Xu hướng phát triển năng lượng hydro
Năng lượng hydrolà nguồn năng lượng thứ cấp dồi dào, xanh, ít carbon và có thể ứng dụng rộng rãi. Nó đang dần trở thành một trong những nguồn năng lượng quan trọng trong quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu. Trung Quốc là nước sản xuất hydro lớn nhất thế giới, ban đầu đã làm chủ được các công nghệ và quy trình then chốt liên quan đến sản xuất, lưu trữ, vận chuyển và tiếp nhiên liệu hydro, do đó hình thành nên chuỗi công nghiệp năng lượng hydro tương đối hoàn chỉnh. Trong những năm gần đây, ngành năng lượng hydro của Trung Quốc đã phát triển nhanh chóng, thu hút nhiều đối tượng tham gia và sản sinh ra một số công ty nổi tiếng có sức cạnh tranh mạnh mẽ. Hiện nay, các công ty hàng đầu trong ngành đã thiết lập được lợi thế cạnh tranh thông qua việc tăng cường nghiên cứu và phát triển công nghệ, hợp lý hóa các liên kết chuỗi công nghiệp, xây dựng mạng lưới bán hàng và bồi dưỡng nhân tài chuyên nghiệp.
Trong tương lai, khi ngành năng lượng hydro tiếp tục phát triển, nhu cầu của khách hàng đối với sản xuất hydro sẽ ngày càng tăng, dẫn đến sự hợp nhất mạnh mẽ hơn của ngành. Thị phần của các công ty hàng đầu sẽ dần tăng lên và các rào cản gia nhập vào lĩnh vực năng lượng hydro sẽ trở nên rõ rệt hơn. Để đạt được mục tiêu đạt đỉnh carbon và trung hòa carbon, Trung Quốc đã định vị năng lượng hydro là một phần quan trọng trong hệ thống năng lượng quốc gia trong tương lai, một phương tiện chính để đạt được sự chuyển đổi xanh và carbon thấp tại các nhà ga sử dụng năng lượng cuối cùng và là trọng tâm cho các ngành công nghiệp mới nổi chiến lược và phát triển công nghiệp trong tương lai.
Để ứng phó với các chính sách quốc gia, các công ty đang tích cực thực hiện chiến lược carbon kép, sử dụng các công nghệ tiên tiến để đảm bảo hoạt động ổn định, đáng tin cậy và chu kỳ dài. Điện phân nước kiềm để sản xuất hydro chủ yếu dựa vào công nghệ để nắm bắt thị trường, chất lượng để củng cố thị trường và dịch vụ để mở rộng thị trường. Được thúc đẩy bởi nhu cầu thị trường, dẫn đầu bởi công nghệ và tập trung vào chất lượng để tạo uy tín, với sự đổi mới là con đường phát triển, ngành công nghiệp này hướng đến mục tiêu thực sự đạt được mục tiêu không phát thải và ô nhiễm, tuổi thọ dài, giám sát và vận hành kỹ thuật số, an toàn và chế độ vận hành không người lái, với chất lượng tuyệt vời, cung cấp kịp thời, giá cả hợp lý và dịch vụ hàng đầu.
Năng lượng hydro tự hào có những ưu điểm như không gây ô nhiễm, giá trị nhiệt cao và tính linh hoạt trong lưu trữ và ứng dụng. Điện phân nước có thể sử dụng năng lượng tái tạo và điện dao động dư thừa để sản xuất hydro, khiến nó trở thành một trong những phương pháp lý tưởng và thân thiện với môi trường nhất để sản xuất hydro. Do đó, việc phát triển điện phân năng lượng tái tạo để sản xuất hydro có ý nghĩa quan trọng đối với an ninh năng lượng và giảm CO2. Tuy nhiên, hiện nay chỉ có 4% hydro trên toàn cầu được sản xuất thông qua điện phân nước, chủ yếu là do chi phí cao liên quan đến phương pháp này, trong đó mức tiêu thụ điện và chi phí điện phân là những hạn chế chính đối với ứng dụng quy mô lớn.
Dưới sự thúc đẩy của các mục tiêu carbon kép, những tiến bộ trong công nghệ tạo ra năng lượng tái tạo dự kiến sẽ làm giảm giá điện, đóng vai trò là chất xúc tác mạnh mẽ cho sự phát triển của ngành sản xuất hydro điện phân nước. Công nghệ điện phân kiềm đang được chú ý vì chi phí thấp, tuổi thọ cao và nguồn vật liệu dồi dào, khiến nó phù hợp để sản xuất hydro quy mô lớn. Tuy nhiên, trong các ứng dụng sản xuất hydro quy mô lớn, vẫn cần phải nâng cao hơn nữa mật độ dòng điện và hiệu quả năng lượng của công nghệ điện phân kiềm để cải thiện thiết bị và chi phí điện. Vật liệu màng và điện cực đóng vai trò quan trọng và không thể thay thế trong quá trình này.
Triển vọng tương lai cho công nghệ sản xuất hydro điện phân nước
Chi phí sản xuất hydro thông qua điện phân nước chủ yếu phụ thuộc vào chi phí điện, chi phí đầu tư máy điện phân và tải vận hành, trong đó chi phí điện ảnh hưởng đến độ nhạy sản xuất hydro lên tới 60-70%. Khi chi phí điện giảm, tỷ lệ chi phí đầu tư thiết bị sẽ tăng dần. Các động lực giảm chi phí trong tương lai chủ yếu sẽ bắt nguồn từ giá điện thấp hơn, tỷ lệ sử dụng thiết bị tăng và những tiến bộ công nghệ để giảm chi phí máy điện phân. Tuy nhiên, vì công nghệ máy điện phân kiềm đã rất trưởng thành nên mức độ chi phí có thể giảm thông qua đổi mới công nghệ là có hạn. Với sự phát triển công nghiệp hơn nữa, các kịch bản ứng dụng trong tương lai sẽ tiếp tục mở rộng và quy mô lớn, chi phí thấp và mức tiêu thụ năng lượng thấp được công nhận là sự đồng thuận cho sự phát triển công nghiệp.
Phân loại các tuyến công nghệ điện phân nước sản xuất hydro
Có bốn phương pháp công nghệ chính để sản xuất hydro thông qua điện phân nước: điện phân nước kiềm (ALK), điện phân nước màng trao đổi proton (PEM), điện phân oxit rắn (SOEC) và điện phân nước màng trao đổi anion (AEM).
Điện phân kiềm (ALK):Quá trình này được thực hiện trong dung dịch điện phân kiềm (thường là KOH), trong đó các ion OH- đi qua màng đến cực dương, mất electron để tạo ra O2, trong khi nước ở cực âm nhận electron để tạo ra H2 và OH-.
Điện phân màng trao đổi proton (PEM):Phương pháp này điện phân nước tinh khiết, trong đó các phân tử H2O bị oxy hóa ở anot để tạo ra các ion oxy và H+. H+ (proton) di chuyển qua màng trao đổi proton đến catot dưới tác động của điện trường và trải qua phản ứng khử để tạo ra khí hydro.
Điện phân oxit rắn (SOEC):Quá trình này bao gồm việc ion hóa hơi nước để tạo ra các ion hydro và oxy ở nhiệt độ cao, thường là trên 600°C, phù hợp để sản xuất hơi nước nhiệt độ cao, áp suất cao trong các hệ thống năng lượng nhiệt mặt trời.
Điện phân màng trao đổi anion (AEM):Quá trình này thường sử dụng nước tinh khiết hoặc dung dịch kiềm nồng độ thấp làm chất điện phân, trong đó các ion OH- đi qua màng trao đổi để đến cực dương để tạo ra nước và oxy, trong khi các phân tử nước ở cực âm tạo ra khí OH- và hydro.
So sánh các tuyến đường sản xuất hydro
Mỗi phương pháp đều có những ưu và nhược điểm riêng:
Điện phân kiềm (ALK)
Thuận lợi:Công nghệ tiên tiến nhất hiện nay với chi phí thiết bị thấp.
Hạn chế: Chất lỏng ăn mòn; chi phí vận hành và bảo trì cao; hiệu suất lý thuyết thấp hơn PEM và SOEC; khó áp dụng trong các nguồn điện không liên tục.
Điện phân màng trao đổi proton (PEM)
Thuận lợi:Khả năng thích ứng cao với các nguồn điện không liên tục, dễ dàng tích hợp với năng lượng tái tạo như gió và mặt trời; chi phí vận hành và bảo trì thấp.
Hạn chế: Chi phí thiết bị cao; đòi hỏi chất xúc tác là kim loại quý.
Điện phân oxit rắn (SOEC)
Thuận lợi: Hiệu suất lý thuyết cao; có thể sử dụng chất xúc tác là kim loại không quý.
Hạn chế: Môi trường phản ứng ở nhiệt độ cao, khả năng ứng dụng hạn chế; vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển trong phòng thí nghiệm và chưa được thương mại hóa.
Điện phân màng trao đổi anion (AEM)
Thuận lợi:Kết hợp các ưu điểm của kiềm và PEM: chi phí vật liệu thấp; tính ăn mòn của chất điện phân thấp (dung dịch kiềm loãng hoặc nước); không yêu cầu chất xúc tác là kim loại quý.
Hạn chế: Khó khăn trong việc sản xuất hàng loạt màng trao đổi anion, vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển.
Tuyến đường điện phân kiềm đã hoàn thiện, PEM cho thấy tiềm năng tăng trưởng mạnh mẽ, trong khi SOEC và AEM có tiềm năng tương lai đầy hứa hẹn.
