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 III

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 III

III. Investigación y desarrollo de la tecnología central del electrolizador PEM y dirección de desarrollo de la tecnología de producción de hidrógeno del electrolizador PEM

1. Investigación y desarrollo de tecnología de electrolizadores PEM
El rango de fluctuación de energía de la producción de hidrógeno mediante energía eólica y solar es amplio, y los efectos adversos sobre equipo de producción de hidrógeno se manifiestan en una reducción significativa de la vida útil de los equipos y de la pureza del hidrógeno producido. Estos efectos son causados por la atenuación de los componentes principales del electrolizador PEM bajo la condición de suministro de energía fluctuante eólica y solar. Desde una perspectiva técnica, el principal desafío que enfrenta el electrolizador PEM es cómo mejorar el rendimiento y la estabilidad del trabajo mediante la investigación y el desarrollo de materiales, el proceso de ensamblaje y la optimización. La investigación y el desarrollo de materiales avanzados incluyen materiales adhesivos y de capa catalítica, placas bipolares resistentes a la corrosión, membranas de intercambio iónico orgánico y otras direcciones. El proceso de ensamblaje y optimización de los componentes del electrolizador incluyen principalmente la optimización del método de preparación del electrodo de membrana, la optimización de la precarga del ensamblaje del electrolizador, la optimización de la temperatura del electrodo de membrana/electrolizador y la distribución de la tensión térmica, y la optimización del canal de flujo. En los últimos años, el electrodo de membrana ha sido la dirección de investigación clave del electrolizador PEM.
Centrándose en los componentes principales de los catalizadores de electrolizadores, membranas de intercambio, placas bipolares, etc., las principales formas de llevar a cabo la investigación y el desarrollo de catalizadores son: mejorar la actividad y estabilidad de los catalizadores mediante dopaje compuesto binario o multimetálico; seleccionar materiales de superficie altamente específicos y resistentes a la oxidación como portadores de catalizadores para mejorar la tasa de utilización y la actividad de los catalizadores; diseñar nuevos catalizadores estructurales, como estructuras núcleo-capa y nanoarrays. Entre las membranas de intercambio que se utilizan actualmente, las membranas de protones de ácido perfluorosulfónico de DuPont son las más comunes, y también se utilizan membranas de protones de ácido perfluorosulfónico de cadena corta de marcas como Dow Chemical, 3M, Gore y Asahi Glass. Para mejorar la estabilidad de la membrana de intercambio, generalmente se usan polímeros de poliarileno para fortalecer y modificar la membrana, y se usan materiales catalíticos para modificar el diafragma para reducir el cruce del gas producto. El coste de las placas bipolares representa más del 50% del electrolizador y los revestimientos de metales preciosos suelen estar configurados para mejorar la resistencia a la corrosión. El trabajo futuro para reducir los costes de fabricación se centrará principalmente en nuevos materiales de placas bipolares y procesos de tratamiento de superficies de bajo coste.
En términos de proceso de ensamblaje y optimización, la investigación actual se centra en el diseño asimétrico de cátodo/ánodo, optimización de la fijación de componentes electrolíticos mediante la conexión de la posición de la tarjeta, etc. Para adaptarse al suministro de energía fluctuante, algunos estudios han explorado la influencia del agua. cambios de flujo en el electrolizador, distribución de tuberías de suministro de agua y estructura de electrodos de membrana en la permeación de gas en ambos lados, cambios de temperatura y presión, densidad de corriente, etc. Para los componentes centrales del electrolizador, los procesos de membrana de recubrimiento de catalizador más utilizados son Pulverización ultrasónica y recubrimiento rollo a rollo: en comparación con el primero, el segundo utiliza un recubrimiento único de la capa de catalizador, que puede obtener un recubrimiento más grueso y uniforme más rápidamente y satisfacer las necesidades de la producción en masa de electrodos de membrana. Para evitar perforaciones, grietas, tensiones mecánicas, humidificación insuficiente y presión de reacción causadas por el ensamblaje, las propiedades del material utilizado generalmente se estudian en profundidad al diseñar el electrodo de membrana y su proceso de sujeción, y se llevan a cabo pruebas de carga basadas en dispositivos experimentales.

Para evaluar la vida útil de los componentes bajo frecuentes arranques y paradas y suministro de energía fluctuante eólico-solar, es necesario obtener más datos mediante pruebas aceleradas para mejorar la durabilidad de los componentes de la pila, lo cual es otro desafío en la investigación y el desarrollo actuales. Sin embargo, no existe un protocolo de prueba de descomposición acelerada estandarizado para los componentes del electrolizador PEM, y la tasa de degradación de los componentes de la pila es difícil de medir, lo que dificulta la comparación directa de los resultados de las investigaciones existentes. Establecer un protocolo estandarizado de prueba de descomposición acelerada del electrolizador PEM es un problema de cuello de botella que debe resolverse urgentemente en la investigación y el desarrollo de tecnologías clave actuales.
En los últimos años, la investigación técnica y el desarrollo de componentes clave de los electrolizadores PEM han logrado avances significativos. Según la ruta técnica de mi país para la producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua, los indicadores técnicos clave actuales de los electrolizadores PEM son: eficiencia de alrededor del 63%, vida útil de aproximadamente 6×104 h y costo de alrededor de 10.000 yuanes/kW. Se espera que para 2030, los indicadores técnicos clave de los electrolizadores PEM sean: eficiencia del 78%, vida útil de 1×105 h y costo reducido a 4.000 yuanes/kW.

2. Dirección de desarrollo de la tecnología de producción de hidrógeno con electrolizadores PEM.
El principio de la producción de hidrógeno con energía eólica-solar es completar la conversión de la energía eólica/solar en electricidad y luego convertir la electricidad en energía de hidrógeno a través de un electrolizador. Actualmente existen cuatro tecnologías principales de electrólisis de agua, de las cuales la tecnología de electrólisis de agua alcalina es la más madura y tiene el costo más bajo, y ha entrado en la etapa de desarrollo comercial; pero la tecnología de electrólisis de agua PEM se está desarrollando rápidamente y tiene buena adaptabilidad a la energía eólica y solar, y será la dirección preferida para la producción de hidrógeno con energía renovable en el futuro.
En la actualidad, los principales métodos de producción de hidrógeno mediante acoplamiento eólico-solar son fuera de la red y conectados a la red. Aunque la producción de hidrógeno conectada a la red supera la volatilidad de la energía de producción de hidrógeno, tiene los problemas de los altos precios de la electricidad y el acceso limitado a la red. El método fuera de la red proporciona la electricidad generada por una o varias turbinas eólicas (sin pasar por la red) al equipo de producción de hidrógeno por electrólisis del agua para la producción de hidrógeno. Es adecuado para zonas con buenos recursos eólicos pero consumo limitado, y tiene un modelo de negocio sólido y amplias perspectivas de desarrollo; se utiliza principalmente para la producción distribuida de hidrógeno y se utiliza localmente para la generación y el suministro de energía con pilas de combustible.
De manera similar a la producción de hidrógeno fuera de la red, la producción de hidrógeno fuera de la red es otra forma eficaz de producir hidrógeno, que elimina una gran cantidad de equipos auxiliares necesarios para la conexión a la red (como convertidores/transformadores, sistemas de filtrado) y el costo se reduce considerablemente. en comparación con la producción de hidrógeno conectada a la red. La producción de hidrógeno fuera de la red utiliza corriente continua, lo que evita eficazmente los problemas de diferencia de fase y de frecuencia causados por el acceso a la red de CA, simplificando el sistema y ahorrando costes. Vale la pena señalar que, en comparación con la producción de hidrógeno fuera de la red o conectada a la red, la producción de hidrógeno por hidrólisis de energía solar y eólica no conectada a la red combina directamente la energía eólica y solar con electrolizadores PEM, logrando redes de energía eólica y solar sin conexión a la red. evitando así el impacto de las fluctuaciones de la energía eólica y solar en la red eléctrica. A partir de este proceso, la fuente de energía fluctuante en la producción de hidrógeno con energía solar y eólica no conectada a la red solo necesita una simple transformación y rectificación, y el voltaje se ajusta al voltaje requerido a través del transformador, y la energía de CA se rectifica en energía de CC.
La tecnología de producción de hidrógeno fuera de la red es una tecnología original en mi país en campos relacionados, que ayuda a romper las limitaciones técnicas de las energías renovables fluctuantes. La energía eólica y solar no está sujeta a restricciones de conexión a la red, y los equipos de generación de energía eólica y fotovoltaica se pueden optimizar aún más, lo que puede reducir significativamente los costos y evitar accidentes a gran escala de turbinas eólicas/fotovoltaicas causadas por la conexión a la red, de modo que lograr la solución al problema del consumo de energía eólica y solar y promover al mismo tiempo el desarrollo de la industria de la energía del hidrógeno verde.

IV. Tendencias de aplicación de la electrólisis del agua y la producción de hidrógeno a partir de fuentes de energía fluctuantes eólicas y solares
1. Estado actual y economía de la producción de hidrógeno acoplada a la energía eólica
En la actualidad, la investigación nacional y extranjera se centra en la aplicabilidad y la economía de la producción de hidrógeno mediante energía eólica conectada a la red en diferentes escenarios de aplicación. La producción de hidrógeno mediante energía eólica conectada a la red puede absorber eficazmente el abandono del viento (la tasa de abandono del viento correspondiente se reduce del 35,8% al 7,5%). Las direcciones clave de investigación incluyen la optimización de la configuración del sistema y la simulación de estrategias de control, explorando principalmente el impacto del voltaje, la corriente, la temperatura, la presión y las propiedades electroquímicas de los materiales de los electrodos en la operación de equipos de producción de hidrógeno bajo frecuentes cambios de energía, optimizando la operación y el arranque-parada. estrategias de control y ampliación de la vida útil de los electrolizadores. En la producción de hidrógeno acoplado a energía eólica, la producción de hidrógeno mediante energía eólica marina es una de las formas principales en el futuro. En los últimos años, se han construido en el extranjero más de 20 proyectos de demostración de producción de hidrógeno acoplado a energía eólica. En Europa, las direcciones clave de la investigación son: explorar las ventajas del almacenamiento de energía del hidrógeno en la red eléctrica, mejorar la utilización de la energía eólica, la calidad de la generación de energía y la estabilidad de la red eléctrica; llevar a cabo proyectos de "electricidad a gas" para aumentar la proporción de energía renovable mediante el almacenamiento de hidrógeno; En el desarrollo de proyectos de producción de hidrógeno con energía eólica marina, como los Países Bajos, se construirá un proyecto de producción de hidrógeno con energía eólica marina de 3 a 4 GW en 2030 y se alcanzará una capacidad instalada de 10 GW y una escala de producción de hidrógeno de 8 × 105 t en 2040. En comparación con el hidrógeno tradicional. métodos de producción, la electrólisis es un factor clave para determinar la eficiencia económica de la producción de hidrógeno mediante energía eólica. El 70% del coste de la producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua proviene de los precios de la electricidad. Según los precios actuales de la electricidad, el coste de la producción de hidrógeno mediante energía eólica es de 2 a 3 veces mayor que el de la producción de hidrógeno tradicional. Cuando el costo por kilovatio-hora se controla en 0,25 yuanes, el costo de la producción de hidrógeno mediante energía eólica está a la par con el costo de la producción tradicional de hidrógeno; si el precio de la electricidad baja, tendrá una ventaja económica.

2. Estado actual y economía de la generación de energía fotovoltaica junto con la producción de hidrógeno
La generación de energía fotovoltaica junto con la producción de hidrógeno es otra forma importante de producir hidrógeno a partir de energías renovables.
El cuello de botella de la industrialización de la generación de energía fotovoltaica y la producción de hidrógeno reside en su elevado coste. La bajada del coste de la electricidad fotovoltaica reducirá en gran medida el coste de producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua. Se estima que el costo de la generación de energía fotovoltaica por kilovatio-hora será inferior a 0,3 yuanes en 2025, y se espera que la producción de hidrógeno de la generación de energía fotovoltaica sea paritaria para entonces; En áreas con abundantes recursos luminosos, se espera que el costo de la producción de hidrógeno por generación de energía fotovoltaica por kilovatio-hora caiga a 0,15 yuanes, lo que reducirá aún más el costo de la producción de hidrógeno. Para 2035 y 2050, el costo de la generación de energía fotovoltaica por kilovatio-hora será de 0,2 yuanes y 0,13 yuanes respectivamente, logrando una buena eficiencia económica en todos los aspectos.
Según las previsiones de investigaciones recientes y la "Hoja de ruta de desarrollo del 'Hidrógeno 100' renovable de China para 2030", la producción de hidrógeno por electrólisis del agua de generación de energía eólica terrestre y fotovoltaica en China está cerca de la paridad. Sin embargo, el equipo de producción de hidrógeno por electrólisis de agua PEM es más de 5 veces mayor que los electrolizadores alcalinos, y el costo de producción de hidrógeno nivelado es aproximadamente un 40% mayor. Por lo tanto, el factor clave para el desarrollo futuro de la producción de hidrógeno mediante electrolizadores PEM es reducir los costos operativos y de fabricación de los equipos. Con la escala de la industria de producción de hidrógeno y los continuos avances en las tecnologías centrales correspondientes, se espera que el costo de los electrolizadores PEM se reduzca en más del 50% y que el costo nivelado del hidrógeno se reduzca en un 20%.