تطوير وتطبيق تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للمياه بغشاء تبادل البروتون في ظل تقلبات طاقة الرياح والطاقة الشمسية I

تطوير وتطبيق غشاء تبادل البروتونات، التحليل الكهربائي للماء، إنتاج الهيدروجين التكنولوجيا في ظل تقلبات طاقة الرياح والطاقة الشمسية

أما اتجاه الانحباس الحراري العالمي فهو أكثر وضوحا. التطويرإن الحصول على الطاقة النظيفة يمكن أن يخفف من الكمية الكبيرة من انبعاثات غازات الدفيئة الناتجة عن استخدام الوقود الأحفوري. ولذلك فإن تطوير الطاقة المتجددة مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية له أهمية كبيرة في التنمية المستدامة للمجتمع البشري. تتمتع الطاقة المتجددة باعتماد قوي على الزمان والمكان، والتقطع، والتقلب، وغيرها من الخصائص. كما أنها تواجه صعوبات الموثوقية وتنظيم الذروة والتردد في اتصال الشبكة. ولذلك فإن تحويل كهرباء الطاقة المتجددة إلى طاقة كيميائية وتخزينها قبل استخدامها أكثر مرونة ووسيلة فعالة لتنسيق تطوير المصدر والشبكة والحمل.

يتمتع الهيدروجين بمزايا كونه نظيفًا وذو جودة عالية/كثافة طاقة. إنها ناقلة طاقة فعالة يمكنها أن تحل محل الوقود الأحفوري مثل الفحم والغاز الطبيعي في الصناعات ذات الانبعاثات عالية الكربون والكهرباء وغيرها من المجالات، ولها آفاق تطبيق واسعة. يعد إنتاج الهيدروجين من التحليل الكهربائي للمياه بالطاقة المتجددة وسيلة فعالة لتحقيق استهلاك الطاقة المتجددة وإنتاج الهيدروجين الأخضر. تشمل التقنيات الشائعة التحليل الكهربائي للمياه القلوية، والتحليل الكهربائي للمياه بغشاء تبادل البروتون (PEM)، والتحليل الكهربائي للمياه بغشاء التبادل الأنيوني، والتحليل الكهربائي للمياه بأكسيد صلب. من بينها، تتميز تقنية التحليل الكهربائي للمياه PEM بكثافة تيار عالية، وكفاءة (80% ~ 90%)، ونقاء الغاز، واستهلاك منخفض للطاقة وحجم، وسلامة وموثوقية جيدة. يعد إجراء البحث والتطوير لتكنولوجيا التحليل الكهربائي للمياه PEM جزءًا مهمًا من دعم تحقيق الطاقة المتجددة وإنتاج الهيدروجين المقترن بالكهرباء.

تركز المقالة على تطوير وتطبيق تكنولوجيا فعالة لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للمياه تحت مصادر طاقة الرياح والطاقة الشمسية المتقلبة. يناقش بشكل منهجي المشاكل الموجودة في إنتاج الهيدروجين عن طريق اقتران مصادر طاقة الرياح والطاقة الشمسية المتقلبة من جوانب خصائص تقلب الرياح والطاقة الشمسية وطرق إنتاج الهيدروجين، وخصائص إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للمياه PEM وآلية التوهين، والوضع الحالي لتطبيقات إنتاج الهيدروجين، والمفتاح. البحث والتطوير التكنولوجي، من أجل توفير مرجع أساسي لتطوير التكنولوجيا المقابلة وأبحاث التطبيقات الصناعية.

ط. الكهرباء المتجددة وتوليد طاقة الرياح والطاقة الشمسية وسيناريوهات إنتاج الهيدروجين
الأشكال الرئيسية لطاقة الطاقة المتجددة هي طاقة الرياح وتوليد الطاقة الكهروضوئية، والتي لها خاصية متأصلة في التقلبات القوية. فقط من خلال تحليل خصائص تقلب طاقة الرياح والطاقة الكهروضوئية يمكننا تحديد الشروط الأساسية لتطوير تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للمياه في ظل مصادر طاقة الرياح والطاقة الكهروضوئية المتقلبة.
1. طاقة الرياح مقرونة بإنتاج الهيدروجين
رياح ينقسم إنتاج الهيدروجين المقترن بالطاقة بشكل أساسي إلى أنواع متصلة بالشبكة وخارجها. بالنسبة لطاقة الرياح المتصلة بالشبكة، تحقق شبكة الطاقة التحكم في الجهد والتردد من خلال نظام إدارة الطاقة لضمان أن الخلية الإلكتروليتية تنتج الهيدروجين بجهد مستقر نسبيًا؛ تتضمن الطرق المقابلة المتصلة بالشبكة بشكل أساسي طاقة الرياح المتزامنة المتصلة بالشبكة وغير المتزامنة المتصلة بالشبكة. هناك ثلاثة سيناريوهات تطبيقية رئيسية لطاقة الرياح المرتبطة بالشبكة لإنتاج الهيدروجين: استخدام طاقة الرياح الفائضة لإنتاج الهيدروجين، الذي يلعب دور "حلاقة الذروة" في شبكة الطاقة؛ واستخدام الطاقة الهيدروجينية وتوليد الكهرباء من خلال تقنيات مثل خلايا الوقود لتلعب دور "ملء الوادي" في شبكة الكهرباء؛ استخدام إمدادات طاقة الشبكة لحل المشكلة المتقطعة لطاقة الرياح وتعزيز استقرار وموثوقية نظام إنتاج الهيدروجين.
بالمقارنة مع الطريقة المتصلة بالشبكة، فإن طاقة الرياح خارج الشبكة تلغي المعدات المساعدة المتصلة بالشبكة، ويمكن أن تتجنب المشاكل الناجمة عن اتصال الشبكة، وتقلل من تكلفة إنتاج الهيدروجين. خاصة بالنسبة لطاقة الرياح البحرية، فإن اعتماد توليد الطاقة خارج الشبكة يمكن أن يحل مشكلة نقل الطاقة بشكل فعال؛ يمكن أيضًا أن تكون البنية التحتية لنقل النفط والغاز الطبيعي بمثابة قناة نقل لإنتاج الهيدروجين من طاقة الرياح البحرية، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة الاستثمار لخط الأنابيب المقابل. بشكل عام، هناك سيناريوهان رئيسيان للتطبيق لإنتاج الهيدروجين المقترن بطاقة الرياح خارج الشبكة: يتم تصدير الهيدروجين الناتج عبر خطوط أنابيب الغاز أو ناقلات الهيدروجين، ويتم بناء نظام الشبكة الصغيرة بواسطة طاقة الرياح والمحولات والمحللات الكهربائية ومعدات تخزين الهيدروجين والوقود. الخلايا، الخ.

2. توليد الطاقة الكهروضوئية مقرونة بإنتاج الهيدروجين
يمكن أيضًا تقسيم توليد الطاقة الكهروضوئية إلى جانب إنتاج الهيدروجين إلى أنواع متصلة بالشبكة وخارجها. يعمل توليد الطاقة الكهروضوئية المتصلة بالشبكة إلى جانب إنتاج الهيدروجين على توصيل الكهرباء المولدة بواسطة الوحدات الكهروضوئية بالشبكة، ومن ثم الحصول على الكهرباء من الشبكة لتحليل الماء كهربائيًا لإنتاج الهيدروجين. غالبًا ما يتم استخدامه لتخزين الضوء والطاقة المهجورة على نطاق واسع. يشير توليد الطاقة الكهروضوئية خارج الشبكة إلى جانب إنتاج الهيدروجين إلى إمداد الكهرباء المولدة بواسطة الوحدات الكهروضوئية مباشرة إلى المحللات الكهربائية لإنتاج الهيدروجين، والذي يستخدم بشكل أساسي لإنتاج الهيدروجين الموزع. يعتمد توليد الطاقة الكهروضوئية إلى جانب تقنية إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للمياه PEM بشكل رئيسي بطريقتين: الاقتران غير المباشر لتحويل DC-DC الكهروضوئي والاقتران المباشر الكهروضوئي.
1). تحويل الخلايا الكهروضوئية DC-DC إلى اقتران غير مباشر لإنتاج الهيدروجين
تتأثر الطاقة الناتجة لتوليد الطاقة الكهروضوئية بعوامل متعددة مثل الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة المحيطة والحمل الخارجي، مما يجعل من الصعب توفير الطاقة المثلى للحمل بشكل مباشر. عادةً ما يتم إضافة محول DC-DC بين الوحدة الكهروضوئية والخلية الإلكتروليتية لمطابقة الجهد الكهروضوئي وجهد الخلية الإلكتروليتية بشكل أفضل، وبالتالي تحسين كفاءة إنتاج الهيدروجين. الطريقة الشائعة الاستخدام هي تتبع الحد الأقصى لكثافة الطاقة، مثل استخدام تقنية تعديل عرض النبضة لضبط دورة العمل لتتبع نقطة الطاقة القصوى وضبط التحكم القوي في تيار خرج المحول. على الرغم من أن محول DC-DC يمكن أن يحسن بشكل فعال كفاءة إنتاج الهيدروجين، فإن التموج الناتج عن المحول سوف يسبب أخطاء في الحكم على مستوى تيار الإدخال، وبالتالي يؤثر على كفاءة عمل خلية التحليل الكهربائي؛ الخسارة الناتجة عن تحويل التيار المستمر تزيد من تكلفة التشغيل وستؤثر أيضًا على متانة نظام إنتاج الهيدروجين وعمر الجهاز.
2). إنتاج الهيدروجين بالاقتران المباشر باستخدام الخلايا الكهروضوئية
يعمل الاقتران المباشر لأجهزة توليد الطاقة الكهروضوئية والخلايا الإلكتروليتية على تبسيط تعقيد أنظمة إنتاج الهيدروجين المقترنة بتوليد الطاقة الكهروضوئية. على سبيل المثال، يتكون نظام التحليل الكهربائي الكهروضوئي من خليتين كهربائيتين PEM متصلتين مباشرة بخلايا كهروضوئية شمسية ثلاثية العقد، والتي يمكن أن تولد جهدًا كافيًا للحفاظ على عملية إنتاج هيدروجين الخلايا الكهروضوئية استنادًا إلى الخلايا الكهروضوئية الشمسية؛ إن ضبط نقطة كثافة الطاقة القصوى للطاقة الكهروضوئية لتتناسب مع الخلية الإلكتروليتية يمكن أن يجعل كفاءة تحويل الطاقة الشمسية إلى الهيدروجين تصل إلى 30٪. ومع ذلك، في ظل الاقتران المباشر، فإن أشكال موجة الجهد والتيار للخلية الكهروضوئية تعمل بشكل مباشر على الخلية الإلكتروليتية، مما يشكل تحديًا للتشغيل الآمن والمستقر على المدى الطويل لمكدس المحلل الكهربائي.