Sviluppo e applicazione della tecnologia di produzione di idrogeno per elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio protonico in condizioni di fluttuazioni dell'energia eolica e solare I

Sviluppo e applicazione di produzione di idrogeno elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio protonico tecnologia sotto le fluttuazioni dell’energia eolica e solare I

La tendenza al riscaldamento globale è più evidente. Lo sviluppoLo sfruttamento dell’energia pulita può alleviare la grande quantità di emissioni di gas serra generate dall’uso di combustibili fossili. Pertanto, lo sviluppo delle energie rinnovabili come l’energia eolica e l’energia solare è di grande importanza per lo sviluppo sostenibile della società umana. L’energia rinnovabile ha una forte dipendenza dal tempo e dallo spazio, intermittenza, volatilità e altre caratteristiche. Affronta inoltre le difficoltà di affidabilità e regolazione dei picchi e della frequenza nella connessione alla rete. Pertanto, convertire l’elettricità da energia rinnovabile in energia chimica e immagazzinarla prima di utilizzarla è più flessibile ed è un modo efficace per coordinare lo sviluppo della fonte, della rete e del carico.

L’idrogeno presenta i vantaggi di essere pulito e di avere un’elevata qualità/densità energetica. È un vettore energetico efficiente che può sostituire i combustibili fossili come carbone e gas naturale nelle industrie ad alte emissioni di carbonio, nell’elettricità e in altri campi e ha ampie prospettive di applicazione. La produzione di idrogeno dall’elettrolisi dell’acqua con energia rinnovabile è un modo efficace per ottenere il consumo di energia rinnovabile e la produzione di idrogeno verde. Le tecnologie comuni includono l'elettrolisi dell'acqua alcalina, l'elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio protonico (PEM), l'elettrolisi dell'acqua con membrana a scambio anionico e l'elettrolisi dell'acqua con ossido solido. Tra questi, la tecnologia di elettrolisi dell'acqua PEM ha un'elevata densità di corrente, efficienza (80% ~ 90%), purezza del gas, basso consumo energetico e volume, nonché buona sicurezza e affidabilità. Lo svolgimento della ricerca e dello sviluppo della tecnologia di elettrolisi dell'acqua PEM è una parte importante del sostegno alla realizzazione di energia rinnovabile e produzione di idrogeno accoppiata con elettricità.

L'articolo si concentra sullo sviluppo e sull'applicazione di un'efficiente tecnologia di produzione dell'idrogeno mediante elettrolisi dell'acqua sotto fonti di energia fluttuanti eoliche e solari. Discute sistematicamente i problemi esistenti nella produzione di idrogeno accoppiando le fonti di energia fluttuanti eoliche e solari dagli aspetti delle caratteristiche di fluttuazione dell'energia eolica e solare e dei metodi di produzione dell'idrogeno, caratteristiche di produzione dell'idrogeno mediante elettrolisi dell'acqua PEM e meccanismo di attenuazione, stato attuale delle applicazioni di produzione dell'idrogeno e principali ricerca e sviluppo tecnologico, al fine di fornire un riferimento di base per il corrispondente sviluppo tecnologico e la ricerca sulle applicazioni industriali.

I. Elettricità rinnovabile, generazione di energia eolica e solare, scenari di produzione di idrogeno
Le forme principali di energia rinnovabile sono l’energia eolica e la produzione di energia fotovoltaica, che hanno la proprietà intrinseca di una forte volatilità. Solo analizzando le caratteristiche di fluttuazione dell’energia eolica e fotovoltaica possiamo identificare le condizioni di base per lo sviluppo della tecnologia di produzione dell’idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua con fonti di energia fluttuanti eoliche e fotovoltaiche.
1.Energia eolica abbinata alla produzione di idrogeno
Vento La produzione di idrogeno accoppiato all’energia elettrica è principalmente suddivisa in tipologie connesse alla rete e off-grid. Per l’energia eolica connessa alla rete, la rete elettrica realizza il controllo della tensione e della frequenza attraverso il sistema di gestione dell’energia per garantire che la cella elettrolitica produca idrogeno a una tensione relativamente stabile; i corrispondenti metodi di connessione alla rete includono principalmente l'energia eolica sincrona connessa alla rete e l'energia eolica asincrona connessa alla rete. Esistono tre principali scenari applicativi per la produzione di idrogeno accoppiata con energia eolica connessa alla rete: utilizzo dell’energia eolica in eccedenza per produrre idrogeno, che svolge il ruolo di “peak shaving” nella rete elettrica; utilizzare l'energia dell'idrogeno e generare elettricità attraverso tecnologie come le celle a combustibile per svolgere il ruolo di "riempire la valle" nella rete elettrica; utilizzare l’alimentazione elettrica di rete per risolvere il problema intermittente dell’energia eolica e migliorare la stabilità e l’affidabilità del sistema di produzione dell’idrogeno.
Rispetto al metodo connesso alla rete, l’energia eolica off-grid elimina le apparecchiature ausiliarie collegate alla rete, può evitare i problemi causati dalla connessione alla rete e ridurre il costo della produzione di idrogeno. Soprattutto per l’energia eolica offshore, l’adozione della generazione di energia off-grid può risolvere efficacemente il problema della trasmissione di energia; Le infrastrutture di trasmissione del petrolio e del gas naturale possono anche fungere da canale di trasmissione per la produzione di idrogeno da energia eolica offshore, il che riduce significativamente i costi di investimento del gasdotto corrispondente. In generale, ci sono due principali scenari applicativi per la produzione di idrogeno accoppiata all'energia eolica off-grid: l'idrogeno ottenuto viene esportato attraverso gasdotti o navi cisterna per l'idrogeno, e un sistema di microrete è costruito da energia eolica, convertitori, elettrolizzatori, apparecchiature per lo stoccaggio dell'idrogeno, carburante cellule, ecc.

2. Generazione di energia fotovoltaica abbinata alla produzione di idrogeno
La generazione di energia fotovoltaica abbinata alla produzione di idrogeno può anche essere suddivisa in tipologie connesse alla rete e off-grid. La generazione di energia fotovoltaica connessa alla rete, abbinata alla produzione di idrogeno, collega l’elettricità generata dai moduli fotovoltaici alla rete, quindi ottiene elettricità dalla rete per elettrolizzare l’acqua per produrre idrogeno. Viene spesso utilizzato per l'illuminazione abbandonata e lo stoccaggio di energia su larga scala; La generazione di energia fotovoltaica off-grid abbinata alla produzione di idrogeno si riferisce alla fornitura diretta di elettricità generata dai moduli fotovoltaici agli elettrolizzatori per la produzione di idrogeno, che viene utilizzata principalmente per la produzione distribuita di idrogeno. La generazione di energia fotovoltaica accoppiata con la tecnologia di produzione dell'idrogeno per elettrolisi dell'acqua PEM adotta principalmente due modi: accoppiamento indiretto di conversione CC-CC fotovoltaica e accoppiamento diretto fotovoltaico.
1). Conversione fotovoltaica DC-DC con accoppiamento indiretto della produzione di idrogeno
La potenza in uscita della generazione di energia fotovoltaica è influenzata da molteplici fattori come la radiazione solare, la temperatura ambiente e il carico esterno, rendendo difficile fornire direttamente la potenza ottimale per il carico. Un convertitore DC-DC viene solitamente aggiunto tra il modulo fotovoltaico e la cella elettrolitica per abbinare meglio la tensione fotovoltaica e la tensione della cella elettrolitica, migliorando così l'efficienza della produzione di idrogeno. Il metodo comunemente utilizzato è il tracciamento della densità di potenza massima, ad esempio utilizzando la tecnologia di modulazione dell'ampiezza dell'impulso per regolare il ciclo di lavoro per tracciare il punto di potenza massima e regolare il controllo affidabile della corrente di uscita del convertitore. Sebbene il convertitore DC-DC possa effettivamente migliorare l'efficienza della produzione di idrogeno, l'ondulazione generata dal convertitore causerà errori nella valutazione del livello della corrente in ingresso, influenzando così l'efficienza operativa della cella elettrolitica; la perdita causata dalla conversione in corrente continua aumenta i costi operativi e influirà anche sulla durata del sistema di produzione dell'idrogeno e sulla vita del dispositivo.
2). Produzione di idrogeno tramite accoppiamento diretto fotovoltaico
L'accoppiamento diretto di dispositivi di generazione di energia fotovoltaica e celle elettrolitiche semplifica la complessità dei sistemi di produzione di idrogeno accoppiati alla generazione di energia fotovoltaica. Ad esempio, il sistema di elettrolisi fotovoltaica è costituito da due celle elettrolitiche PEM direttamente collegate a celle fotovoltaiche solari a tre nodi, che possono generare una tensione sufficiente per mantenere il processo di produzione di idrogeno delle celle elettrolitiche basato su celle fotovoltaiche solari; la regolazione del punto di densità di potenza massima del fotovoltaico in modo che corrisponda alla cella elettrolitica può rendere l'efficienza di conversione da solare a idrogeno fino al 30%. Tuttavia, in caso di accoppiamento diretto, le forme d'onda di tensione e corrente della cella fotovoltaica agiscono direttamente sulla cella elettrolitica, il che rappresenta una sfida per il funzionamento sicuro e stabile a lungo termine dello stack dell'elettrolizzatore.