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

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

III. PEM electrolyzer kerntechnologie onderzoek en ontwikkeling en PEM electrolyzer waterstofproductie technologie ontwikkelingsrichting

1. Onderzoek en ontwikkeling van PEM-elektrolysetechnologie
Het stroomfluctuatiebereik van de waterstofproductie uit wind- en zonne-energie is groot, en de negatieve effecten daarop apparatuur voor de productie van waterstof komen tot uiting in een aanzienlijke vermindering van de levensduur van de apparatuur en de zuiverheid van de geproduceerde waterstof. Deze effecten worden veroorzaakt door de verzwakking van de hoofdcomponenten van de PEM-elektrolysator onder omstandigheden van een fluctuerende stroomvoorziening door wind en zon. Vanuit technisch perspectief is de belangrijkste uitdaging voor de PEM-elektrolysator het verbeteren van de werkprestaties en stabiliteit door middel van materiaalonderzoek en -ontwikkeling, assemblageproces en optimalisatie. Geavanceerd materiaalonderzoek en -ontwikkeling omvat katalytische laag- en lijmmaterialen, corrosiebestendige bipolaire platen, organische ionenuitwisselingsmembranen en andere richtingen. Het assemblageproces en de optimalisatie van elektrolyzercomponenten omvatten voornamelijk optimalisatie van de voorbereidingsmethode voor membraanelektroden, optimalisatie van de voorbelasting van de elektrolyzerassemblage, optimalisatie van de membraanelektrode/elektrolysatortemperatuur en thermische spanningsverdeling, en optimalisatie van het stroomkanaal. De afgelopen jaren was membraanelektrode de belangrijkste onderzoeksrichting van PEM-elektrolysator.
Als we ons concentreren op de belangrijkste componenten van elektrolysekatalysatoren, uitwisselingsmembranen, bipolaire platen, enz., zijn de belangrijkste manieren om onderzoek en ontwikkeling op het gebied van katalysatoren uit te voeren: het verbeteren van de activiteit en stabiliteit van katalysatoren door middel van binaire of multi-metaalcomposietdotering; het selecteren van oxidatiebestendige en hoogspecifieke oppervlaktematerialen als katalysatordragers om de benuttingsgraad en activiteit van katalysatoren te verbeteren; het ontwerpen van nieuwe structurele katalysatoren, zoals core-shell-structuren en nanoarrays. Van de uitwisselingsmembranen die momenteel in gebruik zijn, zijn perfluorsulfonzuurprotonmembranen van DuPont de meest voorkomende, en perfluorsulfonzuurprotonmembranen met korte keten van merken als Dow Chemical, 3M, Gore en Asahi Glass worden ook gebruikt. Om de stabiliteit van het uitwisselingsmembraan te verbeteren, worden gewoonlijk polyaryleenpolymeren gebruikt om het membraan te versterken en te modificeren, en worden katalytische materialen gebruikt om het diafragma te modificeren om de crossover van productgas te verminderen. De kosten van bipolaire platen vertegenwoordigen meer dan 50% van de elektrolyzer, en coatings van edelmetaal zijn meestal geconfigureerd om de corrosieweerstand te verbeteren. Toekomstig werk om de productiekosten te verlagen zal zich vooral richten op nieuwe, goedkope bipolaire plaatmaterialen en oppervlaktebehandelingsprocessen.
In termen van assemblageproces en optimalisatie concentreert het huidige onderzoek zich op het asymmetrische ontwerp van kathode/anode, optimalisatie van de fixatie van elektrolytische componenten door de kaartpositie te verbinden, enz. Om zich aan te passen aan de fluctuerende stroomvoorziening, hebben sommige onderzoeken de invloed van water onderzocht. stromingsveranderingen in de elektrolyseur, distributie van watertoevoerleidingen en membraanelektrodestructuur op gaspermeatie aan beide zijden, temperatuur- en drukveranderingen, stroomdichtheid, enz. Voor de kerncomponenten van de elektrolyseur zijn de meest gebruikte katalysatorcoatingmembraanprocessen ultrasoon spuiten en roll-to-roll coating: vergeleken met de eerste gebruikt de laatste een eenmalige coating van de katalysatorlaag, waardoor sneller een dikkere en uniformere coating kan worden verkregen en kan worden voldaan aan de behoeften van de massaproductie van membraanelektroden. Om lekke banden, scheuren, mechanische spanningen, onvoldoende bevochtiging en reactiedruk veroorzaakt door montage te voorkomen, worden de gebruikte materiaaleigenschappen meestal volledig bestudeerd bij het ontwerpen van de membraanelektrode en het klemproces, en worden belastingstests uitgevoerd op basis van experimentele apparaten.

Om de levensduur van componenten onder frequente start-stop- en wind-zon-fluctuerende stroomtoevoer te evalueren, moeten meer gegevens worden verkregen door middel van versnelde tests om de duurzaamheid van de stapelcomponenten te verbeteren, wat een andere uitdaging is in het huidige onderzoek en de ontwikkeling. Er bestaat echter geen gestandaardiseerd testprotocol voor versneld verval voor PEM-elektrolysecomponenten, en de afbraaksnelheid van de componenten van de stapelcomponenten is moeilijk te meten, wat het moeilijk maakt om een directe vergelijking van bestaande onderzoeksresultaten uit te voeren. Het opzetten van een gestandaardiseerd PEM-elektrolysetestprotocol voor versneld verval is een knelpuntprobleem dat dringend moet worden opgelost in het huidige onderzoek en de ontwikkeling van sleuteltechnologie.
De afgelopen jaren heeft het technisch onderzoek en de ontwikkeling van de belangrijkste componenten van PEM-elektrolyzers aanzienlijke vooruitgang geboekt. Volgens de technische route van mijn land voor waterstofproductie door elektrolyse van water zijn de huidige belangrijkste technische indicatoren van PEM-elektrolyzers: een efficiëntie van ongeveer 63%, een levensduur van ongeveer 6 x 104 uur en een kostprijs van ongeveer 10.000 yuan/kW. Verwacht wordt dat tegen 2030 de belangrijkste technische indicatoren van PEM-elektrolysers zullen zijn: een efficiëntie van 78%, een levensduur van 1×105 uur en een kostenbesparing tot 4.000 yuan/kW.

2. Ontwikkelingsrichting van PEM-elektrolyse-waterstofproductietechnologie
Het principe van de productie van waterstof uit wind-zonne-energie is om de omzetting van wind- en zonne-energie in elektriciteit te voltooien en vervolgens elektriciteit via een elektrolysator om te zetten in waterstofenergie. Er zijn momenteel vier belangrijke waterelektrolysetechnologieën, waarvan de alkalische waterelektrolysetechnologie het meest volwassen is, de laagste kosten heeft en de commerciële ontwikkelingsfase is ingegaan; maar de PEM-waterelektrolysetechnologie ontwikkelt zich snel en heeft een goed aanpassingsvermogen aan wind- en zonne-energie, en zal in de toekomst de voorkeursrichting zijn voor de productie van waterstof uit hernieuwbare energie.
Op dit moment zijn de belangrijkste waterstofproductiemethoden voor wind-zonnekoppeling off-grid en netgekoppeld. Hoewel netgekoppelde waterstofproductie de volatiliteit van waterstofproductie overwint, kent het de problemen van hoge elektriciteitsprijzen en beperkte toegang tot het elektriciteitsnet. De off-grid-methode levert de elektriciteit die wordt opgewekt door een enkele of meerdere windturbines (zonder door het net te gaan) naar de waterelektrolyse-waterstofproductieapparatuur voor waterstofproductie. Het is geschikt voor gebieden met goede windenergie maar een beperkt verbruik, en heeft een robuust bedrijfsmodel en brede ontwikkelingsvooruitzichten; het wordt voornamelijk gebruikt voor de gedistribueerde waterstofproductie en lokaal voor de opwekking van energie en energievoorziening met brandstofcellen.
Net als bij off-grid waterstofproductie is non-grid waterstofproductie een andere effectieve manier om waterstof te produceren, waardoor een groot aantal hulpapparatuur die nodig is voor netaansluiting (zoals converters/transformatoren, filtersystemen) wordt geëlimineerd en de kosten aanzienlijk worden verlaagd. vergeleken met netgekoppelde waterstofproductie. Bij de productie van waterstof buiten het elektriciteitsnet wordt gelijkstroom gebruikt, waardoor problemen met faseverschillen en frequentieverschillen die worden veroorzaakt door toegang tot het AC-net effectief worden vermeden, waardoor het systeem wordt vereenvoudigd en kosten worden bespaard. Het is vermeldenswaard dat, vergeleken met off-grid/grid-connected waterstofproductie, niet-grid-connected wind- en zonne-energie hydrolyse waterstofproductie wind- en zonne-energie direct koppelt aan PEM-elektrolyzers, waardoor wind- en zonne-energienetwerken worden gerealiseerd zonder netverbinding. waardoor de impact van fluctuerende wind- en zonne-energie op het elektriciteitsnet wordt vermeden. Vanuit dit proces heeft de fluctuerende energiebron bij de niet op het elektriciteitsnet aangesloten waterstofproductie uit wind- en zonne-energie slechts een eenvoudige transformatie en gelijkrichting nodig, en wordt de spanning via de transformator aangepast aan de vereiste spanning, en wordt de wisselstroom gelijkgericht in gelijkstroom.
Niet-grid waterstofproductietechnologie is in mijn land een originele technologie op aanverwante gebieden, die helpt de technische beperkingen van fluctuerende hernieuwbare energie te doorbreken. Wind- en zonne-energie zijn niet onderworpen aan beperkingen op het elektriciteitsnet, en apparatuur voor de opwekking van windenergie en fotovoltaïsche energie kan verder worden geoptimaliseerd, wat de kosten aanzienlijk kan verlagen en grootschalige ongevallen met windturbines/fotovoltaïsche elektriciteitsnetten als gevolg van de aansluiting op het elektriciteitsnet kan voorkomen. het bereiken van de oplossing voor het probleem van het verbruik van wind- en zonne-energie en tegelijkertijd het bevorderen van de ontwikkeling van de groene waterstofenergie-industrie.

IV. Toepassingstrends van waterelektrolyse en waterstofproductie uit fluctuerende wind- en zonne-energiebronnen
1.Huidige status en economie van windenergie-gekoppelde waterstofproductie
Momenteel ligt de focus van binnen- en buitenlands onderzoek op de toepasbaarheid en economie van netgekoppelde waterstofproductie uit windenergie in verschillende toepassingsscenario's. Op het elektriciteitsnet aangesloten waterstofproductie uit windenergie kan het stopzetten van de wind effectief absorberen (het overeenkomstige percentage voor het stopzetten van windenergie wordt verlaagd van 35,8% naar 7,5%). De belangrijkste onderzoeksrichtingen omvatten optimalisatie van de systeemconfiguratie en simulatie van besturingsstrategieën, waarbij voornamelijk de impact van spanning, stroom, temperatuur, druk en elektrochemische eigenschappen van elektrodematerialen op de werking van waterstofproductieapparatuur onder frequente stroomveranderingen wordt onderzocht, waardoor de werking en start-stop worden geoptimaliseerd. controlestrategieën en het verlengen van de levensduur van elektrolyzers. Bij aan windenergie gekoppelde waterstofproductie is de waterstofproductie uit windenergie op zee een van de mainstream vormen in de toekomst. De afgelopen jaren zijn in het buitenland ruim twintig demonstratieprojecten voor de productie van waterstof met windenergie gebouwd. In Europa zijn de belangrijkste onderzoeksrichtingen: het onderzoeken van de voordelen van waterstof op het gebied van energieopslag in het elektriciteitsnet, het verbeteren van het gebruik van windenergie, de kwaliteit van de energieopwekking en de stabiliteit van het elektriciteitsnet; het uitvoeren van "power-to-gas"-projecten om het aandeel hernieuwbare energie door waterstofopslag te vergroten; het ontwikkelen van waterstofproductieprojecten voor offshore windenergie, zoals Nederland een 3~4 GW offshore windenergieproductieproject voor waterstofproductie zal bouwen in 2030, en in 2040 een geïnstalleerd vermogen van 10 GW en een productieschaal van 8×105 ton waterstof zal bereiken. Vergeleken met traditionele waterstof productiemethoden is elektrolyse een sleutelfactor bij het bepalen van de economische efficiëntie van de productie van waterstof uit windenergie. 70% van de kosten van waterstofproductie door middel van waterelektrolyse is afkomstig van elektriciteitsprijzen. Volgens de huidige elektriciteitsprijzen zijn de kosten van de productie van waterstof uit windenergie twee tot drie keer zo hoog als die van de traditionele waterstofproductie. Wanneer de kosten per kilowattuur op 0,25 yuan worden gehouden, zijn de kosten van de productie van waterstof uit windenergie vergelijkbaar met de kosten van de traditionele waterstofproductie; als de elektriciteitsprijs daalt, heeft dit een economisch voordeel.

2.Huidige status en economie van fotovoltaïsche energieopwekking in combinatie met waterstofproductie
Fotovoltaïsche energieopwekking in combinatie met waterstofproductie is een andere belangrijke manier om waterstof uit hernieuwbare energie te produceren.
Het knelpunt van de industrialisatie van de waterstofproductie van fotovoltaïsche energieopwekking ligt in de hoge kosten. De daling van de kosten van fotovoltaïsche elektriciteit zal de kosten van waterstofproductie door elektrolyse van water aanzienlijk verlagen. Er wordt geschat dat de kosten van de opwekking van fotovoltaïsche energie per kilowattuur in 2025 minder dan 0,3 yuan zullen bedragen, en de waterstofproductie van fotovoltaïsche energieopwekking zal naar verwachting tegen die tijd gelijk zijn; in gebieden met overvloedige lichtbronnen zullen de kosten voor de productie van waterstof uit fotovoltaïsche energie per kilowattuur naar verwachting dalen tot 0,15 yuan, wat de kosten van de waterstofproductie verder zal verlagen. Tegen 2035 en 2050 zullen de kosten voor de opwekking van fotovoltaïsche energie per kilowattuur respectievelijk 0,2 yuan en 0,13 yuan bedragen, wat in alle opzichten een goede economische efficiëntie oplevert.
Volgens recente onderzoeksvoorspellingen en de 'China 2030 'Renewable Hydrogen 100' Development Roadmap' ligt de waterstofproductie van waterelektrolyse en waterstof op land in mijn land vrijwel gelijk. PEM-waterelektrolyse-waterstofproductieapparatuur is echter meer dan 5 keer hoger dan alkalische elektrolysers, en de genivelleerde waterstofproductiekosten zijn ongeveer 40% hoger. Daarom is de belangrijkste drijvende factor voor de toekomstige ontwikkeling van de waterstofproductie van PEM-elektrolysers het verlagen van de productie- en bedrijfskosten van apparatuur. Met de omvang van de waterstofproductie-industrie en de voortdurende doorbraken in overeenkomstige kerntechnologieën zullen de kosten van PEM-elektrolyzers naar verwachting met meer dan 50% worden verlaagd, en zullen de genivelleerde kosten van waterstof naar verwachting met 20% worden verlaagd.