Pembangunan dan aplikasi teknologi pengeluaran hidrogen elektrolisis air membran pertukaran proton di bawah turun naik tenaga angin dan suria I

Pembangunan dan aplikasi pertukaran proton membran air elektrolisis pengeluaran hidrogen teknologi di bawah angin dan turun naik tenaga solar I

Trend pemanasan global lebih jelas. develoPenggunaan tenaga bersih boleh mengurangkan jumlah besar pelepasan gas rumah hijau yang dihasilkan oleh penggunaan bahan api fosil. Oleh itu, pembangunan tenaga boleh diperbaharui seperti tenaga angin dan tenaga suria adalah amat penting kepada pembangunan mampan masyarakat manusia. Tenaga boleh diperbaharui mempunyai pergantungan masa dan ruang yang kuat, intermittency, turun naik dan ciri-ciri lain. Ia juga menghadapi kesukaran kebolehpercayaan dan peraturan puncak dan kekerapan dalam sambungan grid. Oleh itu, menukar tenaga elektrik tenaga boleh diperbaharui kepada tenaga kimia dan menyimpannya sebelum menggunakannya adalah lebih fleksibel dan merupakan cara yang berkesan untuk menyelaraskan pembangunan sumber, rangkaian dan beban.

Hidrogen mempunyai kelebihan iaitu bersih dan mempunyai kualiti tinggi/ketumpatan tenaga. Ia adalah pembawa tenaga yang cekap yang boleh menggantikan bahan api fosil seperti arang batu dan gas asli dalam industri pelepasan karbon tinggi, elektrik dan bidang lain, dan mempunyai prospek aplikasi yang luas. Pengeluaran hidrogen daripada elektrolisis air tenaga boleh diperbaharui ialah cara yang berkesan untuk mencapai penggunaan tenaga boleh diperbaharui dan pengeluaran hidrogen hijau. Teknologi biasa termasuk elektrolisis air alkali, elektrolisis air membran pertukaran proton (PEM), elektrolisis air membran pertukaran anion dan elektrolisis air oksida pepejal. Antaranya, teknologi elektrolisis air PEM mempunyai ketumpatan arus yang tinggi, kecekapan (80%~90%), ketulenan gas, penggunaan tenaga dan isipadu yang rendah, serta keselamatan dan kebolehpercayaan yang baik. Menjalankan penyelidikan dan pembangunan teknologi elektrolisis air PEM adalah bahagian penting dalam menyokong merealisasikan tenaga boleh diperbaharui dan pengeluaran hidrogen berganding elektrik.

Artikel ini menumpukan pada pembangunan dan aplikasi teknologi pengeluaran hidrogen yang cekap melalui elektrolisis air di bawah angin dan sumber kuasa turun naik suria. Ia secara sistematik membincangkan masalah yang wujud dalam pengeluaran hidrogen dengan menggandingkan sumber kuasa angin dan suria yang turun naik dari aspek ciri turun naik angin dan suria dan kaedah pengeluaran hidrogen, ciri pengeluaran hidrogen elektrolisis air PEM dan mekanisme pengecilan, status semasa aplikasi pengeluaran hidrogen dan kunci. penyelidikan dan pembangunan teknologi, untuk menyediakan rujukan asas untuk pembangunan teknologi dan penyelidikan aplikasi industri yang sepadan.

I. Tenaga elektrik boleh diperbaharui, penjanaan tenaga angin dan solar, senario pengeluaran hidrogen
Bentuk arus perdana kuasa tenaga boleh diperbaharui ialah kuasa angin dan penjanaan kuasa fotovoltaik, yang mempunyai sifat turun naik yang kuat. Hanya dengan menganalisis ciri turun naik angin dan kuasa fotovoltaik kita boleh mengenal pasti keadaan asas untuk pembangunan teknologi pengeluaran hidrogen elektrolisis air di bawah sumber kuasa turun naik angin dan fotovoltaik.
1. Kuasa angin ditambah dengan pengeluaran hidrogen
Angin pengeluaran hidrogen berganding kuasa terutamanya dibahagikan kepada jenis bersambung grid dan luar grid. Untuk kuasa angin bersambung grid, grid kuasa merealisasikan kawalan voltan dan kekerapan melalui sistem pengurusan tenaga untuk memastikan sel elektrolitik menghasilkan hidrogen pada voltan yang agak stabil; kaedah berkaitan grid yang sepadan terutamanya termasuk grid kuasa angin segerak yang disambungkan dan grid kuasa angin tak segerak. Terdapat tiga senario aplikasi utama untuk pengeluaran hidrogen kuasa angin bersambung grid: menggunakan lebihan kuasa angin untuk menghasilkan hidrogen, yang memainkan peranan "pencukuran puncak" dalam grid kuasa; menggunakan tenaga hidrogen dan menjana elektrik melalui teknologi seperti sel bahan api untuk memainkan peranan "mengisi lembah" dalam grid kuasa; menggunakan bekalan kuasa grid untuk menyelesaikan masalah terputus-putus kuasa angin dan meningkatkan kestabilan dan kebolehpercayaan sistem pengeluaran hidrogen.
Berbanding dengan kaedah sambungan grid, kuasa angin luar grid menghapuskan peralatan tambahan yang berkaitan dengan grid, boleh mengelakkan masalah yang disebabkan oleh sambungan grid, dan mengurangkan kos pengeluaran hidrogen. Khususnya untuk kuasa angin luar pesisir, mengguna pakai penjanaan kuasa luar grid boleh menyelesaikan masalah penghantaran kuasa dengan berkesan; infrastruktur penghantaran minyak dan gas asli juga boleh berfungsi sebagai saluran penghantaran untuk pengeluaran hidrogen kuasa angin luar pesisir, yang dengan ketara mengurangkan kos pelaburan saluran paip yang sepadan. Secara amnya, terdapat dua senario aplikasi utama untuk pengeluaran hidrogen berganding kuasa angin luar grid: hidrogen yang diperolehi dieksport melalui saluran paip gas atau kapal tangki hidrogen, dan sistem mikrogrid dibina oleh kuasa angin, penukar, elektrolisis, peralatan penyimpanan hidrogen, bahan api. sel, dsb.

2. Penjanaan kuasa fotovoltan ditambah dengan pengeluaran hidrogen
Penjanaan kuasa fotovoltaik ditambah dengan pengeluaran hidrogen juga boleh dibahagikan kepada jenis bersambung grid dan luar grid. Penjanaan kuasa fotovoltaik bersambung grid ditambah dengan pengeluaran hidrogen menghubungkan tenaga elektrik yang dijana oleh modul fotovoltaik ke grid, dan kemudian memperoleh tenaga elektrik daripada grid untuk mengelektrolisis air untuk menghasilkan hidrogen. Ia sering digunakan untuk penyimpanan cahaya dan tenaga terbiar berskala besar; penjanaan kuasa fotovoltaik luar grid ditambah dengan pengeluaran hidrogen merujuk kepada membekalkan secara langsung elektrik yang dijana oleh modul fotovoltaik kepada elektrolisis untuk pengeluaran hidrogen, yang digunakan terutamanya untuk pengeluaran hidrogen teragih. Penjanaan kuasa fotovoltaik ditambah dengan teknologi pengeluaran hidrogen elektrolisis air PEM terutamanya menggunakan dua cara: gandingan tidak langsung penukaran DC-DC fotovoltan dan gandingan langsung fotovoltaik.
1). Penukaran fotovoltaik DC-DC penghasilan hidrogen gandingan tidak langsung
Kuasa keluaran penjanaan kuasa fotovoltaik dipengaruhi oleh pelbagai faktor seperti sinaran suria, suhu ambien dan beban luaran, menjadikannya sukar untuk secara langsung memberikan kuasa optimum untuk beban. Penukar DC-DC biasanya ditambah antara modul fotovoltaik dan sel elektrolitik untuk lebih sepadan dengan voltan fotovoltaik dan voltan sel elektrolitik, dengan itu meningkatkan kecekapan pengeluaran hidrogen. Kaedah yang biasa digunakan ialah penjejakan ketumpatan kuasa maksimum, seperti menggunakan teknologi modulasi lebar denyut untuk melaraskan kitaran tugas untuk menjejak titik kuasa maksimum dan melaraskan kawalan teguh arus keluaran penukar. Walaupun penukar DC-DC boleh meningkatkan kecekapan pengeluaran hidrogen secara berkesan, riak yang dihasilkan oleh penukar akan menyebabkan ralat dalam penilaian tahap arus input, sekali gus menjejaskan kecekapan kerja sel elektrolitik; kerugian yang disebabkan oleh penukaran DC meningkatkan kos operasi dan juga akan menjejaskan ketahanan sistem pengeluaran hidrogen dan hayat peranti.
2). Penghasilan hidrogen gandingan langsung fotovoltaik
Gandingan langsung peranti penjanaan kuasa fotovoltaik dan sel elektrolitik memudahkan kerumitan sistem pengeluaran hidrogen penjanaan kuasa fotovoltaik. Sebagai contoh, sistem elektrolisis fotovoltaik terdiri daripada dua sel elektrolitik PEM yang disambungkan terus kepada sel fotovoltaik suria tiga nod, yang boleh menjana voltan yang mencukupi untuk mengekalkan proses pengeluaran hidrogen sel elektrolitik berdasarkan sel fotovoltaik solar; melaraskan titik ketumpatan kuasa maksimum fotovoltaik untuk dipadankan dengan sel elektrolitik boleh menjadikan kecekapan penukaran solar-ke-hidrogen setinggi 30%. Walau bagaimanapun, di bawah gandingan langsung, bentuk gelombang voltan dan arus sel fotovoltaik bertindak secara langsung pada sel elektrolitik, yang menimbulkan cabaran kepada operasi jangka panjang yang selamat dan stabil bagi timbunan elektrolisis.