Τάσεις στην Ανάπτυξη της Ενέργειας Υδρογόνου
Ενέργεια υδρογόνουείναι μια δευτερεύουσα πηγή ενέργειας που είναι άφθονη, πράσινη, χαμηλών εκπομπών άνθρακα και ευρέως εφαρμόσιμη. Σταδιακά γίνεται ένας από τους σημαντικούς φορείς στην παγκόσμια ενεργειακή μετάβαση. Η Κίνα είναι ο μεγαλύτερος παραγωγός υδρογόνου στον κόσμο, έχοντας αρχικά κατακτήσει βασικές τεχνολογίες και διαδικασίες που σχετίζονται με την παραγωγή, αποθήκευση, μεταφορά και ανεφοδιασμό υδρογόνου, σχηματίζοντας έτσι μια σχετικά πλήρη βιομηχανική αλυσίδα ενέργειας υδρογόνου. Τα τελευταία χρόνια, η βιομηχανία ενέργειας υδρογόνου της Κίνας έχει αναπτυχθεί γρήγορα, προσελκύοντας πολλούς συμμετέχοντες και παράγοντας μια σειρά από γνωστές εταιρείες με ισχυρή ανταγωνιστική ισχύ. Επί του παρόντος, κορυφαίες εταιρείες στον κλάδο έχουν δημιουργήσει ανταγωνιστικά πλεονεκτήματα μέσω της ενίσχυσης της τεχνολογικής έρευνας και ανάπτυξης, του εξορθολογισμού των δεσμών βιομηχανικών αλυσίδων, της δημιουργίας δικτύων πωλήσεων και της καλλιέργειας επαγγελματικών ταλέντων.
Στο μέλλον, καθώς η βιομηχανία ενέργειας υδρογόνου συνεχίζει να εξελίσσεται, οι απαιτήσεις των πελατών για παραγωγή υδρογόνου θα αυξάνονται ολοένα και περισσότερο, οδηγώντας σε ισχυρότερη ενοποίηση της βιομηχανίας. Το μερίδιο αγοράς των κορυφαίων εταιρειών θα αυξηθεί σταδιακά και τα εμπόδια εισόδου στον τομέα της ενέργειας υδρογόνου θα γίνουν πιο έντονα. Για την επίτευξη των στόχων αιχμής άνθρακα και ουδετερότητας άνθρακα, η Κίνα έχει τοποθετήσει την ενέργεια υδρογόνου ως σημαντικό μέρος του μελλοντικού εθνικού ενεργειακού της συστήματος, βασικό όχημα για την επίτευξη πράσινου μετασχηματισμού και χαμηλών εκπομπών άνθρακα σε τερματικούς σταθμούς τελικής χρήσης ενέργειας και σημείο εστίασης για στρατηγικές αναδυόμενες βιομηχανίες και μελλοντική βιομηχανική ανάπτυξη.
Ως απάντηση στις εθνικές πολιτικές, οι εταιρείες εφαρμόζουν ενεργά τη στρατηγική διπλού άνθρακα, χρησιμοποιώντας ώριμες τεχνολογίες για να εξασφαλίσουν μακροχρόνια, σταθερή και αξιόπιστη λειτουργία. Η ηλεκτρόλυση αλκαλικού νερού για την παραγωγή υδρογόνου βασίζεται κυρίως στην τεχνολογία για την κατάκτηση της αγοράς, στην ποιότητα για την εδραίωση της και στην υπηρεσία για την επέκτασή της. Με γνώμονα τη ζήτηση της αγοράς, καθοδηγούμενη από την τεχνολογία και εστιασμένη στην ποιότητα για τη φήμη, με την καινοτομία ως δρόμο για την ανάπτυξη, η βιομηχανία στοχεύει να επιτύχει πραγματικά μηδενικές εκπομπές και ρύπανση, μεγάλη διάρκεια ζωής, ψηφιακή παρακολούθηση και λειτουργία, ασφάλεια και τρόπους μη επανδρωμένης λειτουργίας , με εξαιρετική ποιότητα, έγκαιρη προμήθεια, λογικές τιμές και κορυφαία εξυπηρέτηση.
Η ενέργεια του υδρογόνου διαθέτει πλεονεκτήματα όπως μηδενική ρύπανση, υψηλή θερμιδική αξία και ευελιξία στην αποθήκευση και εφαρμογή. Η ηλεκτρόλυση του νερού μπορεί να χρησιμοποιήσει ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και πλεονάζουσα κυμαινόμενη ηλεκτρική ενέργεια για την παραγωγή υδρογόνου, καθιστώντας την μια από τις πιο ιδανικές και φιλικές προς το περιβάλλον μεθόδους παραγωγής υδρογόνου. Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη της ηλεκτρόλυσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την παραγωγή υδρογόνου είναι σημαντική για την ενεργειακή ασφάλεια και τη μείωση του CO2. Ωστόσο, επί του παρόντος μόνο το 4% του υδρογόνου παράγεται παγκοσμίως μέσω ηλεκτρόλυσης νερού, κυρίως λόγω του υψηλού κόστους που σχετίζεται με αυτή τη μέθοδο, όπου η κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και το κόστος του ηλεκτρολύτη αποτελούν βασικούς περιορισμούς για εφαρμογή μεγάλης κλίμακας.
Υπό την ώθηση των στόχων διπλού άνθρακα, οι εξελίξεις στις τεχνολογίες παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές αναμένεται να μειώσουν τις τιμές ηλεκτρικής ενέργειας, χρησιμεύοντας ως ισχυρός καταλύτης για την ανάπτυξη της βιομηχανίας παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση νερού. Η τεχνολογία αλκαλικής ηλεκτρόλυσης κερδίζει την προσοχή για το χαμηλό κόστος, τη μεγάλη διάρκεια ζωής και τις άφθονες πηγές υλικών, καθιστώντας την κατάλληλη για μεγάλης κλίμακας παραγωγή υδρογόνου. Ωστόσο, σε εφαρμογές παραγωγής υδρογόνου μεγάλης κλίμακας, είναι ακόμη απαραίτητο να ενισχυθεί περαιτέρω η πυκνότητα ρεύματος και η ενεργειακή απόδοση της τεχνολογίας αλκαλικής ηλεκτρόλυσης για τη βελτίωση του κόστους εξοπλισμού και ηλεκτρικής ενέργειας. Τα υλικά της μεμβράνης και των ηλεκτροδίων παίζουν καθοριστικό και αναντικατάστατο ρόλο σε αυτή τη διαδικασία.
Μελλοντικές προοπτικές για την τεχνολογία παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση νερού
Το κόστος παραγωγής υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης νερού εξαρτάται κυρίως από το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας, το κόστος επένδυσης του ηλεκτρολύτη και τα λειτουργικά φορτία, με το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας να επηρεάζει την ευαισθησία παραγωγής υδρογόνου έως και 60-70%. Καθώς το κόστος ηλεκτρικής ενέργειας μειώνεται, το ποσοστό του κόστους επένδυσης σε εξοπλισμό θα αυξηθεί σταδιακά. Οι μελλοντικοί παράγοντες μείωσης του κόστους θα προέλθουν κυρίως από τις χαμηλότερες τιμές ηλεκτρικής ενέργειας, τα αυξημένα ποσοστά χρήσης εξοπλισμού και τις τεχνολογικές εξελίξεις για τη μείωση του κόστους ηλεκτρολύτη. Ωστόσο, καθώς η τεχνολογία αλκαλικών ηλεκτρολύτη είναι ήδη πολύ ώριμη, ο βαθμός στον οποίο μπορεί να μειωθεί το κόστος μέσω της τεχνολογικής καινοτομίας είναι περιορισμένος. Με περαιτέρω βιομηχανική ανάπτυξη, τα μελλοντικά σενάρια εφαρμογών θα συνεχίσουν να διευρύνονται και η μεγάλης κλίμακας, χαμηλού κόστους και χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας αναγνωρίζεται ως συναίνεση για τη βιομηχανική ανάπτυξη.
Ταξινόμηση Τεχνολογικών Διαδρομών Παραγωγής Υδρογόνου με Ηλεκτρόλυση Νερού
Υπάρχουν τέσσερις κύριες τεχνολογικές οδοί για την παραγωγή υδρογόνου μέσω ηλεκτρόλυσης νερού: ηλεκτρόλυση αλκαλικού νερού (ΑΛΚ), ηλεκτρόλυση νερού με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM), ηλεκτρόλυση στερεού οξειδίου (SOEC) και ηλεκτρόλυση νερού με μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων (ΑΕΜ).
Αλκαλική Ηλεκτρόλυση (ΑΛΚ): Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται σε ένα διάλυμα αλκαλικού ηλεκτρολύτη (συνήθως ΚΟΗ), όπου ιόντα ΟΗ- διέρχονται μέσω της μεμβράνης προς την άνοδο, χάνοντας ηλεκτρόνια για να παράγουν Ο2, ενώ το νερό στην κάθοδο κερδίζει ηλεκτρόνια για να παράγει Η2 και ΟΗ-.
Ηλεκτρόλυση μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM): Αυτή η μέθοδος ηλεκτρολύει το καθαρό νερό, όπου τα μόρια H2O οξειδώνονται στην άνοδο για να δημιουργήσουν οξυγόνο και ιόντα Η+. Τα Η+ (πρωτόνια) μεταναστεύουν μέσω της μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων στην κάθοδο υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου και υφίστανται μια αντίδραση αναγωγής για την παραγωγή αερίου υδρογόνου.
Ηλεκτρόλυση στερεού οξειδίου (SOEC): Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει ιονισμό υδρατμών για τη δημιουργία ιόντων υδρογόνου και οξυγόνου σε υψηλές θερμοκρασίες, συνήθως πάνω από 600°C, καθιστώντας την κατάλληλη για την παραγωγή ατμού υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης σε συστήματα ηλιακής θερμικής ενέργειας.
Ηλεκτρόλυση μεμβράνης ανταλλαγής ανιόντων (ΑΕΜ): Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιεί συνήθως καθαρό νερό ή αλκαλικό διάλυμα χαμηλής συγκέντρωσης ως ηλεκτρολύτη, όπου τα ιόντα ΟΗ διέρχονται μέσω της μεμβράνης ανταλλαγής για να φτάσουν στην άνοδο για να δημιουργήσουν νερό και οξυγόνο, ενώ τα μόρια νερού στην κάθοδο παράγουν ΟΗ- και αέριο υδρογόνο.
Σύγκριση Διαδρομών Διαδικασιών Παραγωγής Υδρογόνου
Κάθε μέθοδος έχει τα δικά της πλεονεκτήματα και περιορισμούς:
Αλκαλική Ηλεκτρόλυση (ΑΛΚ)
Φόντα: Αυτή τη στιγμή η πιο ώριμη τεχνολογία με χαμηλό κόστος εξοπλισμού.
Περιορισμοί: Διαβρωτικό υγρό. υψηλό κόστος λειτουργίας και συντήρησης· η θεωρητική απόδοση είναι χαμηλότερη από αυτή των PEM και SOEC. είναι δύσκολο να εφαρμοστεί σε διακοπτόμενες πηγές ενέργειας.
Ηλεκτρόλυση μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM)
Φόντα: Υψηλή προσαρμοστικότητα σε διακοπτόμενες πηγές ενέργειας, εύκολη ενσωμάτωση με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως η αιολική και η ηλιακή ενέργεια. χαμηλό κόστος λειτουργίας και συντήρησης.
Περιορισμοί: Υψηλό κόστος εξοπλισμού. απαιτεί καταλύτες πολύτιμων μετάλλων.
Ηλεκτρόλυση στερεού οξειδίου (SOEC)
Φόντα: Υψηλή θεωρητική απόδοση. μπορεί να χρησιμοποιήσει καταλύτες μη πολύτιμων μετάλλων.
Περιορισμοί: Περιβάλλον αντίδρασης υψηλής θερμοκρασίας, περιορισμένα σενάρια εφαρμογής. βρίσκεται ακόμη στο στάδιο της εργαστηριακής Ε&Α και δεν έχει ακόμη εμπορευματοποιηθεί.
Ηλεκτρόλυση μεμβράνης ανταλλαγής ανιόντων (ΑΕΜ)
Φόντα: Συνδυάζει τα πλεονεκτήματα του αλκαλικού και του PEM: χαμηλό κόστος υλικού. χαμηλή διαβρωτικότητα του ηλεκτρολύτη (αραιό αλκαλικό διάλυμα ή νερό). δεν απαιτεί καταλύτες πολύτιμων μετάλλων.
Περιορισμοί: Δυσκολίες στη μαζική παραγωγή μεμβρανών ανταλλαγής ανιόντων, ακόμα σε φάση Ε&Α.
Η οδός της αλκαλικής ηλεκτρόλυσης είναι ώριμη, το PEM παρουσιάζει ισχυρό δυναμικό ανάπτυξης, ενώ το SOEC και το ΑΕΜ έχουν πολλά υποσχόμενο μελλοντικό δυναμικό.
