Entwicklung und Anwendung der Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse-Wasserstoffproduktionstechnologie unter Wind- und Solarenergieschwankungen I

Entwicklung und Anwendung von Protonenaustauschmembran Wasserelektrolyse Wasserstoffproduktion Technologie unter Wind- und Solarstromschwankungen I

Der Trend der globalen Erwärmung ist offensichtlicher. Die EntwicklungDer Einsatz sauberer Energie kann die großen Mengen an Treibhausgasemissionen verringern, die durch die Nutzung fossiler Brennstoffe entstehen. Daher ist die Entwicklung erneuerbarer Energien wie Windenergie und Solarenergie von großer Bedeutung für die nachhaltige Entwicklung der menschlichen Gesellschaft. Erneuerbare Energien weisen eine starke Zeit- und Raumabhängigkeit, Intermittenz, Volatilität und andere Eigenschaften auf. Es bestehen auch Schwierigkeiten hinsichtlich der Zuverlässigkeit sowie der Spitzen- und Frequenzregulierung bei der Netzanbindung. Daher ist die Umwandlung von Strom aus erneuerbaren Energien in chemische Energie und deren Speicherung vor der Nutzung flexibler und eine effektive Möglichkeit, die Entwicklung von Quelle, Netz und Last zu koordinieren.

Wasserstoff hat die Vorteile, dass er sauber ist und eine hohe Qualität/Energiedichte aufweist. Es handelt sich um einen effizienten Energieträger, der fossile Brennstoffe wie Kohle und Erdgas in Industrien mit hohem CO2-Ausstoß, im Stromsektor und in anderen Bereichen ersetzen kann und über breite Anwendungsaussichten verfügt. Die Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse mit erneuerbarer Energie ist ein effektiver Weg, um den Verbrauch erneuerbarer Energien und die Produktion von grünem Wasserstoff zu erreichen. Zu den gängigen Technologien gehören alkalische Wasserelektrolyse, Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (PEM), Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyse und Festoxid-Wasserelektrolyse. Unter anderem zeichnet sich die PEM-Wasserelektrolysetechnologie durch eine hohe Stromdichte, einen Wirkungsgrad (80 % bis 90 %), eine Gasreinheit, einen geringen Energieverbrauch und ein geringes Volumen sowie eine gute Sicherheit und Zuverlässigkeit aus. Die Durchführung von Forschung und Entwicklung der PEM-Wasserelektrolysetechnologie ist ein wichtiger Teil der Unterstützung der Umsetzung erneuerbarer Energien und stromgekoppelter Wasserstoffproduktion.

Der Artikel konzentriert sich auf die Entwicklung und Anwendung einer effizienten Wasserstoffproduktionstechnologie durch Elektrolyse von Wasser unter fluktuierenden Wind- und Solarenergiequellen. Es werden systematisch die Probleme erörtert, die bei der Wasserstoffproduktion durch die Kopplung fluktuierender Wind- und Solarenergiequellen bestehen, unter den Aspekten Wind- und Solarfluktuationseigenschaften und Wasserstoffproduktionsmethoden, PEM-Wasserelektrolyse-Wasserstoffproduktionseigenschaften und Dämpfungsmechanismus, aktueller Status der Wasserstoffproduktionsanwendungen und Schlüssel Technologieforschung und -entwicklung, um eine grundlegende Referenz für die entsprechende Technologieentwicklung und industrielle Anwendungsforschung bereitzustellen.

I. Erneuerbare Strom-, Wind- und Solarstromerzeugung, Wasserstoffproduktionsszenarien
Die gängigsten Formen erneuerbarer Energien sind Windkraft und Photovoltaik-Stromerzeugung, die die inhärente Eigenschaft einer starken Volatilität aufweisen. Nur durch die Analyse der Schwankungseigenschaften von Wind- und Photovoltaikenergie können wir die Grundbedingungen für die Entwicklung der Wasserelektrolyse-Wasserstofferzeugungstechnologie unter schwankenden Wind- und Photovoltaikstromquellen ermitteln.
1.Windkraft gekoppelt mit Wasserstoffproduktion
Wind Die stromgekoppelte Wasserstoffproduktion wird hauptsächlich in netzgekoppelte und netzunabhängige Typen unterteilt. Bei netzgekoppelter Windenergie realisiert das Stromnetz die Spannungs- und Frequenzsteuerung über das Energiemanagementsystem, um sicherzustellen, dass die Elektrolysezelle Wasserstoff mit einer relativ stabilen Spannung produziert; Die entsprechenden netzgekoppelten Methoden umfassen hauptsächlich synchrone netzgekoppelte Windenergie und asynchrone netzgekoppelte Windenergie. Es gibt drei Hauptanwendungsszenarien für die netzgekoppelte Windenergie-gekoppelte Wasserstoffproduktion: Nutzung überschüssigen Windstroms zur Produktion von Wasserstoff, der im Stromnetz die Rolle des „Peak Shaving“ spielt; Nutzung von Wasserstoffenergie und Stromerzeugung durch Technologien wie Brennstoffzellen, um die Rolle des „Talfüllens“ im Stromnetz zu spielen; Nutzung der Netzstromversorgung zur Lösung des intermittierenden Problems der Windenergie und zur Verbesserung der Stabilität und Zuverlässigkeit des Wasserstoffproduktionssystems.
Im Vergleich zur netzgekoppelten Methode entfällt bei der netzunabhängigen Windkraft die Verwendung von netzgekoppelten Zusatzgeräten, wodurch die durch die Netzanbindung verursachten Probleme vermieden und die Kosten der Wasserstoffproduktion gesenkt werden können. Insbesondere bei der Offshore-Windenergie kann die Einführung einer netzunabhängigen Stromerzeugung das Problem der Stromübertragung effektiv lösen; Die Öl- und Erdgastransportinfrastruktur kann auch als Übertragungskanal für die Offshore-Windkraft-Wasserstoffproduktion dienen, was die Investitionskosten der entsprechenden Pipeline erheblich senkt. Im Allgemeinen gibt es zwei Hauptanwendungsszenarien für die netzunabhängige, mit Windkraft gekoppelte Wasserstoffproduktion: Der gewonnene Wasserstoff wird über Gaspipelines oder Wasserstofftanker exportiert, und ein Mikronetzsystem wird aus Windkraft, Konvertern, Elektrolyseuren, Wasserstoffspeichergeräten und Kraftstoff aufgebaut Zellen usw.

2. Photovoltaische Stromerzeugung gekoppelt mit Wasserstoffproduktion
Die mit der Wasserstoffproduktion gekoppelte Photovoltaik-Stromerzeugung kann auch in netzgekoppelte und netzunabhängige Typen unterteilt werden. Bei der netzgekoppelten Photovoltaik-Stromerzeugung in Verbindung mit der Wasserstoffproduktion wird der von Photovoltaikmodulen erzeugte Strom an das Netz angeschlossen und dann Strom aus dem Netz bezogen, um Wasser zu elektrolysieren und so Wasserstoff zu erzeugen. Es wird häufig für großflächige, aufgegebene Licht- und Energiespeicherung verwendet; Unter netzunabhängiger Photovoltaik-Stromerzeugung gekoppelt mit Wasserstoffproduktion versteht man die direkte Einspeisung des von Photovoltaikmodulen erzeugten Stroms in Elektrolyseure zur Wasserstoffproduktion, die hauptsächlich für die dezentrale Wasserstoffproduktion verwendet wird. Die photovoltaische Stromerzeugung in Verbindung mit der PEM-Wasserelektrolyse-Wasserstoffproduktionstechnologie erfolgt hauptsächlich auf zwei Arten: durch indirekte Kopplung mit photovoltaischer DC-DC-Umwandlung und durch direkte photovoltaische Kopplung.
1). Photovoltaische DC-DC-Umwandlung mit indirekter Kopplung zur Wasserstoffproduktion
Die Ausgangsleistung der Photovoltaik-Stromerzeugung wird von mehreren Faktoren wie Sonneneinstrahlung, Umgebungstemperatur und externer Last beeinflusst, was es schwierig macht, direkt die optimale Leistung für die Last bereitzustellen. Normalerweise wird zwischen dem Photovoltaikmodul und der Elektrolysezelle ein DC-DC-Wandler eingefügt, um die Photovoltaikspannung besser an die Spannung der Elektrolysezelle anzupassen und so die Effizienz der Wasserstoffproduktion zu verbessern. Die am häufigsten verwendete Methode ist die Verfolgung der maximalen Leistungsdichte, z. B. die Verwendung von Pulsweitenmodulationstechnologie zur Anpassung des Arbeitszyklus, um den maximalen Leistungspunkt zu verfolgen und die robuste Steuerung des Ausgangsstroms des Wandlers anzupassen. Obwohl der DC-DC-Wandler die Effizienz der Wasserstoffproduktion effektiv verbessern kann, führt die vom Wandler erzeugte Welligkeit zu Fehlern bei der Pegelbeurteilung des Eingangsstroms und beeinträchtigt dadurch die Arbeitseffizienz der Elektrolysezelle. Der durch die Gleichstromumwandlung verursachte Verlust erhöht die Betriebskosten und wirkt sich auch auf die Haltbarkeit des Wasserstoffproduktionssystems und die Lebensdauer des Geräts aus.
2). Photovoltaik-Direktkopplungs-Wasserstoffproduktion
Die direkte Kopplung von Photovoltaik-Stromerzeugungsgeräten und Elektrolysezellen vereinfacht die Komplexität von mit Photovoltaik-Stromerzeugung gekoppelten Wasserstoffproduktionssystemen. Das Photovoltaik-Elektrolysesystem besteht beispielsweise aus zwei PEM-Elektrolysezellen, die direkt mit Solar-Photovoltaikzellen mit drei Knoten verbunden sind, die ausreichend Spannung erzeugen können, um den Wasserstoffproduktionsprozess der Elektrolysezelle auf Basis von Solar-Photovoltaikzellen aufrechtzuerhalten; Durch die Anpassung des Punktes der maximalen Leistungsdichte der Photovoltaik an die Elektrolysezelle kann der Wirkungsgrad der Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff bis zu 30 % betragen. Bei direkter Kopplung wirken sich die Spannungs- und Stromwellenformen der Photovoltaikzelle jedoch direkt auf die Elektrolysezelle aus, was eine Herausforderung für den langfristig sicheren und stabilen Betrieb des Elektrolyseurstapels darstellt.