Desenvolvimento e aplicação de tecnologia de produção de hidrogênio por eletrólise de água por membrana de troca de prótons sob flutuações de energia eólica e solar I

Desenvolvimento e aplicação de membrana de troca de prótons eletrólise de água produção de hidrogênio tecnologia sob flutuações de energia eólica e solar I

A tendência do aquecimento global é mais óbvia. O desenvolvimentoO investimento em energia limpa pode aliviar a grande quantidade de emissões de gases com efeito de estufa geradas pela utilização de combustíveis fósseis. Portanto, o desenvolvimento de energias renováveis, como a energia eólica e a energia solar, é de grande importância para o desenvolvimento sustentável da sociedade humana. A energia renovável tem forte dependência de tempo e espaço, intermitência, volatilidade e outras características. Enfrenta também dificuldades de fiabilidade e regulação de pico e frequência na ligação à rede. Portanto, converter eletricidade de energia renovável em energia química e armazená-la antes de utilizá-la é mais flexível e é uma forma eficaz de coordenar o desenvolvimento de fonte, rede e carga.

O hidrogênio tem as vantagens de ser limpo e ter alta qualidade/densidade energética. É um transportador de energia eficiente que pode substituir os combustíveis fósseis, como o carvão e o gás natural, em indústrias com elevadas emissões de carbono, electricidade e outros campos, e tem amplas perspectivas de aplicação. A produção de hidrogénio a partir da eletrólise da água por energia renovável é uma forma eficaz de alcançar o consumo de energia renovável e a produção de hidrogénio verde. As tecnologias comuns incluem eletrólise de água alcalina, eletrólise de água por membrana de troca de prótons (PEM), eletrólise de água por membrana de troca aniônica e eletrólise de água de óxido sólido. Entre eles, a tecnologia de eletrólise de água PEM possui alta densidade de corrente, eficiência (80% ~ 90%), pureza de gás, baixo consumo e volume de energia e boa segurança e confiabilidade. A realização de pesquisa e desenvolvimento da tecnologia de eletrólise de água PEM é uma parte importante do apoio à realização de energia renovável e produção de hidrogênio associada à eletricidade.

O artigo concentra-se no desenvolvimento e aplicação de tecnologia eficiente de produção de hidrogênio por eletrólise de água sob fontes de energia flutuantes eólicas e solares. Ele discute sistematicamente os problemas existentes na produção de hidrogênio, acoplando fontes de energia flutuantes eólicas e solares a partir dos aspectos das características de flutuação eólica e solar e métodos de produção de hidrogênio, características de produção de hidrogênio por eletrólise de água PEM e mecanismo de atenuação, status atual das aplicações de produção de hidrogênio e principais pesquisa e desenvolvimento tecnológico, a fim de fornecer uma referência básica para o correspondente desenvolvimento tecnológico e pesquisa de aplicação industrial.

I. Eletricidade renovável, geração de energia eólica e solar, cenários de produção de hidrogênio
As principais formas de energia renovável são a energia eólica e a geração de energia fotovoltaica, que têm a propriedade inerente de forte volatilidade. Somente analisando as características de flutuação da energia eólica e fotovoltaica podemos identificar as condições básicas para o desenvolvimento da tecnologia de produção de hidrogênio por eletrólise da água sob fontes de energia flutuantes eólicas e fotovoltaicas.
1. Energia eólica aliada à produção de hidrogênio
Vento a produção de hidrogénio acoplado à energia é dividida principalmente em tipos ligados à rede e fora da rede. Para energia eólica conectada à rede, a rede elétrica realiza o controle de tensão e frequência por meio do sistema de gerenciamento de energia para garantir que a célula eletrolítica produza hidrogênio a uma tensão relativamente estável; os métodos correspondentes conectados à rede incluem principalmente energia eólica síncrona conectada à rede e energia eólica assíncrona conectada à rede. Existem três cenários principais de aplicação para a produção de hidrogénio associada à energia eólica ligada à rede: utilização da energia eólica excedentária para produzir hidrogénio, que desempenha o papel de "redução de pico" na rede eléctrica; utilizar energia de hidrogénio e gerar eletricidade através de tecnologias como células de combustível para desempenhar o papel de “preencher o vale” na rede elétrica; usando o fornecimento de energia da rede para resolver o problema intermitente da energia eólica e aumentar a estabilidade e confiabilidade do sistema de produção de hidrogênio.
Em comparação com o método conectado à rede, a energia eólica fora da rede elimina equipamentos auxiliares conectados à rede, pode evitar os problemas causados pela conexão à rede e reduzir o custo da produção de hidrogênio. Especialmente para energia eólica offshore, a adoção da geração de energia fora da rede pode resolver efetivamente o problema de transmissão de energia; a infraestrutura de transmissão de petróleo e gás natural também pode servir como canal de transmissão para a produção de hidrogénio eólico offshore, o que reduz significativamente o custo de investimento do gasoduto correspondente. Geralmente, existem dois cenários principais de aplicação para a produção de hidrogênio acoplado à energia eólica fora da rede: o hidrogênio obtido é exportado através de gasodutos ou navios-tanque de hidrogênio, e um sistema de microrrede é construído por energia eólica, conversores, eletrolisadores, equipamentos de armazenamento de hidrogênio, combustível células, etc.

2. Geração de energia fotovoltaica aliada à produção de hidrogênio
A geração de energia fotovoltaica juntamente com a produção de hidrogénio também pode ser dividida em tipos conectados à rede e fora da rede. A geração de energia fotovoltaica conectada à rede, juntamente com a produção de hidrogênio, conecta a eletricidade gerada pelos módulos fotovoltaicos à rede e, em seguida, obtém eletricidade da rede para eletrolisar a água e produzir hidrogênio. É frequentemente usado para armazenamento abandonado de luz e energia em grande escala; a geração de energia fotovoltaica fora da rede juntamente com a produção de hidrogênio refere-se ao fornecimento direto da eletricidade gerada por módulos fotovoltaicos a eletrolisadores para produção de hidrogênio, que é usado principalmente para a produção distribuída de hidrogênio. A geração de energia fotovoltaica acoplada à tecnologia de produção de hidrogênio por eletrólise de água PEM adota principalmente duas maneiras: acoplamento indireto de conversão DC-DC fotovoltaico e acoplamento direto fotovoltaico.
1). Produção de hidrogênio com acoplamento indireto de conversão fotovoltaica DC-DC
A potência de saída da geração de energia fotovoltaica é afetada por vários fatores, como radiação solar, temperatura ambiente e carga externa, tornando difícil fornecer diretamente a potência ideal para a carga. Um conversor DC-DC é normalmente adicionado entre o módulo fotovoltaico e a célula eletrolítica para melhor combinar a tensão fotovoltaica e a tensão da célula eletrolítica, melhorando assim a eficiência da produção de hidrogênio. O método comumente usado é o rastreamento da densidade de potência máxima, como o uso da tecnologia de modulação por largura de pulso para ajustar o ciclo de trabalho para rastrear o ponto de potência máximo e ajustar o controle robusto da corrente de saída do conversor. Embora o conversor DC-DC possa efetivamente melhorar a eficiência da produção de hidrogênio, a ondulação gerada pelo conversor causará erros no julgamento do nível da corrente de entrada, afetando assim a eficiência de funcionamento da célula eletrolítica; a perda causada pela conversão DC aumenta o custo operacional e também afetará a durabilidade do sistema de produção de hidrogênio e a vida útil do dispositivo.
2). Produção de hidrogênio por acoplamento direto fotovoltaico
O acoplamento direto de dispositivos de geração de energia fotovoltaica e células eletrolíticas simplifica a complexidade dos sistemas de produção de hidrogênio acoplados à geração de energia fotovoltaica. Por exemplo, o sistema de eletrólise fotovoltaica consiste em duas células eletrolíticas PEM conectadas diretamente a células solares fotovoltaicas de três nós, que podem gerar tensão suficiente para manter o processo de produção de hidrogênio da célula eletrolítica baseado em células solares fotovoltaicas; ajustar o ponto de densidade de potência máxima fotovoltaica para corresponder à célula eletrolítica pode aumentar a eficiência de conversão de energia solar em hidrogênio em até 30%. No entanto, sob acoplamento direto, as formas de onda de tensão e corrente da célula fotovoltaica atuam diretamente na célula eletrolítica, o que representa um desafio para a operação segura e estável a longo prazo da pilha do eletrolisador.