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

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

III. Forschung und Entwicklung der PEM-Elektrolyseur-Kerntechnologie und Entwicklungsrichtung der PEM-Elektrolyseur-Wasserstoffproduktionstechnologie

1. Forschung und Entwicklung der PEM-Elektrolyseur-Technologie
Die Leistungsschwankungsbreite der Wasserstoffproduktion aus Wind- und Solarenergie ist groß und die nachteiligen Auswirkungen auf Ausrüstung zur Wasserstoffproduktion äußern sich in einer deutlichen Verkürzung der Anlagenlebensdauer und der Reinheit des produzierten Wasserstoffs. Diese Effekte werden durch die Schwächung der Hauptkomponenten des PEM-Elektrolyseurs unter der Bedingung einer schwankenden Stromversorgung durch Wind und Sonne verursacht. Aus technischer Sicht besteht die größte Herausforderung für den PEM-Elektrolyseur darin, die Arbeitsleistung und Stabilität durch Materialforschung und -entwicklung, Montageprozesse und Optimierung zu verbessern. Fortschrittliche Materialforschung und -entwicklung umfasst katalytische Schicht- und Klebematerialien, korrosionsbeständige Bipolarplatten, organische Ionenaustauschmembranen und andere Richtungen. Der Montageprozess und die Optimierung von Elektrolyseurkomponenten umfassen hauptsächlich die Optimierung der Membranelektroden-Vorbereitungsmethode, die Optimierung der Vorspannung der Elektrolyseurbaugruppe, die Optimierung der Membranelektroden-/Elektrolyseurtemperatur und der thermischen Spannungsverteilung sowie die Optimierung des Strömungskanals. In den letzten Jahren war die Membranelektrode die wichtigste Forschungsrichtung des PEM-Elektrolyseurs.
Die Hauptmethoden zur Durchführung der Forschung und Entwicklung von Katalysatoren konzentrieren sich auf die Hauptkomponenten von Elektrolyseurkatalysatoren, Austauschmembranen, Bipolarplatten usw. und sind: Verbesserung der Aktivität und Stabilität von Katalysatoren durch binäre oder Multimetall-Verbunddotierung; Auswahl von oxidationsbeständigen und hochspezifischen Oberflächenmaterialien als Katalysatorträger, um die Ausnutzungsrate und Aktivität von Katalysatoren zu verbessern; Entwicklung neuer Strukturkatalysatoren wie Kern-Schale-Strukturen und Nanoarrays. Unter den derzeit verwendeten Austauschmembranen sind Perfluorsulfonsäure-Protonenmembranen von DuPont am häufigsten, aber auch kurzkettige Perfluorsulfonsäure-Protonenmembranen von Marken wie Dow Chemical, 3M, Gore und Asahi Glass werden verwendet. Um die Stabilität der Austauschmembran zu verbessern, werden üblicherweise Polyarylenpolymere zur Verstärkung und Modifizierung der Membran verwendet, und katalytische Materialien werden zur Modifizierung der Membran verwendet, um den Produktgasübergang zu reduzieren. Die Kosten für Bipolarplatten machen mehr als 50 % des Elektrolyseurs aus, und Edelmetallbeschichtungen sind in der Regel darauf ausgelegt, die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Zukünftige Arbeiten zur Reduzierung der Herstellungskosten werden sich hauptsächlich auf neue kostengünstige Bipolarplattenmaterialien und Oberflächenbehandlungsverfahren konzentrieren.
Im Hinblick auf den Montageprozess und die Optimierung konzentriert sich die aktuelle Forschung auf das asymmetrische Design von Kathode/Anode, die Optimierung der elektrolytischen Komponentenfixierung durch Verbinden der Kartenposition usw. Um sich an schwankende Stromversorgung anzupassen, haben einige Studien den Einfluss von Wasser untersucht Strömungsänderungen im Elektrolyseur, Verteilung der Wasserversorgungsleitungen und Membranelektrodenstruktur, Gaspermeation auf beiden Seiten, Temperatur- und Druckänderungen, Stromdichte usw. Für die Kernkomponenten des Elektrolyseurs sind die am häufigsten verwendeten Katalysatorbeschichtungsmembranprozesse Ultraschallsprühen und Rolle-zu-Rolle-Beschichtung: Im Vergleich zur ersteren wird bei letzterer eine einmalige Beschichtung der Katalysatorschicht verwendet, wodurch schneller eine dickere und gleichmäßigere Beschichtung erzielt werden kann und die Anforderungen der Massenproduktion von Membranelektroden erfüllt werden. Um Durchstiche, Risse, mechanische Belastungen, unzureichende Befeuchtung und Reaktionsdrücke durch die Montage zu vermeiden, werden bei der Konstruktion der Membranelektrode und ihres Spannvorgangs in der Regel die verwendeten Materialeigenschaften vollständig untersucht und Belastungstests anhand von Versuchsgeräten durchgeführt.

Um die Lebensdauer von Komponenten bei häufigem Start-Stopp und schwankender Wind-Solar-Stromversorgung zu bewerten, müssen durch beschleunigte Tests mehr Daten gewonnen werden, um die Haltbarkeit der Stack-Komponenten zu verbessern, was eine weitere Herausforderung in der aktuellen Forschung und Entwicklung darstellt. Allerdings gibt es kein standardisiertes beschleunigtes Zerfallstestprotokoll für PEM-Elektrolyseurkomponenten und die Abbaurate der Komponenten der Stapelkomponenten ist schwer zu messen, was einen direkten Vergleich bestehender Forschungsergebnisse erschwert. Die Einrichtung eines standardisierten Prüfprotokolls für den beschleunigten Zerfall von PEM-Elektrolyseuren ist ein Engpassproblem, das in der aktuellen Schlüsseltechnologieforschung und -entwicklung dringend gelöst werden muss.
In den letzten Jahren hat die technische Forschung und Entwicklung wichtiger Komponenten von PEM-Elektrolyseuren erhebliche Fortschritte gemacht. Gemäß dem technischen Weg meines Landes zur Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse von Wasser sind die aktuellen technischen Schlüsselindikatoren von PEM-Elektrolyseuren: Wirkungsgrad von etwa 63 %, Lebensdauer von etwa 6×104 Stunden und Kosten von etwa 10.000 Yuan/kW. Es wird erwartet, dass bis 2030 die wichtigsten technischen Indikatoren von PEM-Elektrolyseuren sein werden: Wirkungsgrad von 78 %, Lebensdauer von 1×105 Stunden und Kostensenkung auf 4.000 Yuan/kW.

2. Entwicklungsrichtung der PEM-Elektrolyseur-Wasserstoffproduktionstechnologie
Das Prinzip der Wasserstofferzeugung aus Wind- und Solarenergie besteht darin, die Umwandlung von Wind-/Solarenergie in Elektrizität abzuschließen und diese dann durch einen Elektrolyseur in Wasserstoffenergie umzuwandeln. Derzeit gibt es vier Haupttechnologien für die Wasserelektrolyse, von denen die alkalische Wasserelektrolysetechnologie am ausgereiftesten und kostengünstigsten ist und sich in der kommerziellen Entwicklungsphase befindet. Die PEM-Wasserelektrolyse-Technologie entwickelt sich jedoch rasant weiter, lässt sich gut an Wind- und Solarenergie anpassen und wird in Zukunft die bevorzugte Richtung für die Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Energien sein.
Derzeit sind die wichtigsten Wasserstofferzeugungsmethoden mit Wind-Solar-Kopplung netzunabhängig und netzgekoppelt. Obwohl die netzgekoppelte Wasserstoffproduktion die Volatilität der Wasserstoffproduktionsenergie überwindet, weist sie die Probleme hoher Strompreise und eines begrenzten Netzzugangs auf. Bei der Off-Grid-Methode wird der von einer einzelnen oder mehreren Windkraftanlagen erzeugte Strom (ohne das Netz zu durchlaufen) an die Wasserelektrolyse-Wasserstoffproduktionsanlage zur Wasserstoffproduktion weitergeleitet. Es eignet sich für Gebiete mit guten Windressourcen, aber begrenztem Verbrauch und verfügt über ein robustes Geschäftsmodell und breite Entwicklungsaussichten; Es wird hauptsächlich für die dezentrale Wasserstoffproduktion und lokal für die Stromerzeugung und Energieversorgung durch Brennstoffzellen verwendet.
Ähnlich wie die netzunabhängige Wasserstoffproduktion ist die netzunabhängige Wasserstoffproduktion eine weitere effektive Möglichkeit zur Wasserstoffproduktion, wodurch eine große Anzahl an für den Netzanschluss erforderlichen Hilfsgeräten (wie Konverter/Transformatoren, Filtersysteme) entfällt und die Kosten erheblich gesenkt werden im Vergleich zur netzgekoppelten Wasserstoffproduktion. Bei der netzunabhängigen Wasserstoffproduktion wird Gleichstrom verwendet, wodurch Phasendifferenz- und Frequenzdifferenzprobleme, die durch den Zugang zum Wechselstromnetz verursacht werden, effektiv vermieden werden, das System vereinfacht und Kosten gespart werden. Es ist erwähnenswert, dass im Vergleich zur netzunabhängigen/netzgekoppelten Wasserstoffproduktion bei der nicht netzgekoppelten Wind- und Solarenergie-Hydrolyse-Wasserstoffproduktion Wind- und Solarenergie direkt mit PEM-Elektrolyseuren gekoppelt werden, wodurch eine Wind- und Solarenergievernetzung ohne Netzanbindung realisiert wird. Dadurch werden die Auswirkungen schwankender Wind- und Solarenergie auf das Stromnetz vermieden. Durch diesen Prozess bedarf die schwankende Stromquelle bei der nicht netzgebundenen Wind- und Solarenergie-Wasserstoffproduktion nur einer einfachen Transformation und Gleichrichtung, und die Spannung wird über den Transformator an die erforderliche Spannung angepasst und der Wechselstrom wird in Gleichstrom gleichgerichtet.
Die netzunabhängige Wasserstoffproduktionstechnologie ist in meinem Land in verwandten Bereichen eine originelle Technologie, die dazu beiträgt, die technischen Beschränkungen schwankender erneuerbarer Energien zu überwinden. Wind- und Solarenergie unterliegen keinen netzgebundenen Beschränkungen, und Windkraft- und Photovoltaik-Stromerzeugungsanlagen können weiter optimiert werden, was die Kosten erheblich senken und dadurch durch die Netzanbindung verursachte große Netzunfälle bei Windkraftanlagen/Photovoltaik vermeiden kann die Lösung des Problems des Wind- und Solarstromverbrauchs zu erreichen und gleichzeitig die Entwicklung der grünen Wasserstoff-Energieindustrie zu fördern.

IV. Anwendungstrends der Wasserelektrolyse und der Wasserstoffproduktion aus fluktuierenden Wind- und Solarenergiequellen
1.Aktueller Stand und Wirtschaftlichkeit der windkraftgekoppelten Wasserstoffproduktion
Der Fokus der in- und ausländischen Forschung liegt derzeit auf der Anwendbarkeit und Wirtschaftlichkeit der netzgekoppelten Windkraft-Wasserstoffproduktion in unterschiedlichen Anwendungsszenarien. Die netzgekoppelte Wasserstofferzeugung aus Windenergie kann Windstilllegungen effektiv absorbieren (die entsprechende Windstilllegungsrate wird von 35,8 % auf 7,5 % reduziert). Zu den wichtigsten Forschungsrichtungen gehören die Optimierung der Systemkonfiguration und die Simulation von Steuerstrategien. Dabei werden vor allem die Auswirkungen von Spannung, Strom, Temperatur, Druck und elektrochemischen Eigenschaften von Elektrodenmaterialien auf den Betrieb von Wasserstoffproduktionsanlagen bei häufigen Leistungsänderungen sowie die Optimierung von Betrieb und Start-Stopp untersucht Steuerungsstrategien und die Verlängerung der Lebensdauer von Elektrolyseuren. Bei der windkraftgekoppelten Wasserstoffproduktion ist die Offshore-Windkraft-Wasserstoffproduktion eine der gängigen Formen der Zukunft. In den letzten Jahren wurden im Ausland mehr als 20 Demonstrationsprojekte zur wasserkraftgekoppelten Wasserstoffproduktion gebaut. In Europa sind die wichtigsten Forschungsrichtungen: Erforschung der Energiespeichervorteile von Wasserstoff im Stromnetz, Verbesserung der Windenergienutzung, Qualität der Stromerzeugung und Stabilität des Stromnetzes; Durchführung von „Power-to-Gas“-Projekten zur Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien durch Wasserstoffspeicherung; Entwicklung von Offshore-Windkraft-Wasserstoffproduktionsprojekten, wie beispielsweise in den Niederlanden, die im Jahr 2030 ein Offshore-Windkraft-Wasserstoffproduktionsprojekt mit 3 bis 4 GW bauen und im Jahr 2040 eine installierte Kapazität von 10 GW und einen Wasserstoffproduktionsmaßstab von 8×105 t erreichen werden. Im Vergleich zu herkömmlichem Wasserstoff Bei den Produktionsmethoden ist die Elektrolyse ein Schlüsselfaktor für die Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffproduktion aus Windenergie. 70 % der Kosten der Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse stammen aus den Strompreisen. Nach den aktuellen Strompreisen sind die Kosten für die Wasserstoffproduktion aus Windkraft zwei- bis dreimal so hoch wie die Kosten für die herkömmliche Wasserstoffproduktion. Wenn die Kosten pro Kilowattstunde auf 0,25 Yuan begrenzt werden, liegen die Kosten der Wasserstoffproduktion durch Windkraft auf dem gleichen Niveau wie die Kosten der herkömmlichen Wasserstoffproduktion; Wenn der Strompreis sinkt, hat das einen wirtschaftlichen Vorteil.

2. Aktueller Stand und Wirtschaftlichkeit der Photovoltaik-Stromerzeugung in Verbindung mit der Wasserstoffproduktion
Die Stromerzeugung durch Photovoltaik gekoppelt mit der Wasserstoffproduktion ist eine weitere wichtige Möglichkeit, Wasserstoff aus erneuerbaren Energien herzustellen.
Der Engpass bei der Industrialisierung der Wasserstoffproduktion durch Photovoltaik liegt in den hohen Kosten. Der Rückgang der Kosten für Photovoltaikstrom wird die Kosten für die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse von Wasser erheblich senken. Es wird geschätzt, dass die Kosten für die Stromerzeugung aus Photovoltaik pro Kilowattstunde im Jahr 2025 weniger als 0,3 Yuan betragen werden und die Wasserstoffproduktion aus Photovoltaikstrom voraussichtlich bis dahin gleich sein wird; In Gebieten mit reichlich Lichtressourcen werden die Kosten für die Wasserstoffproduktion durch Photovoltaik-Stromerzeugung pro Kilowattstunde voraussichtlich auf 0,15 Yuan sinken, was die Kosten für die Wasserstoffproduktion weiter senken wird. Bis 2035 und 2050 werden die Kosten für die Stromerzeugung aus Photovoltaik pro Kilowattstunde 0,2 Yuan bzw. 0,13 Yuan betragen, was in jeder Hinsicht eine gute Wirtschaftlichkeit ermöglicht.
Jüngsten Forschungsprognosen und der „China 2030 ‚Renewable Hydrogen 100‘ Development Roadmap“ zufolge ist die Wasserstoffproduktion meines Landes durch Onshore-Windkraft und Photovoltaik zur Stromerzeugung durch Wasserelektrolyse nahezu gleich. Allerdings ist die Wasserstoffproduktionsausrüstung für die PEM-Wasserelektrolyse mehr als fünfmal höher als die von alkalischen Elektrolyseuren, und die Kosten für die Wasserstoffproduktion sind etwa 40 % höher. Daher besteht der wichtigste treibende Faktor für die zukünftige Entwicklung der Wasserstoffproduktion mit PEM-Elektrolyseuren darin, die Herstellungs- und Betriebskosten der Ausrüstung zu senken. Angesichts der Größe der Wasserstoffproduktionsindustrie und der kontinuierlichen Durchbrüche bei den entsprechenden Kerntechnologien wird erwartet, dass die Kosten für PEM-Elektrolyseure um mehr als 50 % und die Niveaukosten für Wasserstoff um 20 % gesenkt werden.