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 III

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 III

III. Recherche et développement de la technologie de base de l'électrolyseur PEM et direction du développement de la technologie de production d'hydrogène de l'électrolyseur PEM

1. Recherche et développement sur la technologie des électrolyseurs PEM
La plage de fluctuation de puissance de la production d’hydrogène éolienne et solaire est large, et les effets négatifs sur équipement de production d'hydrogène se traduisent par une réduction significative de la durée de vie des équipements et de la pureté de l'hydrogène produit. Ces effets sont causés par l'atténuation des principaux composants de l'électrolyseur PEM dans des conditions d'alimentation électrique fluctuante éolienne et solaire. D'un point de vue technique, le principal défi auquel est confronté l'électrolyseur PEM est de savoir comment améliorer les performances de travail et la stabilité grâce à la recherche et au développement de matériaux, au processus d'assemblage et à l'optimisation. La recherche et le développement de matériaux avancés comprennent des couches catalytiques et des matériaux adhésifs, des plaques bipolaires résistantes à la corrosion, des membranes échangeuses d'ions organiques et d'autres directions. Le processus d'assemblage et l'optimisation des composants de l'électrolyseur comprennent principalement l'optimisation de la méthode de préparation des électrodes à membrane, l'optimisation de la précharge de l'ensemble électrolyseur, l'optimisation de la température de l'électrode à membrane/de l'électrolyseur et de la répartition des contraintes thermiques, ainsi que l'optimisation des canaux d'écoulement. Ces dernières années, l’électrode à membrane a été la principale direction de recherche de l’électrolyseur PEM.
En se concentrant sur les principaux composants des catalyseurs d'électrolyseurs, des membranes échangeuses, des plaques bipolaires, etc., les principaux moyens de mener à bien la recherche et le développement des catalyseurs sont : l'amélioration de l'activité et de la stabilité des catalyseurs par dopage composite binaire ou multimétallique ; sélectionner des matériaux de surface résistants à l'oxydation et hautement spécifiques comme supports de catalyseur pour améliorer le taux d'utilisation et l'activité des catalyseurs ; concevoir de nouveaux catalyseurs structurels, tels que des structures cœur-coquille et des nanoréseaux. Parmi les membranes échangeuses actuellement utilisées, les membranes protoniques d'acide perfluorosulfonique de DuPont sont les plus courantes, et les membranes protoniques d'acide perfluorosulfonique à chaîne courte de marques telles que Dow Chemical, 3M, Gore et Asahi Glass sont également utilisées. Afin d'améliorer la stabilité de la membrane échangeuse, des polymères de polyarylène sont généralement utilisés pour renforcer et modifier la membrane, et des matériaux catalytiques sont utilisés pour modifier le diaphragme afin de réduire le croisement du gaz produit. Le coût des plaques bipolaires représente plus de 50 % du coût de l'électrolyseur, et les revêtements en métaux précieux sont généralement configurés pour améliorer la résistance à la corrosion. Les travaux futurs visant à réduire les coûts de fabrication se concentreront principalement sur de nouveaux matériaux de plaques bipolaires et processus de traitement de surface à faible coût.
En termes de processus d'assemblage et d'optimisation, les recherches actuelles se concentrent sur la conception asymétrique cathode/anode, l'optimisation de la fixation des composants électrolytiques en connectant la position de la carte, etc. Afin de s'adapter aux fluctuations de l'alimentation électrique, certaines études ont exploré l'influence de l'eau. changements de débit dans l'électrolyseur, distribution des canalisations d'alimentation en eau et structure des électrodes à membrane sur la perméation des gaz des deux côtés, changements de température et de pression, densité de courant, etc. Pour les composants centraux de l'électrolyseur, les processus de membrane de revêtement de catalyseur les plus couramment utilisés sont pulvérisation ultrasonique et revêtement rouleau à rouleau : par rapport au premier, le second utilise un revêtement unique de la couche de catalyseur, ce qui permet d'obtenir un revêtement plus épais et plus uniforme plus rapidement et de répondre aux besoins de la production en série d'électrodes à membrane. Afin d'éviter les perforations, les fissures, les contraintes mécaniques, l'humidification insuffisante et la pression de réaction provoquées par l'assemblage, les propriétés des matériaux utilisés sont généralement entièrement étudiées lors de la conception de l'électrode à membrane et de son processus de serrage, et des tests de chargement sont effectués sur la base de dispositifs expérimentaux.

Pour évaluer la durée de vie des composants soumis à des démarrages et des arrêts fréquents et à une alimentation électrique fluctuante éolienne-solaire, davantage de données doivent être obtenues grâce à des tests accélérés pour améliorer la durabilité des composants de la pile, ce qui constitue un autre défi de la recherche et du développement actuel. Cependant, il n'existe pas de protocole standardisé de test de décroissance accélérée pour les composants de l'électrolyseur PEM, et le taux de dégradation des composants des composants de l'empilement est difficile à mesurer, ce qui rend difficile la comparaison directe des résultats de recherche existants. L’établissement d’un protocole standardisé de test de décroissance accélérée des électrolyseurs PEM est un problème de goulot d’étranglement qui doit être résolu de toute urgence dans le cadre de la recherche et du développement technologique clé actuel.
Ces dernières années, la recherche technique et le développement des composants clés des électrolyseurs PEM ont réalisé des progrès significatifs. Selon la voie technique de la Chine pour la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau, les indicateurs techniques clés actuels des électrolyseurs PEM sont : une efficacité d'environ 63 %, une durée de vie d'environ 6 × 104 h et un coût d'environ 10 000 yuans/kW. On s'attend à ce que d'ici 2030, les indicateurs techniques clés des électrolyseurs PEM soient : une efficacité de 78 %, une durée de vie de 1 × 105 h et un coût réduit à 4 000 yuans/kW.

2. Orientation du développement de la technologie de production d'hydrogène par électrolyseur PEM
Le principe de la production d'hydrogène éolienne-solaire est d'achever la conversion de l'énergie éolienne/solaire en électricité, puis de convertir l'électricité en énergie hydrogène via un électrolyseur. Il existe actuellement quatre principales technologies d'électrolyse de l'eau, parmi lesquelles la technologie d'électrolyse de l'eau alcaline est la plus mature et la moins coûteuse, et est entrée dans la phase de développement commercial ; mais la technologie d'électrolyse de l'eau PEM se développe rapidement, et elle a une bonne adaptabilité à l'énergie éolienne et solaire, et sera la direction privilégiée pour la production d'hydrogène provenant d'énergies renouvelables à l'avenir.
À l’heure actuelle, les principales méthodes de production d’hydrogène par couplage éolien-solaire sont hors réseau et connectées au réseau. Bien que la production d’hydrogène connectée au réseau surmonte la volatilité de l’énergie de production d’hydrogène, elle se heurte aux problèmes de prix élevés de l’électricité et d’accès limité au réseau. La méthode hors réseau fournit l'électricité générée par une ou plusieurs éoliennes (sans passer par le réseau) à l'équipement de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau pour la production d'hydrogène. Il est adapté aux zones disposant de bonnes ressources éoliennes mais d'une consommation limitée, et dispose d'un modèle économique robuste et de larges perspectives de développement ; il est principalement utilisé pour la production distribuée d’hydrogène et est utilisé localement pour la production d’électricité par pile à combustible et l’approvisionnement en énergie.
Semblable à la production d'hydrogène hors réseau, la production d'hydrogène hors réseau est un autre moyen efficace de produire de l'hydrogène, qui élimine un grand nombre d'équipements auxiliaires requis pour la connexion au réseau (tels que les convertisseurs/transformateurs, les systèmes de filtrage), et le coût est considérablement réduit. par rapport à la production d’hydrogène connectée au réseau. La production d'hydrogène hors réseau utilise le courant continu, évitant ainsi les problèmes de différence de phase et de différence de fréquence causés par l'accès au réseau AC, simplifiant ainsi le système et réduisant les coûts. Il convient de noter que, par rapport à la production d'hydrogène hors réseau/connectée au réseau, la production d'hydrogène par hydrolyse éolienne et solaire non connectée au réseau couple directement l'énergie éolienne et solaire avec des électrolyseurs PEM, réalisant ainsi un réseau d'énergie éolienne et solaire sans connexion au réseau, évitant ainsi l'impact des fluctuations de l'énergie éolienne et solaire sur le réseau électrique. À partir de ce processus, la source d'énergie fluctuante dans la production d'hydrogène éolienne et solaire non connectée au réseau n'a besoin que d'une simple transformation et rectification, et la tension est ajustée à la tension requise via le transformateur, et le courant alternatif est redressé en courant continu.
La technologie de production d'hydrogène hors réseau est une technologie originale en Chine dans des domaines connexes, qui contribue à briser les limites techniques des énergies renouvelables fluctuantes. L'énergie éolienne et solaire ne sont pas soumises aux contraintes de connexion au réseau, et les équipements de production d'énergie éolienne et photovoltaïque peuvent être davantage optimisés, ce qui peut réduire considérablement les coûts et éviter les accidents de coupure d'énergie éolienne/photovoltaïque à grande échelle causés par la connexion au réseau, parvenir à la solution au problème de la consommation d’énergie éolienne et solaire et promouvoir en même temps le développement de l’industrie de l’énergie verte à base d’hydrogène.

IV. Tendances des applications de l’électrolyse de l’eau et de la production d’hydrogène à partir de sources d’énergie éoliennes et solaires fluctuantes
1. État actuel et économie de la production d’hydrogène couplée à l’énergie éolienne
À l’heure actuelle, les recherches nationales et étrangères se concentrent sur l’applicabilité et l’économie de la production d’hydrogène éolienne connectée au réseau dans différents scénarios d’application. La production d'hydrogène éolienne connectée au réseau peut absorber efficacement l'abandon de l'énergie éolienne (le taux d'abandon de l'énergie éolienne correspondant est réduit de 35,8 % à 7,5 %). Les principales orientations de recherche comprennent l'optimisation de la configuration du système et la simulation de la stratégie de contrôle, explorant principalement l'impact de la tension, du courant, de la température, de la pression et des propriétés électrochimiques des matériaux d'électrode sur le fonctionnement des équipements de production d'hydrogène sous de fréquents changements de puissance, en optimisant le fonctionnement et les démarrages et arrêts. stratégies de contrôle et prolongation de la durée de vie des électrolyseurs. Dans la production d’hydrogène couplée à l’énergie éolienne, la production d’hydrogène par l’énergie éolienne offshore est l’une des formes les plus répandues à l’avenir. Ces dernières années, plus de 20 projets de démonstration de production d’hydrogène couplés à l’énergie éolienne ont été construits à l’étranger. En Europe, les principales orientations de recherche sont les suivantes : explorer les avantages du stockage d'énergie de l'hydrogène dans le réseau électrique, améliorer l'utilisation de l'énergie éolienne, la qualité de la production d'électricité et la stabilité du réseau électrique ; mener des projets de « power-to-gas » pour augmenter la part des énergies renouvelables grâce au stockage de l'hydrogène ; développer des projets de production d'hydrogène par l'énergie éolienne offshore, tels que les Pays-Bas construiront un projet de production d'hydrogène par l'énergie éolienne offshore de 3 à 4 GW en 2030 et atteindront une capacité installée de 10 GW et une échelle de production d'hydrogène de 8 × 105 t en 2040. Par rapport à l'hydrogène traditionnel méthodes de production, l’électrolyse est un facteur clé pour déterminer l’efficacité économique de la production d’hydrogène éolienne. 70 % du coût de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau provient du prix de l’électricité. Selon les prix actuels de l’électricité, le coût de la production d’hydrogène par l’énergie éolienne est 2 à 3 fois supérieur à celui de la production d’hydrogène traditionnelle. Lorsque le coût du kilowattheure est contrôlé à 0,25 yuan, le coût de la production d'hydrogène par l'énergie éolienne est comparable à celui de la production d'hydrogène traditionnelle ; si le prix de l’électricité baisse, cela aura un avantage économique.

2. Situation actuelle et économie de la production d’énergie photovoltaïque couplée à la production d’hydrogène
La production d’énergie photovoltaïque couplée à la production d’hydrogène constitue un autre moyen majeur de produire de l’hydrogène à partir d’énergies renouvelables.
Le goulot d’étranglement de l’industrialisation de la production d’hydrogène par production d’énergie photovoltaïque réside dans son coût élevé. La baisse du coût de l’électricité photovoltaïque réduira fortement le coût de la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau. On estime que le coût de la production d'énergie photovoltaïque par kilowattheure sera inférieur à 0,3 yuan en 2025, et la production d'hydrogène par production d'énergie photovoltaïque devrait alors atteindre la parité ; dans les zones disposant d'abondantes ressources lumineuses, le coût de la production d'hydrogène par kilowattheure pour la production d'énergie photovoltaïque devrait chuter à 0,15 yuan, ce qui réduira encore davantage le coût de la production d'hydrogène. D'ici 2035 et 2050, le coût de la production d'énergie photovoltaïque par kilowattheure sera respectivement de 0,2 yuan et 0,13 yuan, ce qui permettra d'obtenir une bonne efficacité économique dans tous les aspects.
Selon les prévisions de recherche récentes et la « Feuille de route de développement de l'hydrogène renouvelable 100 pour la Chine à l'horizon 2030 », la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau de la Chine en matière d'énergie éolienne terrestre et de production d'énergie photovoltaïque est proche de la parité. Cependant, l'équipement de production d'hydrogène par électrolyse de l'eau PEM est plus de 5 fois plus élevé que les électrolyseurs alcalins, et le coût actualisé de production d'hydrogène est d'environ 40 % plus élevé. Par conséquent, le facteur clé pour le développement futur de la production d’hydrogène par électrolyseur PEM est de réduire les coûts de fabrication et d’exploitation des équipements. Avec l'ampleur de l'industrie de production d'hydrogène et les percées continues dans les technologies de base correspondantes, le coût des électrolyseurs PEM devrait être réduit de plus de 50 %, et le coût actualisé de l'hydrogène devrait être réduit de 20 %.