Trends in de ontwikkeling van waterstofenergie
Waterstofenergieis een secundaire energiebron die overvloedig, groen, koolstofarm en breed toepasbaar is. Het wordt geleidelijk een van de belangrijkste dragers in de wereldwijde energietransitie. China is de grootste waterstofproducent ter wereld en beheerst aanvankelijk de belangrijkste technologieën en processen met betrekking tot waterstofproductie, -opslag, -transport en -tanken, waardoor een relatief complete industriële waterstofenergieketen is ontstaan. De afgelopen jaren heeft de Chinese waterstofenergie-industrie zich snel ontwikkeld, met veel deelnemers en een aantal bekende bedrijven met een sterke concurrentiekracht. Momenteel hebben toonaangevende bedrijven in de industrie concurrentievoordelen behaald door technologisch onderzoek en ontwikkeling te verbeteren, industriële ketenschakels te stroomlijnen, verkoopnetwerken op te bouwen en professioneel talent te cultiveren.
In de toekomst, naarmate de waterstofenergie-industrie zich blijft ontwikkelen, zal de vraag van klanten naar waterstofproductie steeds groter worden, wat zal leiden tot sterkere consolidatie in de industrie. Het marktaandeel van toonaangevende bedrijven zal geleidelijk toenemen en de toetredingsdrempels in de waterstofenergiesector zullen duidelijker worden. Om de doelstellingen voor koolstofpiek en koolstofneutraliteit te bereiken, heeft China waterstofenergie gepositioneerd als een belangrijk onderdeel van zijn toekomstige nationale energiesysteem, een belangrijk voertuig voor het bereiken van groene en koolstofarme transformatie bij terminals voor energie-eindgebruik, en een brandpunt voor strategische opkomende industrieën en toekomstige industriële ontwikkeling.
Als reactie op nationaal beleid passen bedrijven actief de dual-carbonstrategie toe, waarbij ze volwassen technologieën gebruiken om een stabiele en betrouwbare werking met een lange cyclus te garanderen. Alkalische waterelektrolyse voor waterstofproductie is voornamelijk afhankelijk van technologie om de markt te veroveren, kwaliteit om deze te consolideren en service om deze uit te breiden. Gedreven door de vraag van de markt, geleid door technologie en gericht op kwaliteit voor reputatie, met innovatie als pad voor ontwikkeling, streeft de industrie ernaar om echt nul emissies en vervuiling, een lange levensduur, digitale bewaking en bediening, veiligheid en onbemande bedrijfsmodi te bereiken, met uitstekende kwaliteit, tijdige levering, redelijke prijzen en eersteklas service.
Waterstofenergie heeft voordelen zoals nul vervuiling, hoge calorische waarde en veelzijdigheid in opslag en toepassing. Elektrolyse van water kan hernieuwbare energie en overtollige fluctuerende elektriciteit gebruiken om waterstof te produceren, wat het een van de meest ideale en milieuvriendelijke methoden voor waterstofproductie maakt. Daarom is de ontwikkeling van hernieuwbare energie-elektrolyse voor waterstofproductie belangrijk voor energiezekerheid en CO2-reductie. Momenteel wordt echter slechts 4% van de waterstof wereldwijd geproduceerd via waterelektrolyse, voornamelijk vanwege de hoge kosten die gepaard gaan met deze methode, waarbij elektriciteitsverbruik en elektrolyzerkosten belangrijke beperkingen zijn voor grootschalige toepassing.
Onder impuls van de dual-carbon-doelen wordt verwacht dat de vooruitgang in technologieën voor de opwekking van hernieuwbare energie de elektriciteitsprijzen zal drukken, wat een krachtige katalysator zal zijn voor de ontwikkeling van de waterstofproductie-industrie voor waterelektrolyse. Alkalische elektrolysetechnologie krijgt aandacht vanwege de lage kosten, lange levensduur en overvloedige materiaalbronnen, waardoor het geschikt is voor grootschalige waterstofproductie. Bij grootschalige waterstofproductietoepassingen is het echter nog steeds noodzakelijk om de stroomdichtheid en energie-efficiëntie van alkalische elektrolysetechnologie verder te verbeteren om de apparatuur en elektriciteitskosten te verbeteren. De membraan- en elektrodematerialen spelen een cruciale en onvervangbare rol in dit proces.
Toekomstperspectief voor waterelektrolyse waterstofproductietechnologie
De kosten van waterstofproductie door middel van waterelektrolyse zijn voornamelijk afhankelijk van elektriciteitskosten, investeringskosten voor elektrolyzers en bedrijfslasten, waarbij elektriciteitskosten de gevoeligheid van waterstofproductie met 60-70% beïnvloeden. Naarmate de elektriciteitskosten dalen, zal het aandeel van de investeringskosten voor apparatuur geleidelijk toenemen. Toekomstige kostenbesparende factoren zullen voornamelijk voortkomen uit lagere elektriciteitsprijzen, hogere benuttingspercentages van apparatuur en technologische vooruitgang om de kosten van elektrolyzers te verlagen. Omdat de technologie voor alkalische elektrolyzers echter al zeer volwassen is, is de mate waarin kosten kunnen worden verlaagd door technologische innovatie beperkt. Met verdere industriële ontwikkeling zullen toekomstige toepassingsscenario's zich blijven uitbreiden en worden grootschalige, goedkope en energiezuinige toepassingen erkend als consensus voor industriële ontwikkeling.
Classificatie van technologische routes voor waterelektrolyse waterstofproductie
Er zijn vier belangrijke technologische routes voor waterstofproductie via waterelektrolyse: alkalische waterelektrolyse (ALK), protonuitwisselingsmembraanwaterelektrolyse (PEM), vaste-oxide-elektrolyse (SOEC) en anionuitwisselingsmembraanwaterelektrolyse (AEM).
Alkalische elektrolyse (ALK):Dit proces wordt uitgevoerd in een alkalische elektrolytoplossing (meestal KOH), waarbij OH--ionen door het membraan naar de anode stromen en elektronen verliezen om O2 te produceren, terwijl water bij de kathode elektronen opneemt om H2 en OH- te produceren.
Protonenuitwisselingsmembraanelektrolyse (PEM): Deze methode elektrolyseert zuiver water, waarbij H2O-moleculen bij de anode worden geoxideerd om zuurstof en H+-ionen te genereren. De H+ (protonen) migreren door het protonenuitwisselingsmembraan naar de kathode onder invloed van het elektrische veld en ondergaan een reductiereactie om waterstofgas te genereren.
Vaste-oxide-elektrolyse (SOEC):Bij dit proces wordt waterdamp geïoniseerd om waterstof- en zuurstofionen te genereren bij hoge temperaturen, doorgaans boven de 600 °C. Hierdoor is het geschikt voor de productie van stoom met een hoge temperatuur en hoge druk in zonnethermische energiesystemen.
Anionenuitwisselingsmembraanelektrolyse (AEM):Bij dit proces wordt doorgaans zuiver water of een alkalische oplossing met een lage concentratie gebruikt als elektrolyt, waarbij OH--ionen door het uitwisselingsmembraan stromen om de anode te bereiken en daar water en zuurstof te genereren, terwijl watermoleculen bij de kathode OH-- en waterstofgas produceren.
Vergelijking van waterstofproductieprocesroutes
Elke methode heeft zijn eigen sterke en zwakke punten:
Alkalische elektrolyse (ALK)
Voordelen: Momenteel de meest volwassen technologie met lage apparatuurkosten.
Beperkingen: Corrosieve vloeistof; hoge operationele en onderhoudskosten; theoretisch rendement is lager dan dat van PEM en SOEC; lastig toe te passen in intermitterende energiebronnen.
Protonenuitwisselingsmembraanelektrolyse (PEM)
Voordelen: Hoge aanpasbaarheid aan intermitterende energiebronnen, eenvoudig te integreren met hernieuwbare energiebronnen zoals wind en zon; lage operationele en onderhoudskosten.
Beperkingen: Hoge apparatuurkosten; vereist edelmetaalkatalysatoren.
Vaste-oxide-elektrolyse (SOEC)
Voordelen: Hoge theoretische efficiëntie; kan gebruik maken van niet-edele metaalkatalysatoren.
Beperkingen: Reactieomgeving bij hoge temperaturen, beperkte toepassingsscenario's; nog in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase in het laboratorium en nog niet op de markt gebracht.
Anionenuitwisselingsmembraanelektrolyse (AEM)
Voordelen: Combineert de voordelen van alkalisch en PEM: lage materiaalkosten; lage corrosiviteit van de elektrolyt (verdunde alkalische oplossing of water); vereist geen edelmetaalkatalysatoren.
Beperkingen: Problemen bij de massaproductie van anionenuitwisselingsmembranen, die zich nog in de onderzoeks- en ontwikkelingsfase bevinden.
De alkalische elektrolysemethode is volwassen, PEM vertoont een sterk groeipotentieel, terwijl SOEC en AEM veelbelovende toekomstmogelijkheden hebben.
