Тенденции развития водородной энергетики
Водородная энергетикаявляется вторичным источником энергии, который является обильным, зеленым, низкоуглеродным и широко применимым. Он постепенно становится одним из важных носителей в глобальном энергетическом переходе. Китай является крупнейшим производителем водорода в мире, изначально освоив ключевые технологии и процессы, связанные с производством, хранением, транспортировкой и заправкой водорода, тем самым сформировав относительно полную промышленную цепочку водородной энергетики. В последние годы водородная энергетическая промышленность Китая быстро развивалась, привлекая многочисленных участников и создавая ряд известных компаний с сильной конкурентоспособностью. В настоящее время ведущие компании в отрасли создали конкурентные преимущества за счет улучшения технологических исследований и разработок, оптимизации связей промышленной цепи, построения сетей продаж и развития профессиональных талантов.
В будущем, по мере того, как водородная энергетика будет продолжать развиваться, требования клиентов к производству водорода будут все больше расти, что приведет к более сильной консолидации отрасли. Рыночная доля ведущих компаний будет постепенно увеличиваться, а барьеры для входа в сектор водородной энергетики станут более выраженными. Для достижения целей углеродного пика и углеродной нейтральности Китай позиционирует водородную энергетику как важную часть своей будущей национальной энергетической системы, ключевое средство для достижения зеленой и низкоуглеродной трансформации на конечных энергетических терминалах и центральную точку для стратегически новых отраслей и будущего промышленного развития.
В ответ на национальную политику компании активно практикуют стратегию двойного углерода, используя зрелые технологии для обеспечения длительного цикла, стабильной и надежной работы. Электролиз щелочной воды для производства водорода в первую очередь полагается на технологию для захвата рынка, качество для его консолидации и обслуживание для его расширения. Движимая рыночным спросом, ведомая технологиями и сосредоточенная на качестве для репутации, с инновациями как путем развития, отрасль стремится действительно достичь нулевых выбросов и загрязнения, длительного срока службы, цифрового мониторинга и эксплуатации, безопасности и режимов работы без участия человека, с отличным качеством, своевременными поставками, разумными ценами и первоклассным обслуживанием.
Водородная энергия может похвастаться такими преимуществами, как нулевое загрязнение, высокая теплотворная способность и универсальность в хранении и применении. Электролиз воды может использовать возобновляемую энергию и излишки флуктуирующего электричества для производства водорода, что делает его одним из самых идеальных и экологически чистых методов производства водорода. Поэтому развитие электролиза возобновляемой энергии для производства водорода имеет важное значение для энергетической безопасности и сокращения выбросов CO2. Однако в настоящее время только 4% водорода в мире производится посредством электролиза воды, в первую очередь из-за высоких затрат, связанных с этим методом, где потребление электроэнергии и стоимость электролизера являются ключевыми ограничениями для крупномасштабного применения.
Под влиянием целей двойного углерода ожидается, что достижения в области технологий генерации возобновляемой энергии приведут к снижению цен на электроэнергию, что послужит мощным катализатором для развития отрасли производства водорода методом электролиза воды. Технология щелочного электролиза привлекает внимание своей низкой стоимостью, длительным сроком службы и обильными источниками материалов, что делает ее пригодной для крупномасштабного производства водорода. Однако в крупномасштабных приложениях по производству водорода по-прежнему необходимо дальнейшее повышение плотности тока и энергоэффективности технологии щелочного электролиза для улучшения ее оборудования и стоимости электроэнергии. Мембранные и электродные материалы играют решающую и незаменимую роль в этом процессе.
Перспективы развития технологии производства водорода методом электролиза воды
Стоимость производства водорода путем электролиза воды в основном зависит от стоимости электроэнергии, инвестиционных затрат на электролизер и эксплуатационных нагрузок, при этом стоимость электроэнергии влияет на чувствительность производства водорода до 60-70%. По мере снижения стоимости электроэнергии доля инвестиционных затрат на оборудование будет постепенно увеличиваться. Будущие драйверы снижения затрат будут в основном исходить из более низких цен на электроэнергию, более высоких показателей использования оборудования и технологических достижений для снижения стоимости электролизера. Однако, поскольку технология щелочного электролизера уже очень зрелая, степень, в которой затраты могут быть снижены за счет технологических инноваций, ограничена. С дальнейшим развитием промышленности будущие сценарии применения будут продолжать расширяться, и крупномасштабное, недорогое и низкое потребление энергии признаются консенсусом для промышленного развития.
Классификация технологических схем получения водорода электролизом воды
Существует четыре основных технологических пути получения водорода путем электролиза воды: щелочной электролиз воды (ЩЭВ), электролиз воды с использованием протонообменной мембраны (ПЭМ), электролиз твердооксидных соединений (ТОСО) и электролиз воды с использованием анионообменной мембраны (АЭМ).
Щелочной электролиз (ЩЭ): Этот процесс осуществляется в щелочном растворе электролита (обычно КОН), где ионы ОЙ- проходят через мембрану к аноду, теряя электроны и образуя O2, в то время как вода на катоде приобретает электроны и образует H2 и ОЙ-.
Электролиз с протонообменной мембраной (ПЕМ): Этот метод электролизует чистую воду, где молекулы H2O окисляются на аноде с образованием кислорода и ионов H+. H+ (протоны) мигрируют через протонообменную мембрану к катоду под воздействием электрического поля и подвергаются реакции восстановления с образованием газообразного водорода.
Электролиз твердого оксида (СОЭК): Этот процесс включает ионизацию водяного пара для получения ионов водорода и кислорода при высоких температурах, обычно выше 600 °C, что делает его пригодным для производства высокотемпературного пара высокого давления в солнечных тепловых энергосистемах.
Электролиз анионообменной мембраны (АЭМ): В этом процессе в качестве электролита обычно используется чистая вода или слабоконцентрированный щелочной раствор, где ионы ОЙ- проходят через обменную мембрану, чтобы достичь анода и образовать воду и кислород, в то время как молекулы воды на катоде образуют ОЙ- и водород.
Сравнение технологических маршрутов производства водорода
Каждый метод имеет свои сильные стороны и ограничения:
Щелочной электролиз (ЩЭ)
Преимущества: В настоящее время это наиболее зрелая технология с низкими затратами на оборудование.
Ограничения: Коррозионная жидкость; высокие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание; теоретическая эффективность ниже, чем у ПЕМ и СОЭК; сложно применять в непостоянных источниках питания.
Электролиз с протонообменной мембраной (ПЕМ)
Преимущества: Высокая приспособляемость к непостоянным источникам питания, простая интеграция с возобновляемыми источниками энергии, такими как ветер и солнце; низкие затраты на эксплуатацию и обслуживание.
Ограничения: Высокая стоимость оборудования; требуются катализаторы из драгоценных металлов.
Электролиз твердого оксида (СОЭК)
Преимущества: Высокая теоретическая эффективность; можно использовать катализаторы на основе недрагоценных металлов.
Ограничения: Высокотемпературная реакционная среда, ограниченные сценарии применения; все еще находится на стадии лабораторных исследований и разработок и еще не выведен на рынок.
Электролиз анионообменной мембраны (АЭМ)
Преимущества: Сочетает в себе преимущества щелочных и ПЭМ-систем: низкие материальные затраты; низкая коррозионная активность электролита (разбавленный щелочной раствор или вода); не требует катализаторов на основе драгоценных металлов.
Ограничения: Трудности в массовом производстве анионообменных мембран, все еще находящихся на стадии НИОКР.
Метод щелочного электролиза является зрелым, ПЕМ демонстрирует большой потенциал роста, в то время как СОЭК и АЭМ имеют многообещающий будущий потенциал.
