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 III

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 III

III. Pesquisa e desenvolvimento de tecnologia central do eletrolisador PEM e direção de desenvolvimento de tecnologia de produção de hidrogênio do eletrolisador PEM

1. Pesquisa e desenvolvimento de tecnologia de eletrolisador PEM
A faixa de flutuação de energia da produção de hidrogênio nas energias eólica e solar é grande e os efeitos adversos sobre equipamento de produção de hidrogênio manifestam-se numa redução significativa da vida útil do equipamento e da pureza do hidrogénio produzido. Esses efeitos são causados pela atenuação dos principais componentes do eletrolisador PEM sob a condição de fonte de alimentação flutuante eólica e solar. Do ponto de vista técnico, o principal desafio enfrentado pelo eletrolisador PEM é como melhorar o desempenho e a estabilidade de trabalho por meio de pesquisa e desenvolvimento de materiais, processo de montagem e otimização. A pesquisa e desenvolvimento de materiais avançados incluemcamada catalítica e materiais adesivos, placas bipolares resistentes à corrosão, membranas orgânicas de troca iônica e outras direções. O processo de montagem e otimização dos componentes do eletrolisador inclui principalmente a otimização do método de preparação do eletrodo de membrana, otimização da pré-carga do conjunto do eletrolisador, otimização da temperatura do eletrodo de membrana/eletrolisador e distribuição de tensão térmica e otimização do canal de fluxo. Nos últimos anos, o eletrodo de membrana tem sido a principal direção de pesquisa do eletrolisador PEM.
Com foco nos principais componentes de catalisadores eletrolisadores, membranas de troca, placas bipolares, etc., as principais formas de realizar pesquisa e desenvolvimento de catalisadores são: melhorar a atividade e estabilidade dos catalisadores por meio de dopagem compósita binária ou multimetálica; seleção de materiais de superfície resistentes à oxidação e de alta especificidade como transportadores de catalisador para melhorar a taxa de utilização e atividade dos catalisadores; projetar novos catalisadores estruturais, como estruturas core-shell e nanoarrays. Entre as membranas de troca atualmente em uso, as membranas de prótons de ácido perfluorossulfônico da DuPont são as mais comuns, e também são usadas membranas de prótons de ácido perfluorossulfônico de cadeia curta de marcas como Dow Chemical, 3M, Gore e Asahi Glass. A fim de melhorar a estabilidade da membrana de troca, polímeros de poliarileno são geralmente usados para fortalecer e modificar a membrana, e materiais catalíticos são usados para modificar o diafragma para reduzir o cruzamento do gás do produto. O custo das placas bipolares representa mais de 50% do eletrolisador, e os revestimentos de metais preciosos são geralmente configurados para melhorar a resistência à corrosão. O trabalho futuro para reduzir os custos de fabricação se concentrará principalmente em novos materiais de placas bipolares de baixo custo e processos de tratamento de superfície.
Em termos de processo de montagem e otimização, a pesquisa atual concentra-se no design assimétrico do cátodo/ânodo, otimização da fixação do componente eletrolítico conectando a posição do cartão, etc. Para se adaptar à fonte de alimentação flutuante, alguns estudos exploraram a influência da água mudanças de fluxo no eletrolisador, distribuição de tubulações de abastecimento de água e estrutura do eletrodo de membrana na permeação de gás em ambos os lados, mudanças de temperatura e pressão, densidade de corrente, etc. Para os componentes principais do eletrolisador, os processos de membrana de revestimento de catalisador mais comumente usados são pulverização ultrassônica e revestimento rolo a rolo: em comparação com o primeiro, o último usa um revestimento único da camada de catalisador, que pode obter um revestimento mais espesso e uniforme mais rapidamente e atender às necessidades de produção em massa de eletrodos de membrana. Para evitar perfurações, rachaduras, tensões mecânicas, umidificação insuficiente e pressão de reação causada pela montagem, as propriedades do material utilizado são geralmente totalmente estudadas no projeto do eletrodo de membrana e seu processo de fixação, e testes de carga são realizados com base em dispositivos experimentais.

Para avaliar a vida útil dos componentes sob condições frequentes de start-stop e oscilações eólicas-solares, é necessário obter mais dados através de testes acelerados para melhorar a durabilidade dos componentes da pilha, o que é outro desafio na pesquisa e desenvolvimento atuais. No entanto, não existe um protocolo padronizado de teste de decaimento acelerado para componentes do eletrolisador PEM, e a taxa de degradação dos componentes dos componentes da pilha é difícil de medir, o que torna difícil realizar uma comparação direta dos resultados de pesquisas existentes. O estabelecimento de um protocolo padronizado de teste de decaimento acelerado do eletrolisador PEM é um problema de gargalo que precisa ser resolvido urgentemente na atual pesquisa e desenvolvimento de tecnologia chave.
Nos últimos anos, a pesquisa técnica e o desenvolvimento de componentes-chave dos eletrolisadores PEM fizeram progressos significativos. De acordo com a rota técnica do meu país para a produção de hidrogênio por eletrólise da água, os principais indicadores técnicos atuais dos eletrolisadores PEM são: eficiência de cerca de 63%, vida útil de cerca de 6×104 h e custo de cerca de 10.000 yuans/kW. Espera-se que até 2030, os principais indicadores técnicos dos eletrolisadores PEM sejam: eficiência de 78%, vida útil de 1×105 h e custo reduzido para 4.000 yuans/kW.

2. Direção de desenvolvimento da tecnologia de produção de hidrogênio do eletrolisador PEM
O princípio da produção de hidrogênio pela energia eólica-solar é completar a conversão da energia eólica/solar em eletricidade e, em seguida, converter eletricidade em energia de hidrogênio por meio de um eletrolisador. Existem atualmente quatro tecnologias principais de eletrólise de água, das quais a tecnologia de eletrólise de água alcalina é a mais madura e tem o menor custo, e entrou na fase de desenvolvimento comercial; mas a tecnologia de eletrólise da água PEM está se desenvolvendo rapidamente e tem boa adaptabilidade à energia eólica e solar, e será a direção preferida para a produção de hidrogênio com energia renovável no futuro.
Atualmente, os principais métodos de produção de hidrogénio através do acoplamento eólico-solar são fora da rede e ligados à rede. Embora a produção de hidrogénio ligada à rede supere a volatilidade da energia de produção de hidrogénio, tem os problemas dos elevados preços da electricidade e do acesso limitado à rede. O método fora da rede fornece a eletricidade gerada por uma única ou múltiplas turbinas eólicas (sem passar pela rede) ao equipamento de produção de hidrogénio por eletrólise de água para a produção de hidrogénio. É adequado para áreas com bons recursos eólicos, mas com consumo limitado, e tem um modelo de negócio robusto e amplas perspectivas de desenvolvimento; é usado principalmente para produção distribuída de hidrogênio e usado localmente para geração de energia por células de combustível e fornecimento de energia.
Semelhante à produção de hidrogénio fora da rede, a produção de hidrogénio fora da rede é outra forma eficaz de produzir hidrogénio, o que elimina um grande número de equipamentos auxiliares necessários para a ligação à rede (tais como conversores/transformadores, sistemas de filtros), e o custo é bastante reduzido em comparação com a produção de hidrogénio ligada à rede. A produção de hidrogénio fora da rede utiliza corrente contínua, evitando eficazmente os problemas de diferença de fase e de frequência causados pelo acesso à rede CA, simplificando o sistema e poupando custos. Vale a pena notar que, em comparação com a produção de hidrogénio fora da rede/ligada à rede, a produção de hidrogénio por hidrólise de energia eólica e solar não ligada à rede acopla diretamente a energia eólica e solar com eletrolisadores PEM, realizando redes de energia eólica e solar sem ligação à rede, evitando assim o impacto da flutuação da energia eólica e solar na rede elétrica. A partir deste processo, a fonte de energia flutuante na produção de hidrogênio de energia solar e eólica não conectada à rede precisa apenas de simples transformação e retificação, e a tensão é ajustada à tensão necessária através do transformador, e a energia CA é retificada em energia CC.
A tecnologia de produção de hidrogénio fora da rede é uma tecnologia original no meu país em áreas afins, que ajuda a quebrar as limitações técnicas das energias renováveis flutuantes. As energias eólica e solar não estão sujeitas a restrições de conexão à rede, e os equipamentos de geração de energia eólica e fotovoltaica podem ser ainda mais otimizados, o que pode reduzir significativamente os custos e evitar acidentes em grande escala com turbinas eólicas/fotovoltaicas causadas pela conexão à rede, assim alcançar a solução para o problema do consumo de energia eólica e solar e, ao mesmo tempo, promover o desenvolvimento da indústria de energia de hidrogénio verde.

4. Tendências de aplicação de eletrólise de água e produção de hidrogênio a partir de fontes de energia flutuantes eólicas e solares
1. Situação atual e economia da produção de hidrogénio associada à energia eólica
Actualmente, o foco da investigação nacional e estrangeira está na aplicabilidade e economia da produção de hidrogénio para energia eólica ligada à rede em diferentes cenários de aplicação. A produção de hidrogénio através da energia eólica ligada à rede pode absorver eficazmente o abandono do vento (a taxa de abandono do vento correspondente é reduzida de 35,8% para 7,5%). As principais direções de pesquisa incluem otimização da configuração do sistema e simulação de estratégia de controle, explorando principalmente o impacto da tensão, corrente, temperatura, pressão e propriedades eletroquímicas dos materiais dos eletrodos na operação de equipamentos de produção de hidrogênio sob frequentes mudanças de energia, otimizando a operação e start-stop estratégias de controle e prolongamento da vida útil dos eletrolisadores. Na produção de hidrogénio acoplada à energia eólica, a produção de hidrogénio pela energia eólica offshore é uma das formas principais no futuro. Nos últimos anos, mais de 20 projetos de demonstração de produção de hidrogênio acoplado à energia eólica foram construídos no exterior. Na Europa, as principais direções de investigação são: explorar as vantagens do armazenamento de energia do hidrogénio na rede elétrica, melhorar a utilização da energia eólica, a qualidade da produção de energia e a estabilidade da rede elétrica; realização de projetos de “energia para gás” para aumentar a proporção de energia renovável através do armazenamento de hidrogénio; O desenvolvimento de projetos de produção de hidrogénio para energia eólica offshore, como os Países Baixos, construirá um projeto de produção de hidrogénio para energia eólica offshore de 3 a 4 GW em 2030 e atingirá uma capacidade instalada de 10 GW e uma escala de produção de hidrogénio de 8 × 105 t em 2040. Em comparação com o hidrogénio tradicional métodos de produção, a eletrólise é um fator chave na determinação da eficiência econômica da produção de hidrogênio pela energia eólica. 70% do custo da produção de hidrogénio por eletrólise da água provém dos preços da eletricidade. De acordo com os preços actuais da electricidade, o custo da produção de hidrogénio pela energia eólica é 2 a 3 vezes superior ao da produção tradicional de hidrogénio. Quando o custo por quilowatt-hora é controlado em 0,25 yuan, o custo da produção de hidrogênio pela energia eólica está no mesmo nível do custo da produção tradicional de hidrogênio; se o preço da eletricidade baixar, terá uma vantagem económica.

2. Situação atual e economia da geração de energia fotovoltaica juntamente com a produção de hidrogênio
A geração de energia fotovoltaica juntamente com a produção de hidrogénio é outra forma importante de produzir hidrogénio a partir de energia renovável.
O gargalo da industrialização da produção de hidrogênio na geração de energia fotovoltaica está no alto custo. O declínio no custo da eletricidade fotovoltaica reduzirá enormemente o custo da produção de hidrogénio por eletrólise da água. Estima-se que o custo da geração de energia fotovoltaica por quilowatt-hora será inferior a 0,3 yuans em 2025, e espera-se que a produção de hidrogênio na geração de energia fotovoltaica seja paritária até então; em áreas com recursos luminosos abundantes, o custo da produção de hidrogênio por geração de energia fotovoltaica por quilowatt-hora deverá cair para 0,15 yuans, o que reduzirá ainda mais o custo da produção de hidrogênio. Até 2035 e 2050, o custo da geração de energia fotovoltaica por quilowatt-hora será de 0,2 yuans e 0,13 yuans, respectivamente, alcançando boa eficiência econômica em todos os aspectos.
De acordo com previsões de pesquisas recentes e o "Roteiro de Desenvolvimento do 'Hidrogênio Renovável 100' da China 2030", a produção de hidrogênio por eletrólise de água e energia eólica onshore e fotovoltaica do meu país está próxima da paridade. No entanto, o equipamento de produção de hidrogênio por eletrólise de água PEM é mais de 5 vezes maior do que os eletrolisadores alcalinos, e o custo nivelado de produção de hidrogênio é cerca de 40% maior. Portanto, o principal fator impulsionador para o desenvolvimento futuro da produção de hidrogênio do eletrolisador PEM é reduzir a fabricação de equipamentos e os custos operacionais. Com a escala da indústria de produção de hidrogénio e os avanços contínuos nas tecnologias principais correspondentes, espera-se que o custo dos eletrolisadores PEM seja reduzido em mais de 50%, e que o custo nivelado do hidrogénio seja reduzido em 20%.