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 III

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 III

III. Ricerca e sviluppo della tecnologia di base dell'elettrolizzatore PEM e direzione dello sviluppo della tecnologia di produzione dell'idrogeno dell'elettrolizzatore PEM

1. Ricerca e sviluppo della tecnologia dell'elettrolizzatore PEM
La gamma di fluttuazione della potenza della produzione di idrogeno da energia eolica e solare è ampia e gli effetti negativi si verificano apparecchiature per la produzione di idrogeno si manifestano in una significativa riduzione della durata delle apparecchiature e della purezza dell'idrogeno prodotto. Questi effetti sono causati dall'attenuazione dei componenti principali dell'elettrolizzatore PEM in condizioni di alimentazione fluttuante eolica e solare. Da un punto di vista tecnico, la sfida principale che deve affrontare l’elettrolizzatore PEM è come migliorare le prestazioni di lavoro e la stabilità attraverso la ricerca e lo sviluppo dei materiali, il processo di assemblaggio e l’ottimizzazione. La ricerca e lo sviluppo di materiali avanzati comprendono strati catalitici e materiali adesivi, piastre bipolari resistenti alla corrosione, membrane organiche a scambio ionico e altre direzioni. Il processo di assemblaggio e l'ottimizzazione dei componenti dell'elettrolizzatore comprendono principalmente l'ottimizzazione del metodo di preparazione dell'elettrodo a membrana, l'ottimizzazione del precarico dell'assemblaggio dell'elettrolizzatore, l'ottimizzazione della temperatura dell'elettrodo a membrana/elettrolizzatore e della distribuzione dello stress termico e l'ottimizzazione del canale di flusso. Negli ultimi anni, l'elettrodo a membrana è stata la direzione chiave della ricerca dell'elettrolizzatore PEM.
Concentrandosi sui componenti principali dei catalizzatori dell'elettrolizzatore, delle membrane di scambio, delle piastre bipolari, ecc., i modi principali per svolgere la ricerca e lo sviluppo dei catalizzatori sono: migliorare l'attività e la stabilità dei catalizzatori attraverso il drogaggio composito binario o multimetallico; selezionare materiali superficiali resistenti all'ossidazione e altamente specifici come trasportatori di catalizzatori per migliorare il tasso di utilizzo e l'attività dei catalizzatori; progettazione di nuovi catalizzatori strutturali, come strutture core-shell e nanoarray. Tra le membrane di scambio attualmente in uso, le membrane protoniche dell'acido perfluorosolfonico DuPont sono le più comuni e vengono utilizzate anche le membrane protoniche dell'acido perfluorosolfonico a catena corta di marchi come Dow Chemical, 3M, Gore e Asahi Glass. Al fine di migliorare la stabilità della membrana di scambio, vengono solitamente utilizzati polimeri di poliarilene per rafforzare e modificare la membrana e materiali catalitici vengono utilizzati per modificare il diaframma per ridurre il crossover del gas prodotto. Il costo delle piastre bipolari rappresenta oltre il 50% del costo dell'elettrolizzatore e i rivestimenti in metalli preziosi sono generalmente configurati per migliorare la resistenza alla corrosione. Il lavoro futuro per ridurre i costi di produzione si concentrerà principalmente su nuovi materiali per piastre bipolari a basso costo e processi di trattamento superficiale.
In termini di processo di assemblaggio e ottimizzazione, la ricerca attuale si concentra sulla progettazione asimmetrica di catodo/anodo, ottimizzazione del fissaggio dei componenti elettrolitici collegando la posizione della scheda, ecc. Per adattarsi all'alimentazione fluttuante, alcuni studi hanno esplorato l'influenza dell'acqua cambiamenti di flusso nell'elettrolizzatore, distribuzione delle condutture di approvvigionamento idrico e struttura dell'elettrodo a membrana sulla permeazione del gas su entrambi i lati, cambiamenti di temperatura e pressione, densità di corrente, ecc. Per i componenti principali dell'elettrolizzatore, i processi della membrana di rivestimento del catalizzatore più comunemente usati sono spruzzatura ad ultrasuoni e rivestimento roll-to-roll: rispetto al primo, il secondo utilizza un rivestimento una tantum dello strato catalizzatore, che può ottenere un rivestimento più spesso e uniforme più velocemente e soddisfare le esigenze della produzione in serie di elettrodi a membrana. Per evitare forature, fessurazioni, sollecitazioni meccaniche, umidificazione insufficiente e pressione di reazione causate dall'assemblaggio, le proprietà del materiale utilizzato vengono solitamente studiate completamente durante la progettazione dell'elettrodo a membrana e del suo processo di bloccaggio, e le prove di carico vengono eseguite sulla base di dispositivi sperimentali.

Per valutare la durata dei componenti in condizioni di frequenti start-stop e di alimentazione con fluttuazioni eoliche-solari, è necessario ottenere più dati attraverso test accelerati per migliorare la durata dei componenti dello stack, che rappresenta un'altra sfida nell'attuale ricerca e sviluppo. Tuttavia, non esiste un protocollo standardizzato di test di decadimento accelerato per i componenti dell'elettrolizzatore PEM e il tasso di degradazione dei componenti dello stack è difficile da misurare, il che rende difficile condurre un confronto diretto dei risultati della ricerca esistente. La definizione di un protocollo standardizzato di test di decadimento accelerato dell’elettrolizzatore PEM rappresenta un problema che costituisce un collo di bottiglia e che deve essere risolto con urgenza nell’attuale ricerca e sviluppo tecnologico chiave.
Negli ultimi anni, la ricerca tecnica e lo sviluppo dei componenti chiave degli elettrolizzatori PEM hanno compiuto progressi significativi. Secondo il percorso tecnico del mio paese per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell'acqua, gli attuali indicatori tecnici chiave degli elettrolizzatori PEM sono: efficienza di circa il 63%, durata di circa 6×104 ore e costo di circa 10.000 yuan/kW. Si prevede che entro il 2030 gli indicatori tecnici chiave degli elettrolizzatori PEM saranno: efficienza del 78%, durata di 1×105 h e costo ridotto a 4.000 yuan/kW.

2. Direzione dello sviluppo della tecnologia di produzione dell'idrogeno dell'elettrolizzatore PEM
Il principio della produzione di idrogeno da energia eolica/solare è quello di completare la conversione dell’energia eolica/solare in elettricità, e quindi convertire l’elettricità in energia da idrogeno attraverso un elettrolizzatore. Attualmente esistono quattro principali tecnologie di elettrolisi dell'acqua, di cui la tecnologia di elettrolisi dell'acqua alcalina è la più matura e ha il costo più basso ed è entrata nella fase di sviluppo commerciale; ma la tecnologia PEM dell’elettrolisi dell’acqua si sta sviluppando rapidamente e ha una buona adattabilità all’energia eolica e solare e sarà la direzione preferita per la produzione di idrogeno da energia rinnovabile in futuro.
Al momento, i principali metodi di produzione dell’idrogeno con accoppiamento eolico-solare sono off-grid e connessi alla rete. Sebbene la produzione di idrogeno connessa alla rete superi la volatilità della potenza di produzione dell’idrogeno, presenta i problemi dei prezzi elevati dell’elettricità e dell’accesso limitato alla rete. Il metodo off-grid fornisce l'elettricità generata da una o più turbine eoliche (senza passare attraverso la rete) alle apparecchiature di produzione dell'idrogeno per l'elettrolisi dell'acqua per la produzione di idrogeno. È adatto ad aree con buona risorsa eolica ma consumi limitati, ha un modello di business robusto e ampie prospettive di sviluppo; viene utilizzato principalmente per la produzione distribuita di idrogeno e localmente utilizzato per la generazione di energia mediante celle a combustibile e la fornitura di energia.
Similmente alla produzione di idrogeno fuori rete, la produzione di idrogeno fuori rete è un altro modo efficace per produrre idrogeno, che elimina un gran numero di apparecchiature ausiliarie necessarie per la connessione alla rete (come convertitori/trasformatori, sistemi di filtraggio) e il costo è notevolmente ridotto rispetto alla produzione di idrogeno connessa alla rete. La produzione di idrogeno fuori rete utilizza corrente continua, evitando efficacemente i problemi di differenza di fase e di differenza di frequenza causati dall’accesso alla rete CA, semplificando il sistema e risparmiando sui costi. Vale la pena notare che, rispetto alla produzione di idrogeno off-grid/connessa alla rete, la produzione di idrolisi di idrogeno da energia eolica e solare non connessa alla rete accoppia direttamente l'energia eolica e solare con gli elettrolizzatori PEM, realizzando una rete di energia eolica e solare senza connessione alla rete, evitando così l'impatto delle fluttuazioni dell'energia eolica e solare sulla rete elettrica. Da questo processo, la fonte di energia fluttuante nella produzione di idrogeno di energia eolica e solare non connessa alla rete necessita solo di una semplice trasformazione e rettifica e la tensione viene regolata sulla tensione richiesta attraverso il trasformatore e l'energia CA viene raddrizzata in energia CC.
La tecnologia di produzione dell’idrogeno fuori rete è una tecnologia originale nel mio paese in campi correlati, che aiuta a superare i limiti tecnici delle fluttuazioni dell’energia rinnovabile. L'energia eolica e solare non sono soggette a vincoli di connessione alla rete e le apparecchiature di generazione di energia eolica e fotovoltaica possono essere ulteriormente ottimizzate, il che può ridurre significativamente i costi ed evitare incidenti su larga scala di turbine eoliche/fotovoltaiche causate dalla connessione alla rete, in tal modo raggiungere la soluzione al problema del consumo di energia eolica e solare e promuovere allo stesso tempo lo sviluppo del settore dell’energia verde dell’idrogeno.

IV. Tendenze applicative dell'elettrolisi dell'acqua e della produzione di idrogeno da fonti di energia fluttuanti eoliche e solari
1.Stato attuale ed aspetti economici dell’energia eolica abbinata alla produzione di idrogeno
Attualmente, il focus della ricerca nazionale ed estera è sull’applicabilità e sull’economia della produzione di idrogeno da energia eolica connessa alla rete in diversi scenari applicativi. La produzione di idrogeno da energia eolica connessa alla rete può assorbire efficacemente l’abbandono del vento (il corrispondente tasso di abbandono del vento è ridotto dal 35,8% al 7,5%). Le principali direzioni di ricerca includono l'ottimizzazione della configurazione del sistema e la simulazione della strategia di controllo, esplorando principalmente l'impatto di tensione, corrente, temperatura, pressione e proprietà elettrochimiche dei materiali degli elettrodi sul funzionamento delle apparecchiature di produzione di idrogeno in caso di frequenti cambiamenti di potenza, ottimizzando il funzionamento e l'avvio-arresto. strategie di controllo e prolungamento della durata degli elettrolizzatori. Nella produzione di idrogeno accoppiata all’energia eolica, la produzione di idrogeno da energia eolica offshore è una delle forme principali del futuro. Negli ultimi anni sono stati realizzati all’estero più di 20 progetti dimostrativi di produzione di idrogeno accoppiata ad energia eolica. In Europa, le principali direzioni di ricerca sono: esplorare i vantaggi di stoccaggio dell’energia dell’idrogeno nella rete elettrica, migliorare l’utilizzo dell’energia eolica, la qualità della produzione di energia e la stabilità della rete elettrica; realizzazione di progetti “power-to-gas” per aumentare la percentuale di energia rinnovabile attraverso lo stoccaggio dell’idrogeno; sviluppando progetti di produzione di idrogeno nell’energia eolica offshore, come i Paesi Bassi costruiranno un progetto di produzione di idrogeno nell’energia eolica offshore da 3~4 GW nel 2030 e raggiungeranno una capacità installata di 10 GW e una scala di produzione di idrogeno di 8×105 t nel 2040. Rispetto all’idrogeno tradizionale metodi di produzione, l’elettrolisi è un fattore chiave nel determinare l’efficienza economica della produzione di idrogeno nell’energia eolica. Il 70% del costo della produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua deriva dai prezzi dell’elettricità. Secondo gli attuali prezzi dell’elettricità, il costo della produzione di idrogeno da parte dell’energia eolica è da 2 a 3 volte quello della produzione tradizionale di idrogeno. Quando il costo per kilowattora è controllato a 0,25 yuan, il costo della produzione di idrogeno da energia eolica è alla pari con il costo della produzione tradizionale di idrogeno; se il prezzo dell’elettricità scendesse, avrà un vantaggio economico.

2.Stato attuale ed aspetti economici della produzione di energia fotovoltaica abbinata alla produzione di idrogeno
La generazione di energia fotovoltaica abbinata alla produzione di idrogeno è un altro modo importante per produrre idrogeno da energia rinnovabile.
Il collo di bottiglia dell’industrializzazione della produzione di idrogeno per la generazione di energia fotovoltaica risiede nei costi elevati. Il calo del costo dell’elettricità fotovoltaica ridurrà notevolmente il costo della produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua. Si stima che il costo della produzione di energia fotovoltaica per kilowattora sarà inferiore a 0,3 yuan nel 2025, e si prevede che la produzione di idrogeno per la produzione di energia fotovoltaica sarà pari a quella data; nelle aree con abbondanti risorse luminose, si prevede che il costo della produzione di idrogeno per la produzione di energia fotovoltaica per kilowattora scenderà a 0,15 yuan, il che ridurrà ulteriormente il costo di produzione dell’idrogeno. Entro il 2035 e il 2050, il costo della produzione di energia fotovoltaica per kilowattora sarà rispettivamente di 0,2 yuan e 0,13 yuan, ottenendo una buona efficienza economica sotto tutti gli aspetti.
Secondo recenti previsioni di ricerca e la “China 2030 'Renewable Hydrogen 100' Development Roadmap”, la produzione di idrogeno per elettrolisi dell'acqua per la produzione di energia eolica onshore e fotovoltaica nel mio Paese è vicina alla parità. Tuttavia, le apparecchiature PEM per la produzione di idrogeno per elettrolisi dell'acqua sono più di 5 volte superiori rispetto agli elettrolizzatori alcalini e il costo di produzione dell'idrogeno livellato è superiore di circa il 40%. Pertanto, il fattore chiave per lo sviluppo futuro della produzione di idrogeno tramite elettrolizzatore PEM è ridurre i costi operativi e di produzione delle apparecchiature. Con le dimensioni del settore della produzione di idrogeno e i continui progressi nelle corrispondenti tecnologie di base, si prevede che il costo degli elettrolizzatori PEM sarà ridotto di oltre il 50% e il costo livellato dell’idrogeno dovrebbe essere ridotto del 20%.