Développement et application d'une technologie de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau à membrane échangeuse de protons dans des conditions de fluctuations de l'énergie éolienne et solaire I

Développement et application de membrane échangeuse de protons électrolyse de l'eau production d'hydrogène technologie face aux fluctuations de l'énergie éolienne et solaire I

La tendance au réchauffement climatique est plus évidente. Le développementLe développement d’énergies propres peut réduire la grande quantité d’émissions de gaz à effet de serre générées par l’utilisation de combustibles fossiles. Par conséquent, le développement des énergies renouvelables telles que l’énergie éolienne et l’énergie solaire revêt une grande importance pour le développement durable de la société humaine. L'énergie renouvelable présente une forte dépendance temporelle et spatiale, une intermittence, une volatilité et d'autres caractéristiques. Elle est également confrontée aux difficultés de fiabilité et de régulation des pointes et des fréquences lors du raccordement au réseau. Par conséquent, convertir l’électricité issue d’énergies renouvelables en énergie chimique et la stocker avant de l’utiliser est plus flexible et constitue un moyen efficace de coordonner le développement de la source, du réseau et de la charge.

L’hydrogène présente les avantages d’être propre et d’avoir une qualité/densité énergétique élevée. Il s'agit d'un vecteur énergétique efficace qui peut remplacer les combustibles fossiles tels que le charbon et le gaz naturel dans les industries à fortes émissions de carbone, l'électricité et d'autres domaines, et qui présente de larges perspectives d'application. La production d’hydrogène à partir de l’électrolyse de l’eau à partir d’énergies renouvelables est un moyen efficace d’atteindre la consommation d’énergies renouvelables et la production d’hydrogène vert. Les technologies courantes comprennent l’électrolyse de l’eau alcaline, l’électrolyse de l’eau par membrane échangeuse de protons (PEM), l’électrolyse de l’eau par membrane échangeuse d’anions et l’électrolyse de l’eau par oxyde solide. Parmi eux, la technologie d'électrolyse de l'eau PEM présente une densité de courant élevée, une efficacité (80 % ~ 90 %), une pureté du gaz, une faible consommation et volume d'énergie, ainsi qu'une bonne sécurité et fiabilité. La recherche et le développement de la technologie d’électrolyse de l’eau PEM constituent un élément important du soutien à la réalisation de la production d’hydrogène couplée à l’énergie renouvelable et à l’électricité.

L’article se concentre sur le développement et l’application d’une technologie efficace de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau sous des sources d’énergie éolienne et solaire fluctuantes. Il discute systématiquement des problèmes existant dans la production d'hydrogène en couplant les sources d'énergie fluctuantes éoliennes et solaires sous les aspects des caractéristiques de fluctuation éolienne et solaire et des méthodes de production d'hydrogène, des caractéristiques de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau PEM et du mécanisme d'atténuation, de l'état actuel des applications de production d'hydrogène et des principales recherche et développement technologique, afin de fournir une référence de base pour le développement technologique et la recherche d'applications industrielles correspondants.

I. Production d’électricité renouvelable, d’énergie éolienne et solaire, scénarios de production d’hydrogène
Les principales formes d’énergie renouvelable sont l’énergie éolienne et la production d’énergie photovoltaïque, qui ont la propriété inhérente d’une forte volatilité. Ce n'est qu'en analysant les caractéristiques de fluctuation de l'énergie éolienne et photovoltaïque que nous pourrons identifier les conditions de base pour le développement de la technologie de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau sous des sources d'énergie éolienne et photovoltaïque fluctuantes.
1.L’énergie éolienne couplée à la production d’hydrogène
Vent La production d’hydrogène couplée à l’énergie est principalement divisée en types connectés au réseau et hors réseau. Pour l'énergie éolienne connectée au réseau, le réseau électrique réalise un contrôle de tension et de fréquence via le système de gestion de l'énergie pour garantir que la cellule électrolytique produit de l'hydrogène à une tension relativement stable ; les méthodes connectées au réseau correspondantes comprennent principalement la connexion au réseau d'énergie éolienne synchrone et la connexion au réseau d'énergie éolienne asynchrone. Il existe trois principaux scénarios d'application pour la production d'hydrogène couplée à l'énergie éolienne connectée au réseau : utiliser l'énergie éolienne excédentaire pour produire de l'hydrogène, qui joue le rôle d'« écrêtement des pointes » dans le réseau électrique ; utiliser l'énergie hydrogène et produire de l'électricité grâce à des technologies telles que les piles à combustible pour jouer le rôle de « remplir la vallée » du réseau électrique ; utiliser l’alimentation électrique du réseau pour résoudre le problème intermittent de l’énergie éolienne et améliorer la stabilité et la fiabilité du système de production d’hydrogène.
Par rapport à la méthode connectée au réseau, l'énergie éolienne hors réseau élimine les équipements auxiliaires connectés au réseau, peut éviter les problèmes causés par la connexion au réseau et réduire le coût de production d'hydrogène. En particulier pour l'énergie éolienne offshore, l'adoption de la production d'électricité hors réseau peut résoudre efficacement le problème du transport d'énergie ; Les infrastructures de transport de pétrole et de gaz naturel peuvent également servir de canal de transport pour la production d'hydrogène par l'énergie éolienne offshore, ce qui réduit considérablement le coût d'investissement du pipeline correspondant. Généralement, il existe deux principaux scénarios d'application pour la production d'hydrogène couplée à l'énergie éolienne hors réseau : l'hydrogène obtenu est exporté via des gazoducs ou des camions-citernes à hydrogène, et un système de micro-réseau est construit par l'énergie éolienne, des convertisseurs, des électrolyseurs, des équipements de stockage d'hydrogène, du carburant. cellules, etc

2. Production d’énergie photovoltaïque couplée à la production d’hydrogène
La production d’énergie photovoltaïque couplée à la production d’hydrogène peut également être divisée en types connectés au réseau et hors réseau. La production d'énergie photovoltaïque connectée au réseau couplée à la production d'hydrogène connecte l'électricité générée par les modules photovoltaïques au réseau, puis obtient de l'électricité du réseau pour électrolyser l'eau afin de produire de l'hydrogène. Il est souvent utilisé pour le stockage abandonné de lumière et d’énergie à grande échelle ; La production d'énergie photovoltaïque hors réseau couplée à la production d'hydrogène fait référence à la fourniture directe de l'électricité générée par les modules photovoltaïques aux électrolyseurs pour la production d'hydrogène, qui est principalement utilisée pour la production distribuée d'hydrogène. La production d'énergie photovoltaïque couplée à la technologie de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau PEM adopte principalement deux méthodes : le couplage indirect de conversion photovoltaïque DC-DC et le couplage direct photovoltaïque.
1). Conversion DC-DC photovoltaïque Couplage indirect Production d’hydrogène
La puissance de sortie de la production d'énergie photovoltaïque est affectée par de multiples facteurs tels que le rayonnement solaire, la température ambiante et la charge externe, ce qui rend difficile la fourniture directe de la puissance optimale pour la charge. Un convertisseur DC-DC est généralement ajouté entre le module photovoltaïque et la cellule électrolytique pour mieux faire correspondre la tension photovoltaïque et la tension de la cellule électrolytique, améliorant ainsi l'efficacité de la production d'hydrogène. La méthode couramment utilisée est le suivi de la densité de puissance maximale, par exemple en utilisant la technologie de modulation de largeur d'impulsion pour ajuster le rapport cyclique afin de suivre le point de puissance maximale et d'ajuster le contrôle robuste du courant de sortie du convertisseur. Bien que le convertisseur DC-DC puisse améliorer efficacement l'efficacité de la production d'hydrogène, l'ondulation générée par le convertisseur provoquera des erreurs dans l'évaluation du niveau du courant d'entrée, affectant ainsi l'efficacité de fonctionnement de la cellule électrolytique ; la perte provoquée par la conversion DC augmente le coût d’exploitation et affectera également la durabilité du système de production d’hydrogène et la durée de vie de l’appareil.
2). Production d’hydrogène photovoltaïque à couplage direct
Le couplage direct des dispositifs de production d'énergie photovoltaïque et des cellules électrolytiques simplifie la complexité des systèmes de production d'hydrogène couplés à la production d'énergie photovoltaïque. Par exemple, le système d'électrolyse photovoltaïque se compose de deux cellules électrolytiques PEM directement connectées à des cellules solaires photovoltaïques à trois nœuds, qui peuvent générer une tension suffisante pour maintenir le processus de production d'hydrogène de la cellule électrolytique basé sur des cellules solaires photovoltaïques ; l'ajustement du point de densité de puissance maximale photovoltaïque pour qu'il corresponde à la cellule électrolytique peut rendre l'efficacité de conversion solaire en hydrogène aussi élevée que 30 %. Cependant, en cas de couplage direct, les formes d'onde de tension et de courant de la cellule photovoltaïque agissent directement sur la cellule électrolytique, ce qui pose un défi pour le fonctionnement sûr et stable à long terme de la pile d'électrolyseur.