Trends in der Wasserstoffenergieentwicklung
Wasserstoffenergieist eine sekundäre Energiequelle, die reichlich vorhanden, umweltfreundlich, kohlenstoffarm und vielseitig einsetzbar ist. Sie entwickelt sich allmählich zu einem der wichtigsten Träger der globalen Energiewende. China ist der größte Wasserstoffproduzent der Welt und hat sich die wichtigsten Technologien und Prozesse für die Produktion, Lagerung, den Transport und die Betankung von Wasserstoff von Anfang an angeeignet, wodurch eine relativ vollständige industrielle Wasserstoffenergiekette entstanden ist. In den letzten Jahren hat sich Chinas Wasserstoffenergieindustrie rasant entwickelt, zahlreiche Teilnehmer angezogen und eine Reihe namhafter Unternehmen mit starker Wettbewerbsfähigkeit hervorgebracht. Derzeit haben führende Unternehmen der Branche Wettbewerbsvorteile erlangt, indem sie ihre technologische Forschung und Entwicklung verbessert, industrielle Kettenglieder rationalisiert, Vertriebsnetzwerke aufgebaut und professionelle Talente gefördert haben.
In Zukunft wird mit der weiteren Entwicklung der Wasserstoffenergiebranche die Nachfrage der Kunden nach Wasserstoffproduktion immer weiter steigen, was zu einer stärkeren Konsolidierung der Branche führen wird. Der Marktanteil führender Unternehmen wird schrittweise zunehmen und die Markteintrittsbarrieren im Wasserstoffenergiesektor werden stärker. Um die Ziele des CO2-Spitzenwerts und der CO2-Neutralität zu erreichen, hat China die Wasserstoffenergie als wichtigen Teil seines zukünftigen nationalen Energiesystems positioniert, als Schlüsselinstrument zur Erreichung einer grünen und kohlenstoffarmen Transformation an Energieendverbrauchsterminals und als Brennpunkt für strategische aufstrebende Industrien und zukünftige industrielle Entwicklung.
Als Reaktion auf nationale Richtlinien praktizieren Unternehmen aktiv die Dual-Carbon-Strategie und setzen ausgereifte Technologien ein, um einen langlebigen, stabilen und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Die alkalische Wasserelektrolyse zur Wasserstoffproduktion verlässt sich in erster Linie auf Technologie, um den Markt zu erobern, auf Qualität, um ihn zu festigen, und auf Service, um ihn auszubauen. Angetrieben von der Marktnachfrage, geleitet von Technologie und mit Fokus auf Qualität für den Ruf, mit Innovation als Entwicklungsweg, strebt die Branche danach, wirklich null Emissionen und Verschmutzung, lange Lebensdauer, digitale Überwachung und Bedienung, Sicherheit und unbemannte Betriebsmodi zu erreichen, mit hervorragender Qualität, pünktlicher Lieferung, angemessenen Preisen und erstklassigem Service.
Wasserstoffenergie bietet Vorteile wie keine Umweltverschmutzung, einen hohen Heizwert und Vielseitigkeit bei Speicherung und Anwendung. Die Wasserelektrolyse kann erneuerbare Energie und überschüssigen, schwankenden Strom zur Herstellung von Wasserstoff nutzen und ist damit eine der idealsten und umweltfreundlichsten Methoden zur Wasserstoffproduktion. Daher ist die Entwicklung der Elektrolyse erneuerbarer Energie zur Wasserstoffproduktion für die Energiesicherheit und die Reduzierung des CO2-Ausstoßes von großer Bedeutung. Derzeit werden jedoch nur 4 % des weltweiten Wasserstoffs durch Wasserelektrolyse erzeugt, was hauptsächlich auf die mit dieser Methode verbundenen hohen Kosten zurückzuführen ist, wobei Stromverbrauch und Elektrolyseurkosten die Hauptbeschränkungen für die Anwendung im großen Maßstab darstellen.
Unter dem Druck der Dual-Carbon-Ziele dürften Fortschritte bei der Erzeugung erneuerbarer Energien die Strompreise senken und als starker Katalysator für die Entwicklung der Wasserstoffproduktionsbranche durch Wasserelektrolyse dienen. Die alkalische Elektrolysetechnologie gewinnt aufgrund ihrer geringen Kosten, langen Lebensdauer und reichlich vorhandenen Materialquellen an Aufmerksamkeit, was sie für die Wasserstoffproduktion im großen Maßstab geeignet macht. Bei groß angelegten Wasserstoffproduktionsanwendungen ist es jedoch noch notwendig, die Stromdichte und Energieeffizienz der alkalischen Elektrolysetechnologie weiter zu verbessern, um die Geräte- und Stromkosten zu verbessern. Die Membran- und Elektrodenmaterialien spielen in diesem Prozess eine entscheidende und unersetzliche Rolle.
Zukunftsaussichten für die Technologie zur Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse
Die Kosten der Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse hängen hauptsächlich von den Stromkosten, den Investitionskosten für den Elektrolyseur und den Betriebslasten ab, wobei die Stromkosten die Empfindlichkeit der Wasserstoffproduktion um bis zu 60–70 % beeinflussen. Mit sinkenden Stromkosten wird der Anteil der Investitionskosten für die Ausrüstung allmählich steigen. Zukünftige Kostensenkungstreiber werden hauptsächlich aus niedrigeren Strompreisen, höheren Auslastungsraten der Ausrüstung und technologischen Fortschritten zur Senkung der Elektrolyseurkosten resultieren. Da die Technologie der alkalischen Elektrolyseure jedoch bereits sehr ausgereift ist, ist das Ausmaß, in dem die Kosten durch technologische Innovationen gesenkt werden können, begrenzt. Mit der weiteren industriellen Entwicklung werden sich die zukünftigen Anwendungsszenarien weiter ausweiten, und großflächige, kostengünstige und energiearme Produktion werden als Konsens für die industrielle Entwicklung anerkannt.
Klassifizierung technologischer Routen zur Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse
Es gibt vier wichtige technologische Wege zur Wasserstofferzeugung durch Wasserelektrolyse: alkalische Wasserelektrolyse (ALK), Wasserelektrolyse mit Protonenaustauschmembran (PEM), Festoxidelektrolyse (SOEC) und Wasserelektrolyse mit Anionenaustauschmembran (AEM).
Alkalische Elektrolyse (ALK): Dieser Prozess wird in einer alkalischen Elektrolytlösung (normalerweise KOH) durchgeführt, wobei OH-Ionen durch die Membran zur Anode gelangen und Elektronen verlieren, um O2 zu erzeugen, während Wasser an der Kathode Elektronen gewinnt, um H2 und OH- zu erzeugen.
Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM): Bei dieser Methode wird reines Wasser elektrolysiert. Dabei werden H2O-Moleküle an der Anode oxidiert, um Sauerstoff und H+-Ionen zu erzeugen. Das H+ (Protonen) wandert unter dem Einfluss des elektrischen Felds durch die Protonenaustauschmembran zur Kathode und unterliegt einer Reduktionsreaktion, bei der Wasserstoffgas entsteht.
Festoxidelektrolyse (SOEC): Bei diesem Verfahren werden durch Ionisierung von Wasserdampf bei hohen Temperaturen (normalerweise über 600 °C) Wasserstoff- und Sauerstoffionen erzeugt. Daher eignet es sich für die Erzeugung von Hochtemperatur-Hochdruckdampf in solarthermischen Kraftwerken.
Anionenaustauschmembranelektrolyse (AEM): Bei diesem Verfahren wird normalerweise reines Wasser oder eine alkalische Lösung mit niedriger Konzentration als Elektrolyt verwendet, wobei OH-Ionen durch die Austauschmembran zur Anode gelangen, um Wasser und Sauerstoff zu erzeugen, während Wassermoleküle an der Kathode OH- und Wasserstoffgas erzeugen.
Vergleich von Prozessrouten zur Wasserstoffherstellung
Jede Methode hat ihre eigenen Stärken und Schwächen:
Alkalische Elektrolyse (ALK)
Vorteile: Derzeit ausgereifteste Technologie mit geringen Gerätekosten.
Einschränkungen: Ätzende Flüssigkeit; hohe Betriebs- und Wartungskosten; der theoretische Wirkungsgrad ist niedriger als der von PEM und SOEC; die Anwendung in intermittierenden Stromquellen ist schwierig.
Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEM)
Vorteile: Hohe Anpassungsfähigkeit an intermittierende Stromquellen, einfache Integration mit erneuerbaren Energien wie Wind und Sonne, niedrige Betriebs- und Wartungskosten.
Einschränkungen: Hohe Gerätekosten; erfordert Edelmetallkatalysatoren.
Festoxidelektrolyse (SOEC)
Vorteile: Hohe theoretische Effizienz; es können Katalysatoren aus Nichtedelmetallen verwendet werden.
Einschränkungen: Reaktionsumgebung mit hohen Temperaturen, begrenzte Anwendungsszenarien; noch im Forschungs- und Entwicklungsstadium im Labor und noch nicht kommerzialisiert.
Anionenaustauschmembranelektrolyse (AEM)
Vorteile: Vereint die Vorteile von alkalischen und PEM-Batterien: niedrige Materialkosten, geringe Korrosivität des Elektrolyten (verdünnte alkalische Lösung oder Wasser), keine Edelmetallkatalysatoren erforderlich.
Einschränkungen: Schwierigkeiten bei der Massenproduktion von Anionenaustauschermembranen, noch in der F&E-Phase.
Der Weg der alkalischen Elektrolyse ist ausgereift, PEM weist ein starkes Wachstumspotenzial auf, während SOEC und AEM ein vielversprechendes Zukunftspotenzial haben.
