Fotovoltinės vandenilio gamybos technologija ir taikymas

Žalias vandenilis, gaminamas fotovoltinės (PV) - varomos vandens elektrolizės būdu, tapo pagrindiniu elementu pasauliniu mastu pereinant prie anglies - neutralios energijos sistemos, siūlančios tvarų energijos kaupimo, tinklo balansavimo ir anglies dioksido mažinimo kietųjų - iki - sektorių sprendimą. Šiame dokumente pateikiama išsami PV -–- vandenilio (PV - H₂) technologijos apžvalga, apimanti pagrindinius principus, techninius kelius, veikimo kliūtis ir praktinį pritaikymą.

Pasaulis susiduria su precedento neturinčiais klimato kaitos ir energetinio saugumo iššūkiais, kuriuos lemia per - priklausomybė nuo iškastinio kuro ir su tuo susijusių šiltnamio efektą sukeliančių dujų (ŠESD). Žaliasis vandenilis, gaunamas naudojant atsinaujinančią energiją vandens skaidymui, sulaukė didelio dėmesio kaip universalus energijos nešiklis ir žaliava, galinti palengvinti gilų dekarbonizaciją įvairiuose sektoriuose. Tarp atsinaujinančių energijos šaltinių saulės fotovoltinė (PV) energija yra pati gausiausia ir plačiausiai naudojama, todėl PV - varoma elektrolizė yra perspektyvus ekologiško vandenilio gamybos būdas.

1. PV - varomo vandenilio gamybos techniniai pagrindai

1.1 Fotovoltinės energijos gamyba

PV elementai saulės šviesą paverčia elektra per fotovoltinį efektą, kai fotonai sužadina elektronų - skylių poras puslaidininkinėje medžiagoje. Silicio - pagrindu pagaminti PV moduliai, įskaitant monokristalinės, polikristalinės ir plonos - plėvelės technologijas, dominuoja rinkoje dėl savo didelio efektyvumo ir ilgalaikio - patvarumo.

Vandens elektrolizės technologijos

Vandens elektrolizė yra vandens padalijimo į vandenilį ir deguonį procesas naudojant elektros energiją, apibūdinamas tokia reakcija: 2H₂O(l) → 2H₂(g)+O2(g), kurio termodinaminis potencialas yra 1,23 V, esant 25 laipsnių temperatūrai. Šiuo metu PV-H₂ taikymui naudojamos keturios pagrindinės elektrolizatoriaus technologijos:

PV-Elektrolizatoriaus movos konfigūracijos

PV sistemų integravimą su elektrolizatoriais galima suskirstyti į tris konfigūracijas:

Tiesioginis sujungimas: PV moduliai yra tiesiogiai prijungti prie elektrolizatorių be tarpinės galios elektronikos. Ši konfigūracija paprasta ir ekonomiška,

MPPT-Valdomas sujungimas: maksimalios galios taško sekimo (MPPT) valdikliai naudojami PV išvesties optimizavimui ir elektrolizatoriaus įtampos reikalavimams suderinti. Ši konfigūracija sumažina sujungimo nuostolius, bet padidina sudėtingumą ir padidina išlaidas.

Akumuliatoriaus{0}}pagalbinis sujungimas: Energijos kaupimo sistemos (pvz., ličio-jonų baterijos) yra integruotos saugoti perteklinę PV energiją ir teikti atsarginę energiją mažo-švitinimo laikotarpiais, užtikrindamos stabilų elektrolizatoriaus veikimą. Ši konfigūracija padidina sistemos patikimumą, tačiau padidina CAPEX ir reikalauja papildomos priežiūros.

2. Našumo apribojimai ir optimizavimo strategijos

2.1 Pagrindiniai efektyvumo praradimai

PV-H₂ sistemos patiria tris pagrindinius energijos nuostolių tipus:

PV konversijos nuostoliai: PV elementų neefektyvumas, įskaitant spektrinį neatitikimą, temperatūros poveikį ir šešėlių nuostolius, dėl kurių sumažėja elektros išeiga.

Elektrolizatoriaus nuostoliai: pertekliniai potencialai, susiję su vandenilio išsiskyrimo reakcija (HER) ir deguonies išsiskyrimo reakcija (OER), taip pat ominiai nuostoliai elektroduose, elektrolituose ir membranose.

Sujungimo nuostoliai: PV MPP ir elektrolizatoriaus darbinės įtampos neatitikimai, dėl kurių nepakankamai išnaudojama PV galia.

Medžiagų ir įrenginių optimizavimas

Siekiant išspręsti aukščiau paminėtas problemas, medžiagas ir įrenginius galima patobulinti šiais trimis būdais.

PV modulio naujovės: didelio{0}}efektyvumo PV elementų (pvz., perovskito-silicio tandemų) ir bifacialinių modulių kūrimas siekiant padidinti energijos surinkimą. Antiatspindinčių dangų ir šilumos valdymo sistemų naudojimas siekiant sumažinti su temperatūra susijusius nuostolius.

Elektrokatalizatoriaus kūrimas: HER ir OER nebrangių, didelio{1}} aktyvumo katalizatorių, pvz., pereinamųjų metalų oksidų (Fe₂O₃-NiOxHy) ir chalkogenidų, kūrimas, siekiant sumažinti perteklinį potencialą ir pakeisti brangius platinos grupės metalus.

Elektrolizatoriaus architektūra: optimizuojamas elementų dizainas, įskaitant elektrodų struktūrą, membranų medžiagas ir srauto lauko konfigūraciją, siekiant pagerinti masės transportavimą ir sumažinti ominius nuostolius.

Sistemos{0}}lygio integravimas

Be pirmiau minėtų trijų tikslinių metodų, tai taip pat galima atlikti integruojant sistemą.

Įtampos-atitinkančios technologijos: DC-DC keitiklių ir MPPT valdiklių naudojimas PV išėjimo įtampai suderinti su elektrolizatoriaus veikimo diapazonu.

Energijos kaupimo integravimas: baterijų, superkondensatorių arba vandenilio saugyklų derinimas (suspaudimo arba skystinimo būdu), kad sušvelnintų saulės energijos pertrūkių poveikį ir užtikrintų nuolatinį elektrolizatoriaus veikimą.

Hibridinės sistemos projektavimas: PV integravimas su kitais atsinaujinančiais energijos šaltiniais (pvz., vėjo) arba saulės energijos koncentravimu (CSP), siekiant stabilizuoti energijos sąnaudas ir pagerinti bendrą sistemos efektyvumą.

3. PV-išvestinio žaliojo vandenilio taikymas

3.1 Pramonės ir žemės ūkio žaliavos

Žaliasis vandenilis naudojamas kaip žaliava pramoniniuose procesuose, pvz., amoniako gamyboje, metanolio sintezėje ir plieno gamyboje, pakeičiant iškastinį -vandenilį ir sumažinant anglies emisiją. Pavyzdžiui, žaliojo amoniako gamyba naudojant PV-H₂ gali dekarbonizuoti žemės ūkio sektorių, kuris labai priklauso nuo azoto trąšų.

Transportas

Vandenilio kuro elementų transporto priemonės (FCV), palyginti su akumuliatorinėmis-elektrinėmis transporto priemonėmis (BEV), pasižymi dideliu-atstumo ir greito-degalų papildymo galimybėmis. PV-H₂ gali varyti lengvųjų automobilių, sunkvežimių, autobusų ir sunkiųjų{5}} transporto priemonių FCV, o tai yra nulinės-išmetimo alternatyva benzinui ir dyzelinui.

Tinklo energijos saugykla

Žaliasis vandenilis gali būti saugomas ilgą laiką ir paverčiamas atgal į elektros energiją naudojant kuro elementus didžiausios paklausos metu, pvzsudaryti sąlygas tinklo balansavimui ir remti pertrūkių atsinaujinančių energijos šaltinių integravimą.

Maitinimo-į-X (P2X) procesai

PV-gaunamas vandenilis gali būti naudojamas P2X taikymams, pvz., galia-to-(P2L) sintetiniam kurui, galia-į-šildyti (P2H) pramoniniam ir gyvenamųjų patalpų šildymui, o energijos-į-cheminius produktus (P2.C) gaminti

4.Praktinis fotovoltinės vandenilio gamybos technologijos taikymas

10 Nm³/h Saulės vandenilio elektrolizatoriaus sistema

Įrangos sąrašas

100 m³ PV vandenilio ir energijos kaupimo sistema

Įrangos sąrašas

Saulės H2 elektrinė – 1000 m³ PV vandenilio ir energijos kaupimo sistema

Įrangos sąrašas

Projekto produkto svetainė: https://www.solarmoo.com/solar-hydrogen/

5. Iššūkiai ir ateities perspektyvos

Dabartiniai iššūkiai

Sąnaudų konkurencingumas: dėl didelės PV-H₂ sistemų, ypač skirtų elektrolizatoriams ir PV moduliams, CAPEX, žalias vandenilis yra brangesnis nei pilkasis vandenilis (gaunamas iš gamtinių dujų).

Patvarumas ir patikimumas: elektrolizatoriai susiduria su iššūkiais, susijusiais su ilgalaikiu- veikimu, įskaitant katalizatoriaus skilimą, membranos užsiteršimą ir koroziją, kurios turi įtakos sistemos eksploatavimo trukmei.

Mastelio keitimas: didelio{0}}masto PV-H₂ projektams reikia daug žemės, vandens ir infrastruktūros, o tai kai kuriuose regionuose gali būti ribota.

Ateities tyrimų kryptys

Pažangios medžiagos: naujos -kartos PV elementų (pvz., perovskito-silicio tandemų) ir elektrolizatoriaus komponentų (pvz., kryžminių -AEM membranų, didelio-stabilumo ne-kilnių katalizatorių) kūrimas, siekiant pagerinti efektyvumą ir sumažinti išlaidas.

Sistemos optimizavimas: dirbtinio intelekto (AI) ir mašininio mokymosi (ML) diegimas, skirtas energijos valdymui realiuoju laiku ir numatomai priežiūrai, didinant sistemos patikimumą ir našumą.

Politikos ir rinkos palaikymas: palankios politikos, pvz., anglies kainodaros ir ekologiško vandenilio subsidijų, nustatymas, siekiant paskatinti investicijas ir sumažinti sąnaudų skirtumą naudojant iškastinį -vandenilį.

PV-varoma vandenilio gamyba yra daug žadanti tvarios energetikos ateičiai, siūlanti švarų ir atsinaujinantį vandenilio gamybos būdą. Nepaisant dabartinių iššūkių, buvo padaryta didelė pažanga gerinant sistemos efektyvumą, mažinant sąnaudas ir plečiant taikomąsias programas. Integruojant medžiagų naujoves, sistemų inžineriją ir politikos palaikymą, PV-H₂ technologija gali atlikti lemiamą vaidmenį siekiant pasaulinių anglies neutralumo tikslų.