruik van twee manieren: fotovoltaïsche DC-DC-conversie, indirecte koppeling en fotovoltaïsche directe koppeling.
1). Fotovoltaïsche DC-DC-conversie, indirecte koppeling van waterstofproductie
Het uitgangsvermogen van fotovoltaïsche energieopwekking wordt beïnvloed door meerdere factoren, zoals zonnestraling, omgevingstemperatuur en externe belasting, waardoor het moeilijk wordt om direct het optimale vermogen voor de belasting te leveren. Meestal wordt een DC-DC-omzetter toegevoegd tussen de fotovoltaïsche module en de elektrolytische cel om de fotovoltaïsche spanning en de elektrolytische celspanning beter op elkaar af te stemmen, waardoor de efficiëntie van de waterstofproductie wordt verbeterd. De meest gebruikte methode is het volgen van de maximale vermogensdichtheid, zoals het gebruik van pulsbreedtemodulatietechnologie om de werkcyclus aan te passen om het maximale vermogenspunt te volgen en de robuuste regeling van de uitgangsstroom van de omvormer aan te passen. Hoewel de DC-DC-omzetter de efficiëntie van de waterstofproductie effectief kan verbeteren, zal de door de omzetter gegenereerde rimpel fouten veroorzaken in de niveaubeoordeling van de ingangsstroom, waardoor de werkefficiëntie van de elektrolytische cel wordt beïnvloed; het verlies veroorzaakt door DC-conversie verhoogt de bedrijfskosten en heeft ook invloed op de duurzaamheid van het waterstofproductiesysteem en de levensduur van het apparaat.
2). Fotovoltaïsche waterstofproductie met directe koppeling
De directe koppeling van apparaten voor de opwekking van fotovoltaïsche energie en elektrolytische cellen vereenvoudigt de complexiteit van aan fotovoltaïsche energieopwekking gekoppelde waterstofproductiesystemen. Het fotovoltaïsche elektrolysesysteem bestaat bijvoorbeeld uit twee PEM-elektrolytische cellen die rechtstreeks zijn verbonden met fotovoltaïsche zonnecellen met drie knooppunten, die voldoende spanning kunnen genereren om het waterstofproductieproces van elektrolytische cellen op basis van fotovoltaïsche zonnecellen in stand te houden; Door het punt van de maximale fotovoltaïsche vermogensdichtheid aan te passen aan de elektrolytische cel, kan de conversie-efficiëntie van zonne-energie naar waterstof oplopen tot 30%. Bij directe koppeling werken de spannings- en stroomgolfvormen van de fotovoltaïsche cel echter rechtstreeks in op de elektrolytische cel, wat een uitdaging vormt voor de veilige en stabiele werking van de elektrolysecel op lange termijn.