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

تطوير وتطبيق تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي بغشاء تبادل البروتونات في ظل تقلبات طاقة الرياح والطاقة الشمسية III

ثالثا. PEM البحث والتطوير في مجال التكنولوجيا الأساسية للمحلل الكهربائي واتجاه تطوير تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين الكهربائي PEM

1. البحث والتطوير في مجال تكنولوجيا المحلل الكهربائي PEM
نطاق تقلب الطاقة لإنتاج الهيدروجين من طاقة الرياح والطاقة الشمسية كبير، وله آثار ضارة معدات إنتاج الهيدروجين تتجلى في انخفاض كبير في عمر المعدات ونقاء الهيدروجين المنتج. تنجم هذه التأثيرات عن توهين المكونات الرئيسية للمحلل الكهربائي PEM في حالة تقلب إمدادات طاقة الرياح والطاقة الشمسية. من منظور تقني، فإن التحدي الرئيسي الذي يواجه المحلل الكهربائي PEM هو كيفية تحسين أداء العمل والاستقرار من خلال البحث والتطوير في المواد، وعملية التجميع والتحسين. يشمل البحث والتطوير المتقدم للمواد الطبقة الحفزية والمواد اللاصقة والألواح ثنائية القطب المقاومة للتآكل وأغشية التبادل الأيوني العضوي واتجاهات أخرى. تتضمن عملية التجميع وتحسين مكونات المحلل الكهربي بشكل أساسي تحسين طريقة تحضير القطب الغشائي، وتحسين التحميل المسبق لتجميع المحلل الكهربي، وتحسين درجة حرارة القطب الكهربي/المحلل الكهربي وتوزيع الضغط الحراري، وتحسين قناة التدفق. في السنوات الأخيرة، أصبح القطب الكهربائي الغشائي هو الاتجاه البحثي الرئيسي للمحلل الكهربائي PEM.
من خلال التركيز على المكونات الرئيسية لمحفزات المحلل الكهربائي، وأغشية التبادل، والألواح ثنائية القطب، وما إلى ذلك، فإن الطرق الرئيسية لإجراء بحث وتطوير المحفزات هي: تحسين نشاط واستقرار المحفزات من خلال المنشطات المركبة الثنائية أو المتعددة المعادن؛ اختيار مواد سطحية مقاومة للأكسدة وعالية النوعية كحاملات محفزة لتحسين معدل استخدام ونشاط المحفزات؛ تصميم محفزات هيكلية جديدة، مثل الهياكل الأساسية والمصفوفات النانوية. من بين أغشية التبادل المستخدمة حاليًا، تعد أغشية بروتون حمض البيرفلوروسلفونيك دوبونت هي الأكثر شيوعًا، كما تُستخدم أيضًا أغشية بروتون حمض البيرفلوروسلفونك قصيرة السلسلة من علامات تجارية مثل Dow Chemical و3M وGore وAsahi Glass. من أجل تحسين استقرار غشاء التبادل، عادة ما يتم استخدام بوليمرات البولياريلين لتقوية الغشاء وتعديله، وتستخدم المواد الحفزية لتعديل الحجاب الحاجز لتقليل عبور غاز المنتج. تمثل تكلفة الألواح ثنائية القطب أكثر من 50% من تكلفة المحلل الكهربائي، وعادةً ما يتم تكوين الطلاءات المعدنية الثمينة لتحسين مقاومة التآكل. سوف يركز العمل المستقبلي لتقليل تكاليف التصنيع بشكل أساسي على مواد الألواح ثنائية القطب الجديدة منخفضة التكلفة وعمليات معالجة الأسطح.
فيما يتعلق بعملية التجميع والتحسين، يركز البحث الحالي على التصميم غير المتماثل للكاثود/الأنود، وتحسين تثبيت المكونات الإلكتروليتية عن طريق توصيل موضع البطاقة، وما إلى ذلك. ومن أجل التكيف مع تقلب إمدادات الطاقة، استكشفت بعض الدراسات تأثير الماء تغيرات التدفق في المحلل الكهربائي، وتوزيع خطوط أنابيب إمدادات المياه، وهيكل القطب الكهربائي الغشائي على نفاذ الغاز على كلا الجانبين، وتغيرات درجة الحرارة والضغط، وكثافة التيار، وما إلى ذلك. بالنسبة للمكونات الأساسية للمحلل الكهربائي، فإن عمليات طلاء الغشاء المحفز الأكثر استخدامًا هي الرش بالموجات فوق الصوتية والطلاء لفة إلى لفة: بالمقارنة مع الأول، يستخدم الأخير طلاءًا لمرة واحدة لطبقة المحفز، والتي يمكن أن تحصل على طلاء أكثر سمكًا وأكثر تجانسًا بشكل أسرع، وتلبية احتياجات الإنتاج الضخم للقطب الغشائي. من أجل تجنب الثقب، والتشقق، والإجهاد الميكانيكي، والترطيب غير الكافي وضغط التفاعل الناتج عن التجميع، عادةً ما تتم دراسة خصائص المواد المستخدمة بشكل كامل عند تصميم القطب الغشائي وعملية التثبيت الخاصة به، ويتم إجراء اختبارات التحميل بناءً على الأجهزة التجريبية.

لتقييم عمر المكونات في ظل تقلبات إمدادات الطاقة من الرياح والطاقة الشمسية، يجب الحصول على المزيد من البيانات من خلال الاختبار المتسارع لتحسين متانة مكونات المكدس، وهو ما يمثل تحديًا آخر في البحث والتطوير الحالي. ومع ذلك، لا يوجد بروتوكول موحد لاختبار الاضمحلال المتسارع لمكونات المحلل الكهربائي PEM، ومن الصعب قياس معدل تحلل مكونات مكونات المكدس، مما يجعل من الصعب إجراء مقارنة مباشرة لنتائج الأبحاث الحالية. يعد إنشاء بروتوكول اختبار الانحلال المتسارع للمحلل الكهربائي PEM مشكلة عنق الزجاجة التي يجب حلها بشكل عاجل في البحث والتطوير التكنولوجي الرئيسي الحالي.
في السنوات الأخيرة، أحرز البحث الفني والتطوير للمكونات الرئيسية للمحلل الكهربائي PEM تقدمًا كبيرًا. وفقًا للمسار الفني لبلدي لإنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء، فإن المؤشرات الفنية الرئيسية الحالية للمحللات الكهربائية PEM هي: كفاءة تبلغ حوالي 63%، وعمر حوالي 6×104 ساعة، وتكلفة حوالي 10000 يوان/كيلوواط. من المتوقع أنه بحلول عام 2030، ستكون المؤشرات الفنية الرئيسية للمحللات الكهربائية PEM هي: كفاءة بنسبة 78%، وعمر 1×105 ساعة، وانخفاض التكلفة إلى 4000 يوان/كيلوواط.

2. اتجاه تطوير تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين بالكهرباء PEM
مبدأ إنتاج الهيدروجين من طاقة الرياح الشمسية هو استكمال تحويل طاقة الرياح/الشمسية إلى كهرباء، ثم تحويل الكهرباء إلى طاقة هيدروجينية من خلال محلل كهربائي. توجد حاليًا أربع تقنيات رئيسية للتحليل الكهربائي للمياه، منها تقنية التحليل الكهربائي للمياه القلوية هي الأكثر نضجًا والأقل تكلفة، وقد دخلت مرحلة التطوير التجاري؛ لكن تكنولوجيا التحليل الكهربائي للمياه PEM تتطور بسرعة، ولديها قدرة جيدة على التكيف مع طاقة الرياح والطاقة الشمسية، وستكون الاتجاه المفضل لإنتاج الهيدروجين بالطاقة المتجددة في المستقبل.
في الوقت الحاضر، الطرق الرئيسية لإنتاج الهيدروجين بالاقتران بين الرياح والطاقة الشمسية هي خارج الشبكة ومتصلة بالشبكة. على الرغم من أن إنتاج الهيدروجين المتصل بالشبكة يتغلب على تقلبات طاقة إنتاج الهيدروجين، إلا أنه يواجه مشاكل ارتفاع أسعار الكهرباء ومحدودية الوصول إلى الشبكة. توفر الطريقة خارج الشبكة الكهرباء المولدة بواسطة توربينات رياح مفردة أو متعددة (دون المرور عبر الشبكة) إلى معدات إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للمياه لإنتاج الهيدروجين. وهي مناسبة للمناطق ذات موارد الرياح الجيدة ولكن الاستهلاك المحدود، ولها نموذج أعمال قوي وآفاق تنمية واسعة؛ يتم استخدامه بشكل أساسي لإنتاج الهيدروجين الموزع، ويستخدم محليًا لتوليد الطاقة بخلايا الوقود وإمدادات الطاقة.
على غرار إنتاج الهيدروجين خارج الشبكة، يعد إنتاج الهيدروجين خارج الشبكة طريقة فعالة أخرى لإنتاج الهيدروجين، مما يلغي عددًا كبيرًا من المعدات المساعدة اللازمة للاتصال بالشبكة (مثل المحولات/المحولات وأنظمة التصفية)، كما يتم تقليل التكلفة بشكل كبير مقارنة بإنتاج الهيدروجين المتصل بالشبكة. يستخدم إنتاج الهيدروجين خارج الشبكة التيار المباشر، مما يتجنب بشكل فعال مشاكل فرق الطور وفرق التردد الناتجة عن الوصول إلى شبكة التيار المتردد، مما يبسط النظام ويوفر التكاليف. تجدر الإشارة إلى أنه، مقارنةً بإنتاج الهيدروجين خارج الشبكة/المتصل بالشبكة، فإن إنتاج هيدروجين التحلل المائي لطاقة الرياح والطاقة الشمسية غير المتصل بالشبكة يربط بشكل مباشر طاقة الرياح والطاقة الشمسية مع المحللات الكهربائية PEM، مما يحقق شبكات طاقة الرياح والطاقة الشمسية دون اتصال بالشبكة، وبالتالي تجنب تأثير تقلبات طاقة الرياح والطاقة الشمسية على شبكة الكهرباء. من هذه العملية، يحتاج مصدر الطاقة المتقلب في إنتاج الهيدروجين من طاقة الرياح والطاقة الشمسية غير المتصلة بالشبكة فقط إلى تحويل وتصحيح بسيط، ويتم ضبط الجهد إلى الجهد المطلوب من خلال المحول، ويتم تصحيح طاقة التيار المتردد إلى طاقة تيار مستمر.
تعد تكنولوجيا إنتاج الهيدروجين خارج الشبكة تقنية أصلية في بلدي في المجالات ذات الصلة، مما يساعد على كسر القيود التقنية لتقلبات الطاقة المتجددة. لا تخضع طاقة الرياح والطاقة الشمسية لقيود متصلة بالشبكة، ويمكن تحسين معدات توليد الطاقة من الرياح والطاقة الكهروضوئية بشكل أكبر، مما يمكن أن يقلل التكاليف بشكل كبير ويتجنب حوادث انقطاع التيار الكهربائي عن الشبكة على نطاق واسع لتوربينات الرياح/الخلايا الكهروضوئية الناجمة عن الاتصال بالشبكة، وبالتالي تحقيق حل لمشكلة استهلاك طاقة الرياح والطاقة الشمسية وتعزيز تطوير صناعة الطاقة الهيدروجينية الخضراء في نفس الوقت.

رابعا. اتجاهات تطبيق التحليل الكهربائي للمياه وإنتاج الهيدروجين من مصادر طاقة الرياح والطاقة الشمسية المتقلبة
1. الوضع الحالي واقتصاديات طاقة الرياح إلى جانب إنتاج الهيدروجين
في الوقت الحاضر، ينصب تركيز الأبحاث المحلية والأجنبية على قابلية تطبيق واقتصاد إنتاج الهيدروجين من طاقة الرياح المتصلة بالشبكة في سيناريوهات التطبيق المختلفة. يمكن لإنتاج الهيدروجين من طاقة الرياح المتصلة بالشبكة أن يمتص بشكل فعال هجر الرياح (يتم تقليل معدل هجر الرياح المقابل من 35.8% إلى 7.5%). تشمل اتجاهات البحث الرئيسية تحسين تكوين النظام ومحاكاة استراتيجية التحكم، واستكشاف تأثير الجهد والتيار ودرجة الحرارة والضغط والخصائص الكهروكيميائية لمواد الإلكترود على تشغيل معدات إنتاج الهيدروجين في ظل تغيرات متكررة في الطاقة، وتحسين التشغيل والتوقف. استراتيجيات التحكم، وإطالة عمر خدمة المحللات الكهربائية. في إنتاج الهيدروجين المقترن بطاقة الرياح، يعد إنتاج الهيدروجين من طاقة الرياح البحرية أحد الأشكال السائدة في المستقبل. في السنوات الأخيرة، تم بناء أكثر من 20 مشروعًا تجريبيًا لإنتاج طاقة الرياح المقترنة بالهيدروجين في الخارج. في أوروبا، اتجاهات البحث الرئيسية هي: استكشاف مزايا تخزين الطاقة للهيدروجين في شبكة الطاقة، وتحسين استخدام طاقة الرياح، وجودة توليد الطاقة واستقرار شبكة الطاقة؛ تنفيذ مشاريع "الطاقة إلى الغاز" لزيادة نسبة الطاقة المتجددة من خلال تخزين الهيدروجين؛ تطوير مشاريع إنتاج هيدروجين طاقة الرياح البحرية، مثل هولندا ستبني مشروع إنتاج هيدروجين طاقة الرياح البحرية بقدرة 3 ~ 4 جيجاوات في عام 2030، وتصل إلى قدرة مركبة تبلغ 10 جيجاوات وحجم إنتاج هيدروجين 8 × 105 طن في عام 2040. مقارنة بالهيدروجين التقليدي طرق الإنتاج، والتحليل الكهربائي هو عامل رئيسي في تحديد الكفاءة الاقتصادية لإنتاج الهيدروجين من طاقة الرياح. 70% من تكلفة إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للمياه تأتي من أسعار الكهرباء. وفقا لأسعار الكهرباء الحالية، فإن تكلفة إنتاج الهيدروجين من طاقة الرياح تبلغ 2 إلى 3 أضعاف تكلفة إنتاج الهيدروجين التقليدي. عندما يتم التحكم في تكلفة كيلووات/ساعة عند 0.25 يوان، فإن تكلفة إنتاج الهيدروجين من طاقة الرياح تتساوى مع تكلفة إنتاج الهيدروجين التقليدي؛ وإذا انخفض سعر الكهرباء، فسيكون لها ميزة اقتصادية.

2.الوضع الحالي واقتصاديات توليد الطاقة الكهروضوئية مقرونة بإنتاج الهيدروجين
يعد توليد الطاقة الكهروضوئية إلى جانب إنتاج الهيدروجين طريقة رئيسية أخرى لإنتاج الهيدروجين من الطاقة المتجددة.
يكمن عنق الزجاجة في تصنيع إنتاج الهيدروجين لتوليد الطاقة الكهروضوئية في التكلفة العالية. سيؤدي انخفاض تكلفة الكهرباء الضوئية إلى تقليل تكلفة إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء بشكل كبير. تشير التقديرات إلى أن تكلفة توليد الطاقة الكهروضوئية لكل كيلووات في الساعة ستكون أقل من 0.3 يوان في عام 2025، ومن المتوقع أن يكون إنتاج الهيدروجين لتوليد الطاقة الكهروضوئية متساويًا بحلول ذلك الوقت؛ وفي المناطق ذات الموارد الضوئية الوفيرة، من المتوقع أن تنخفض تكلفة إنتاج الهيدروجين لتوليد الطاقة الكهروضوئية لكل كيلووات في الساعة إلى 0.15 يوان، مما سيؤدي إلى انخفاض تكلفة إنتاج الهيدروجين. وبحلول عامي 2035 و2050، ستبلغ تكلفة توليد الطاقة الكهروضوئية لكل كيلووات/ساعة 0.2 يوان و0.13 يوان على التوالي، مما يحقق كفاءة اقتصادية جيدة في جميع الجوانب.
وفقًا لتوقعات الأبحاث الحديثة وخارطة طريق تنمية "الهيدروجين المتجدد 100" في الصين لعام 2030، فإن طاقة الرياح البرية في بلدي وتوليد الطاقة الكهروضوئية وإنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء تقترب من التكافؤ. ومع ذلك، فإن معدات إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي للماء PEM أعلى بأكثر من 5 مرات من المحلل الكهربائي القلوي، وتكلفة إنتاج الهيدروجين المستوية أعلى بحوالي 40٪. ولذلك، فإن العامل الدافع الرئيسي للتطوير المستقبلي لإنتاج الهيدروجين الكهربائي PEM هو تقليل تكاليف تصنيع المعدات وتشغيلها. مع حجم صناعة إنتاج الهيدروجين والاختراقات المستمرة في التقنيات الأساسية المقابلة، من المتوقع أن تنخفض تكلفة المحلل الكهربائي PEM بأكثر من 50%، ومن المتوقع أن تنخفض التكلفة المستوية للهيدروجين بنسبة 20%.