Desarrollo y aplicación de la tecnología de producción de hidrógeno por electrólisis de agua con membrana de intercambio de protones bajo fluctuaciones de energía eólica y solar I

Desarrollo y aplicación de Membrana de intercambio de protones electrólisis del agua producción de hidrógeno. tecnología bajo fluctuaciones de energía eólica y solar I

La tendencia del calentamiento global es más obvia. el desarrolloEl desarrollo de energías limpias puede aliviar la gran cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero generadas por el uso de combustibles fósiles. Por lo tanto, el desarrollo de energías renovables como la energía eólica y la energía solar es de gran importancia para el desarrollo sostenible de la sociedad humana. La energía renovable tiene una fuerte dependencia temporal y espacial, intermitencia, volatilidad y otras características. También se enfrenta a las dificultades de fiabilidad y regulación de picos y frecuencias en la conexión a la red. Por lo tanto, convertir la electricidad de energía renovable en energía química y almacenarla antes de usarla es más flexible y es una forma efectiva de coordinar el desarrollo de fuente, red y carga.

El hidrógeno tiene las ventajas de ser limpio y tener alta calidad/densidad energética. Es un portador de energía eficiente que puede reemplazar los combustibles fósiles como el carbón y el gas natural en industrias con altas emisiones de carbono, electricidad y otros campos, y tiene amplias perspectivas de aplicación. La producción de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua con energía renovable es una forma eficaz de lograr el consumo de energía renovable y la producción de hidrógeno verde. Las tecnologías comunes incluyen electrólisis de agua alcalina, electrólisis de agua con membrana de intercambio de protones (PEM), electrólisis de agua con membrana de intercambio aniónico y electrólisis de agua de óxido sólido. Entre ellos, la tecnología de electrólisis de agua PEM tiene alta densidad de corriente, eficiencia (80% ~ 90%), pureza del gas, bajo consumo y volumen de energía, y buena seguridad y confiabilidad. La investigación y el desarrollo de la tecnología de electrólisis del agua PEM es una parte importante para apoyar la realización de energías renovables y la producción de hidrógeno acoplado a electricidad.

El artículo se centra en el desarrollo y aplicación de tecnología eficiente de producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua bajo fuentes de energía fluctuantes eólicas y solares. Se analizan sistemáticamente los problemas existentes en la producción de hidrógeno mediante el acoplamiento de fuentes de energía fluctuantes eólicas y solares desde los aspectos de las características de fluctuación eólica y solar y los métodos de producción de hidrógeno, las características de producción de hidrógeno por electrólisis del agua PEM y el mecanismo de atenuación, el estado actual de las aplicaciones de producción de hidrógeno y los aspectos clave. investigación y desarrollo tecnológico, con el fin de proporcionar una referencia básica para el correspondiente desarrollo tecnológico y la investigación de aplicaciones industriales.

I. Escenarios de producción de electricidad renovable, energía eólica y solar, producción de hidrógeno
Las principales formas de energía renovable son la energía eólica y la generación de energía fotovoltaica, que tienen la propiedad inherente de una fuerte volatilidad. Sólo analizando las características de fluctuación de la energía eólica y fotovoltaica podemos identificar las condiciones básicas para el desarrollo de la tecnología de producción de hidrógeno por electrólisis del agua bajo fuentes de energía fluctuantes eólicas y fotovoltaicas.
1.Energía eólica combinada con producción de hidrógeno
Viento La producción de hidrógeno acoplado a energía se divide principalmente en tipos conectados a la red y fuera de la red. Para la energía eólica conectada a la red, la red eléctrica realiza el control de voltaje y frecuencia a través del sistema de gestión de energía para garantizar que la celda electrolítica produzca hidrógeno a un voltaje relativamente estable; los métodos correspondientes conectados a la red incluyen principalmente energía eólica síncrona conectada a la red y energía eólica asíncrona conectada a la red. Hay tres escenarios de aplicación principales para la producción de hidrógeno acoplado a energía eólica conectada a la red: utilizar el excedente de energía eólica para producir hidrógeno, que desempeña el papel de "reducción de picos" en la red eléctrica; utilizar la energía del hidrógeno y generar electricidad mediante tecnologías como las pilas de combustible para desempeñar el papel de "llenar el valle" en la red eléctrica; utilizar el suministro de energía de la red para resolver el problema intermitente de la energía eólica y mejorar la estabilidad y confiabilidad del sistema de producción de hidrógeno.
En comparación con el método conectado a la red, la energía eólica fuera de la red elimina los equipos auxiliares conectados a la red, puede evitar los problemas causados por la conexión a la red y reducir el costo de la producción de hidrógeno. Especialmente en el caso de la energía eólica marina, la adopción de la generación de energía fuera de la red puede resolver eficazmente el problema de la transmisión de energía; La infraestructura de transmisión de petróleo y gas natural también puede servir como canal de transmisión para la producción de hidrógeno mediante energía eólica marina, lo que reduce significativamente el coste de inversión del gasoducto correspondiente. Generalmente, existen dos escenarios de aplicación principales para la producción de hidrógeno acoplado a energía eólica fuera de la red: el hidrógeno obtenido se exporta a través de gasoductos o camiones cisterna de hidrógeno, y un sistema de microrred se construye con energía eólica, convertidores, electrolizadores, equipos de almacenamiento de hidrógeno, combustible. células, etc.

2. Generación de energía fotovoltaica combinada con producción de hidrógeno
La generación de energía fotovoltaica junto con la producción de hidrógeno también se puede dividir en tipos conectados a la red y fuera de la red. La generación de energía fotovoltaica conectada a la red junto con la producción de hidrógeno conecta la electricidad generada por los módulos fotovoltaicos a la red y luego obtiene electricidad de la red para electrolizar el agua y producir hidrógeno. A menudo se utiliza para el almacenamiento de energía y luz abandonado a gran escala; La generación de energía fotovoltaica fuera de la red junto con la producción de hidrógeno se refiere al suministro directo de la electricidad generada por módulos fotovoltaicos a electrolizadores para la producción de hidrógeno, que se utiliza principalmente para la producción distribuida de hidrógeno. La generación de energía fotovoltaica junto con la tecnología de producción de hidrógeno por electrólisis de agua PEM adopta principalmente dos formas: acoplamiento indirecto de conversión CC-CC fotovoltaica y acoplamiento directo fotovoltaico.
1). Conversión fotovoltaica CC-CC acoplamiento indirecto producción de hidrógeno
La potencia de salida de la generación de energía fotovoltaica se ve afectada por múltiples factores como la radiación solar, la temperatura ambiente y la carga externa, lo que dificulta proporcionar directamente la potencia óptima para la carga. Generalmente se agrega un convertidor CC-CC entre el módulo fotovoltaico y la celda electrolítica para igualar mejor el voltaje fotovoltaico y el voltaje de la celda electrolítica, mejorando así la eficiencia de la producción de hidrógeno. El método comúnmente utilizado es el seguimiento de la densidad de potencia máxima, como el uso de tecnología de modulación de ancho de pulso para ajustar el ciclo de trabajo para rastrear el punto de máxima potencia y ajustar el control robusto de la corriente de salida del convertidor. Aunque el convertidor CC-CC puede mejorar eficazmente la eficiencia de la producción de hidrógeno, la ondulación generada por el convertidor provocará errores en el juicio del nivel de la corriente de entrada, afectando así la eficiencia de trabajo de la celda electrolítica; la pérdida causada por la conversión de CC aumenta el costo operativo y también afectará la durabilidad del sistema de producción de hidrógeno y la vida útil del dispositivo.
2). Producción de hidrógeno fotovoltaico de acoplamiento directo.
El acoplamiento directo de dispositivos de generación de energía fotovoltaica y celdas electrolíticas simplifica la complejidad de los sistemas de producción de hidrógeno acoplados a la generación de energía fotovoltaica. Por ejemplo, el sistema de electrólisis fotovoltaica consta de dos celdas electrolíticas PEM conectadas directamente a células solares fotovoltaicas de tres nodos, que pueden generar voltaje suficiente para mantener el proceso de producción de hidrógeno de las celdas electrolíticas basado en células solares fotovoltaicas; ajustar el punto de densidad de potencia máxima fotovoltaica para que coincida con la celda electrolítica puede hacer que la eficiencia de conversión de energía solar a hidrógeno alcance el 30%. Sin embargo, bajo acoplamiento directo, las formas de onda de voltaje y corriente de la celda fotovoltaica actúan directamente sobre la celda electrolítica, lo que plantea un desafío para el funcionamiento seguro y estable a largo plazo de la pila de electrolizador.