Zaļais ūdeņradis, ko iegūst, izmantojot fotoelementu (PV) - darbināmu ūdens elektrolīzi, ir kļuvis par galveno elementu globālajā pārejā uz oglekļa - neitrālu enerģijas sistēmu, piedāvājot ilgtspējīgu risinājumu enerģijas uzglabāšanai, tīkla līdzsvarošanai un dekarbonizācijai cietās - līdz - samazināšanas nozarēs. Šajā rakstā ir sniegts visaptverošs pārskats par PV - līdz - ūdeņraža (PV - H₂) tehnoloģiju, ietverot pamatprincipus, tehniskos ceļus, veiktspējas vājās vietas un praktisku pielietojumu.
Pasaule saskaras ar nepieredzētām problēmām saistībā ar klimata pārmaiņām un energoapgādes drošību, ko izraisa vairāk nekā - atkarība no fosilā kurināmā un ar to saistītās siltumnīcefekta gāzu (SEG) emisijas. Zaļais ūdeņradis, kas iegūts, izmantojot atjaunojamo enerģiju ūdens sadalīšanai, ir ieguvis ievērojamu uzmanību kā daudzpusīgs enerģijas nesējs un izejviela, kas var veicināt dziļu dekarbonizāciju dažādās nozarēs. No atjaunojamiem enerģijas avotiem saules fotoelementu (PV) enerģija ir visizplatītākā un visplašāk izmantojamā, padarot PV - darbinātu elektrolīzi par daudzsološu ceļu zaļā ūdeņraža ražošanai.
1. PV - darbināmas ūdeņraža ražošanas tehniskie pamati
1.1. Fotogalvaniskās enerģijas ražošana
PV šūnas pārvērš saules gaismu elektrībā, izmantojot fotoelektrisko efektu, kur fotoni ierosina elektronu - caurumu pārus pusvadītāju materiālā. Silīcija - bāzes PV moduļi, tostarp monokristāliskas, polikristāliskas un plānās - plēves tehnoloģijas, dominē tirgū, pateicoties to augstajai efektivitātei un ilgstošai - izturībai.
Ūdens elektrolīzes tehnoloģijas
Ūdens elektrolīze ir ūdens sadalīšanas process ūdeņradī un skābeklī, izmantojot elektrisko enerģiju, ko raksturo šāda reakcija: 2H₂O(l) → 2H₂(g)+O₂(g), ar termodinamisko potenciālu 1,23 V 25 grādu temperatūrā. Pašlaik PV-H₂ lietojumos tiek izmantotas četras galvenās elektrolizatoru tehnoloģijas:
|
Elektrolizatora tips |
Darba temperatūra |
Efektivitāte |
Ieguldījumu kapitāls |
Galvenās priekšrocības |
Galvenie ierobežojumi |
|
Sārmainā ūdens elektrolīze (AWE) |
Zems (20 - 80 grāds) |
65% - 75% |
Zems |
Nobrieduši, zemu - izmaksu materiāli, augsta mērogojamība |
Zems strāvas blīvums, lēna OER kinētika, elektrolītu pārvaldība |
|
Protonu apmaiņas membrānas elektrolīze (PEMWE) |
Zems (20 - 80 grāds) |
70% - 80% |
Augsts |
Augsts strāvas blīvums, ātra dinamiska reakcija, kompakts dizains |
Dārgas membrānas un katalizatori (platīna grupas metāli), izturības problēmas |
|
Anjonu apmaiņas membrānas ūdens elektrolīze (AEMWE) |
Zems (20–80 grādi) |
68%–78% |
Vidēja |
Nav nepieciešami cēlmetālu katalizatori, augsts strāvas blīvums, elastīga elektrolītu savietojamība |
Membrānas vadītspējas pasliktināšanās, ierobežota{0}}ilgtermiņa izturība, materiālu sintēzes problēmas |
|
Cietā oksīda ūdens elektrolīze (SOWE) |
Augsts (700 - 850 grāds) |
80% - 90% |
Augsts |
Augsta efektivitāte, šķidrā ūdens vietā izmanto tvaiku |
Darbība ar augstu - temperatūru, materiāla noārdīšanās, lēna palaišana |
PV-Elektrolizatora sakabes konfigurācijas
PV sistēmu integrāciju ar elektrolizatoriem var iedalīt trīs konfigurācijās:
Tieša savienošana: PV moduļi ir tieši savienoti ar elektrolizatoriem bez starpposma jaudas elektronikas. Šī konfigurācija ir vienkārša un rentabla, taču tā cieš no ievērojamiem enerģijas zudumiem, ko izraisa neatbilstība starp PV maksimālās jaudas punktu (MPP) un elektrolizatora darba spriegumu (1,6–2,0 V).
MPPT-Kontrolēta sakabe: maksimālā jaudas punkta izsekošanas (MPPT) kontrolleri tiek izmantoti, lai optimizētu PV izvadi un atbilstu elektrolizatora sprieguma prasībām. Šī konfigurācija samazina savienojuma zudumus, bet palielina sarežģītību un izmaksas.
Akumulatora-savienojums: Enerģijas uzglabāšanas sistēmas (piem., litija-jonu akumulatori) ir integrētas, lai uzglabātu lieko PV enerģiju un nodrošinātu rezerves jaudu zema -starojuma periodos, nodrošinot stabilu elektrolizatora darbību. Šī konfigurācija uzlabo sistēmas uzticamību, bet palielina CAPEX un prasa papildu apkopi.
2. Veiktspējas ierobežojumi un optimizācijas stratēģijas
2.1. Galvenie efektivitātes zudumi
PV-H₂sistēmas saskaras ar trīs galvenajiem enerģijas zudumu veidiem:
PV konversijas zudumi: PV elementu neefektivitāte, tostarp spektrālā neatbilstība, temperatūras efekti un ēnojuma zudumi, kas samazina elektroenerģijas jaudu.
Elektrolizatora zudumi: pārmērīgi potenciāli, kas saistīti ar ūdeņraža evolūcijas reakciju (HER) un skābekļa izdalīšanās reakciju (OER), kā arī omi zudumi elektrodos, elektrolītos un membrānās.
Savienojuma zudumi: neatbilstība starp PV MPP un elektrolizatora darba spriegumu, kas izraisa nepietiekamu PV jaudas izmantošanu.
Materiālu un ierīču optimizācija
Lai risinātu iepriekš minētās problēmas, materiālus un ierīces var uzlabot šādos trīs veidos.
PV moduļu jauninājumi: augstas -efektivitātes PV elementu (piemēram, perovskīta-silīcija tandēmu) un bifaciālu moduļu izstrāde, lai palielinātu enerģijas uztveršanu. Pretatstarojošu pārklājumu un termiskās pārvaldības sistēmu izmantošana, lai samazinātu ar temperatūru{6}}saistītus zudumus.
Elektrokatalizatoru izstrāde: zemu -izmaksu, augstas{1} aktivitātes katalizatoru projektēšana HER un OER, piemēram, pārejas metālu oksīdus (Fe₂O₃-NiOxHy) un halkogenīdus, lai samazinātu pārpotenciālu un aizstātu dārgos platīna grupas metālus.
Elektrolizatora arhitektūra: optimizējiet šūnu dizainu, tostarp elektrodu struktūru, membrānas materiālus un plūsmas lauka konfigurāciju, lai uzlabotu masas transportēšanu un samazinātu omu zudumus.
Sistēmas{0}}līmeņa integrācija
Papildus trim iepriekš minētajām mērķmetodēm to var izdarīt arī ar sistēmas integrāciju.
Sprieguma-atbilstošās tehnoloģijas: līdzstrāvas-līdzstrāvas pārveidotāju un MPPT kontrolleru izmantošana, lai saskaņotu PV izejas spriegumu ar elektrolizatora darbības diapazonu.
Enerģijas uzglabāšanas integrācija: bateriju, superkondensatoru vai ūdeņraža uzglabāšanas apvienošana (izmantojot kompresiju vai sašķidrināšanu), lai mazinātu saules enerģijas pārtraukuma ietekmi un nodrošinātu nepārtrauktu elektrolizatora darbību.
Hibrīda sistēmas projektēšana: PV integrēšana ar citiem atjaunojamiem enerģijas avotiem (piemēram, vējš) vai saules enerģijas koncentrēšana (CSP), lai stabilizētu enerģijas ievadi un uzlabotu sistēmas vispārējo efektivitāti.
3. PV-atvasinātā zaļā ūdeņraža pielietojumi
3.1. Rūpniecības un lauksaimniecības izejvielas
Zaļais ūdeņradis tiek izmantots kā izejviela rūpnieciskos procesos, piemēram, amonjaka ražošanā, metanola sintēzē un tērauda ražošanā, aizstājot fosilo{0}}ūdeņradi un samazinot oglekļa emisijas. Piemēram, zaļā amonjaka ražošana, izmantojot PV-H₂, var dekarbonizēt lauksaimniecības nozari, kas lielā mērā ir atkarīga no slāpekļa mēslošanas līdzekļiem.
Transports
Ūdeņraža degvielas šūnu transportlīdzekļi (FCV) piedāvā liela-darbības attāluma un ātras-degvielas uzpildes iespējas salīdzinājumā ar akumulatoru-elektriskajiem transportlīdzekļiem (BEV). PV-H₂ var darbināt FCV vieglajām automašīnām, kravas automašīnām, autobusiem un lieljaudas{5}}transportlīdzekļiem, nodrošinot nulles-emisiju alternatīvu benzīnam un dīzeļdegvielai.
Tīkla enerģijas uzglabāšana
Zaļo ūdeņradi var uzglabāt ilgu laiku un pārveidot atpakaļ elektroenerģijā, izmantojot kurināmā elementus maksimālā pieprasījuma laikā, piemēram,nodrošināt tīkla balansēšanu un atbalstīt periodisku atjaunojamo enerģijas avotu integrāciju.
Power-to-X (P2X) procesi
No PV-atvasināto ūdeņradi var izmantot P2X lietojumos, piemēram, no jaudas-līdz-šķidrumam (P2L) sintētiskajai degvielai, jauda-uz-apkurei (P2H) rūpnieciskai un dzīvojamo māju apkurei un no jaudas-līdz-ķimikāliju ražošanai (P2.C).
4. Fotoelementu ūdeņraža ražošanas tehnoloģijas praktiskā pielietošana
10 Nm³/h Saules ūdeņraža elektrolizatora sistēma
Aprīkojuma saraksts
|
Nē. |
Vienums |
Apraksts |
Daudzums |
Vienība |
|
1 |
Ūdeņraža ražošanas sistēmas |
KAS-10, 10 Nm³/h sārmainā ūdeņraža ģenerators, >99,9999% tīrība, mazāka vai vienāda ar 30 min aukstā palaišana, Mazāks vai vienāds ar 10 s dinamiskā atbilde, -71 grāds rasas punkts, 0,7 MPa izejas spiediens, 380 V 50 Hz maiņstrāva, 50 kW jauda, |
1 |
gab |
|
2 |
Saules panelis |
Mono 580 W |
172 |
gab |
|
3 |
Montāžas konstrukcija |
Uz jumta uzstādītā saules paneļa montāžas konstrukcija |
1 |
komplekts |
|
4 |
Hibrīda invertors |
100 kW |
1 |
gab |
|
5 |
Akumulators |
51.2V/200AH/10KWh |
2 |
gab |
|
6 |
Kombinētāja kaste |
6ie1ār |
2 |
gab |
|
7 |
Kabelis |
6mm2 kabelis, sarkans un melns |
1200 |
mtr |
|
8 |
PV savienotājs |
Saderīgs ar MC4 |
24 |
pāri |
100 m³ PV ūdeņraža un enerģijas uzglabāšanas sistēma
Aprīkojuma saraksts
|
Nē. |
Vienums |
Apraksts |
Daudzums |
Vienība |
|
1 |
Ūdeņraža ražošanas sistēmas |
KAM-100 Lielāka vai vienāda ar 99,98% ūdeņraža tīrības pakāpi, mazāka vai vienāda ar 30 min aukstās palaišanas laiks, |
1 |
gab |
|
2 |
Saules panelis |
Mono 580 W |
1660 |
gab |
|
3 |
Montāžas konstrukcija |
Uz jumta uzstādītā saules paneļa montāžas konstrukcija |
1 |
komplekts |
|
4 |
Hibrīda invertors |
500 kW |
2 |
gab |
|
5 |
Akumulators |
716.8V/280AH/200KWh |
10 |
gab |
|
6 |
Kabelis |
6mm2 kabelis, sarkans un melns |
7200 |
mtr |
|
7 |
PV savienotājs |
Saderīgs ar MC4 |
240 |
pāri |
Saules H2 stacija – 1000 m³ PV ūdeņraža un enerģijas uzglabāšanas sistēma
Aprīkojuma saraksts
|
Nē. |
Vienums |
Apraksts |
Daudzums |
Vienība |
|
1 |
Ūdeņraža ražošanas sistēmas |
KAR-1000 |
1 |
gab |
|
2 |
Saules panelis |
Mono 580 W |
25584 |
gab |
|
3 |
Montāžas konstrukcija |
Uz jumta uzstādītā saules paneļa montāžas konstrukcija |
1 |
komplekts |
|
4 |
uz tīkla invertoru |
350 kW |
82 |
gab |
|
|
PCS/akumulators (pēc izvēles) |
|||
|
5 |
iestatīt-transformatoru |
800V-10kv/5000kva |
6 |
gab |
|
6 |
Kabelis |
6mm2 kabelis, sarkans un melns |
118100 |
mtr |
|
7 |
PV savienotājs |
Saderīgs ar MC4 |
3936 |
pāri |
Projekta produkta vietne: https://www.solarmoo.com/solar-hydrogen/
5. Izaicinājumi un nākotnes perspektīvas
Pašreizējie izaicinājumi
Izmaksu konkurētspēja: PV-H₂ sistēmu augstā CAPEX, jo īpaši elektrolizatoriem un PV moduļiem, padara zaļo ūdeņradi dārgāku nekā pelēko ūdeņradi (ražots no dabasgāzes).
Izturība un uzticamība: elektrolizatori saskaras ar problēmām, kas saistītas ar ilgstošu-darbību, tostarp katalizatora noārdīšanos, membrānas piesārņojumu un koroziju, kas ietekmē sistēmas kalpošanas laiku.
Mērogojamība: liela{0}}apjoma PV-H₂ projektiem nepieciešama ievērojama zeme, ūdens un infrastruktūra, kas dažos reģionos var būt ierobežota.
Nākotnes pētniecības virzieni
Uzlaboti materiāli: nākamās -paaudzes PV elementu (piem., perovskīta-silīcija tandēmu) un elektrolizatora komponentu (piem., šķērssavienotu-AEM membrānu, augstas-stabilitātes ne-augstvērtīgu katalizatoru izstrāde, lai uzlabotu efektivitāti un samazinātu izmaksas.
Sistēmas optimizācija: mākslīgā intelekta (AI) un mašīnmācīšanās (ML) ieviešana reāllaika-enerģijas pārvaldībai un paredzamai apkopei, uzlabojot sistēmas uzticamību un veiktspēju.
Politika un tirgus atbalsts: labvēlīgu politiku, piemēram, oglekļa cenu noteikšana un zaļā ūdeņraža subsīdijas, izveide, lai veicinātu ieguldījumus un samazinātu izmaksu atšķirību, izmantojot fosilo{0}}ūdeņradi.
Ūdeņraža ražošana ar PV-nodrošina lielu solījumu ilgtspējīgai enerģijas nākotnei, piedāvājot tīru un atjaunojamu ūdeņraža ražošanas ceļu. Neskatoties uz pašreizējām problēmām, ir panākts ievērojams progress sistēmas efektivitātes uzlabošanā, izmaksu samazināšanā un lietojumprogrammu paplašināšanā. Integrējot materiālu inovāciju, sistēmu inženieriju un politikas atbalstu, PV-H₂ tehnoloģijai var būt izšķiroša nozīme globālo oglekļa neitralitātes mērķu sasniegšanā.
