풍력 및 태양광 발전변동에 따른 양성자교환막수 전기분해 수소생산 기술 개발 및 응용Ⅰ

개발 및 적용 양성자 교환막 물 전기분해 수소 생산 풍력 및 태양광 발전 변동에 따른 기술 I

지구 온난화의 추세는 더욱 분명해졌습니다. 개발자청정에너지를 보급하면 화석연료 사용으로 인해 발생하는 막대한 온실가스 배출을 완화할 수 있습니다. 따라서 풍력, 태양에너지 등 신재생에너지의 개발은 인류사회의 지속가능한 발전에 매우 중요한 의미를 갖는다. 재생에너지는 강한 시간과 공간 의존성, 간헐성, 변동성 및 기타 특성을 가지고 있습니다. 또한 그리드 연결의 신뢰성과 피크 및 주파수 조절의 어려움에 직면해 있습니다. 따라서 재생 에너지 전기를 화학 에너지로 변환하고 사용하기 전에 저장하는 것이 더 유연하고 소스, 네트워크 및 부하 개발을 조정하는 효과적인 방법입니다.

수소는 깨끗하고 품질/에너지 밀도가 높다는 장점이 있습니다. 고탄소 배출 산업, 전기 및 기타 분야에서 석탄, 천연가스 등 화석 연료를 대체할 수 있는 효율적인 에너지 운반체이며 적용 가능성이 넓습니다. 재생에너지 물 전기분해를 통한 수소 생산은 재생에너지 소비와 녹색수소 생산을 달성하는 효과적인 방법입니다. 일반적인 기술로는 알칼리수 전기분해, 양성자 교환막(PEM) 물 전기분해, 음이온 교환막 물 전기분해, 고체산화물 물 전기분해 등이 있습니다. 그중 PEM 물 전기분해 기술은 높은 전류 밀도, 효율(80%~90%), 가스 순도, 낮은 에너지 소비 및 부피, 우수한 안전성과 신뢰성을 갖추고 있습니다. PEM 수전해 기술의 연구 개발을 수행하는 것은 재생 에너지 및 전기 결합 수소 생산의 실현을 지원하는 중요한 부분입니다.

이 기사는 풍력 및 태양광 변동 전력원에서 물을 전기분해하여 효율적인 수소 생산 기술의 개발 및 적용에 중점을 두고 있습니다. 풍력 및 태양광 변동 전력원을 결합하여 수소 생산에 존재하는 문제점을 풍력 및 태양광 변동 특성과 수소 생산 방법, PEM 수전해 수소 생산 특성 및 감쇠 메커니즘, 수소 생산 응용 현황 및 주요 측면에서 체계적으로 논의합니다. 기술 연구 및 개발, 해당 기술 개발 및 산업 응용 연구에 대한 기본 참고 자료를 제공합니다.

I. 재생에너지 발전, 풍력 및 태양광 발전, 수소 생산 시나리오
신재생에너지 전력의 주류 형태는 풍력과 태양광 발전으로, 변동성이 크다는 특성을 갖고 있습니다. 풍력 및 태양광 발전의 변동 특성을 분석해야만 풍력 및 태양광 변동 전원 하에서 수전해 수소 생산 기술 개발을 위한 기본 조건을 파악할 수 있습니다.
1.수소 생산과 결합된 풍력 발전
바람 전력결합형 수소 생산은 주로 그리드 연결형과 오프그리드형으로 구분됩니다. 그리드 연결 풍력 발전의 경우, 전력 그리드는 에너지 관리 시스템을 통해 전압 및 주파수 제어를 실현하여 전해조가 상대적으로 안정적인 전압에서 수소를 생산하도록 보장합니다. 해당 계통 연결 방식에는 주로 동기 풍력 계통 연결 및 비동기 풍력 계통 연결이 포함됩니다. 그리드 연결 풍력 결합 수소 생산에는 세 가지 주요 응용 시나리오가 있습니다. 잉여 풍력을 사용하여 전력망에서 "피크 절감" 역할을 하는 수소를 생산합니다. 수소 에너지를 사용하고 연료 전지와 같은 기술을 통해 전기를 생산하여 전력망에서 "계곡을 채우는" 역할을 수행합니다. 풍력 발전의 간헐적인 문제를 해결하고 수소 생산 시스템의 안정성과 신뢰성을 높이기 위해 그리드 전원 공급 장치를 사용합니다.
계통 연결 방식과 비교하여 독립형 풍력 발전은 계통 연결 보조 장비를 제거하고 계통 연결로 인해 발생하는 문제를 방지하며 수소 생산 비용을 절감할 수 있습니다. 특히 해상 풍력 발전의 경우 독립형 발전을 채택하면 송전 문제를 효과적으로 해결할 수 있습니다. 석유 및 천연가스 전송 인프라는 해상 풍력 발전 수소 생산을 위한 전송 채널 역할을 할 수도 있으며, 이는 해당 파이프라인의 투자 비용을 크게 절감합니다. 일반적으로 독립형 풍력 결합 수소 생산에는 두 가지 주요 적용 시나리오가 있습니다. 획득한 수소는 가스 파이프라인이나 수소 탱커를 통해 수출되고, 마이크로그리드 시스템은 풍력, 변환기, 전해조, 수소 저장 장비, 연료에 의해 구축됩니다. 세포 등

2. 수소 생산과 결합된 태양광 발전
수소 생산과 결합된 태양광 발전 역시 그리드 연결형과 오프 그리드형으로 나눌 수 있습니다. 그리드연계형 태양광발전과 수소생산은 태양광모듈에서 생산된 전기를 그리드에 연결하고, 그리드에서 전기를 얻어 물을 전기분해해 수소를 생산하는 방식이다. 대규모 버려진 조명 및 에너지 저장에 자주 사용됩니다. 오프그리드형 태양광발전과 수소생산은 주로 분산형 수소생산에 사용되는 수소생산용 전해조에 태양광모듈에서 생산된 전기를 직접 공급하는 것을 말한다. PEM 수전해 수소 생산 기술과 결합된 태양광 발전은 주로 태양광 DC-DC 변환 간접 결합과 태양광 직접 결합의 두 가지 방식을 채택합니다.
1). 태양광 DC-DC 변환 간접결합 수소생산
태양광 발전의 출력전력은 일사량, 주변온도, 외부부하 등 다양한 요인의 영향을 받기 때문에 부하에 맞는 최적의 전력을 직접적으로 공급하기는 어렵습니다. 일반적으로 광전지 모듈과 전해조 사이에 DC-DC 변환기를 추가하여 광전지 전압과 전해조 전압을 더 잘 일치시켜 수소 생산 효율을 향상시킵니다. 일반적으로 사용되는 방법은 펄스 폭 변조 기술을 사용하여 듀티 사이클을 조정하여 최대 전력점을 추적하고 컨버터 출력 전류의 강력한 제어를 조정하는 등 최대 전력 밀도 추적입니다. DC-DC 변환기는 수소 생산 효율을 효과적으로 향상시킬 수 있지만 변환기에서 생성된 리플은 입력 전류 수준 판단에 오류를 발생시켜 전해조의 작동 효율에 영향을 미칩니다. DC 변환으로 인한 손실은 운영 비용을 증가시키고 수소 생산 시스템의 내구성과 장치 수명에도 영향을 미칩니다.
2). 광전지 직접 결합 수소 생산
태양광 발전 장치와 전해전지의 직접 결합은 태양광 발전 결합 수소 생산 시스템의 복잡성을 단순화합니다. 예를 들어, 광전지 전기분해 시스템은 3노드 태양광 전지에 직접 연결된 2개의 PEM 전해 전지로 구성되며, 이는 태양광 전지 기반의 전해 전지 수소 생산 공정을 유지하기에 충분한 전압을 생성할 수 있습니다. 태양광 최대 전력 밀도 지점을 전해질 전지와 일치하도록 조정하면 태양에서 수소로의 변환 효율을 30%까지 높일 수 있습니다. 그러나 직접 결합에서는 광전지의 전압 및 전류 파형이 전해조에 직접 작용하므로 전해조 스택의 장기적으로 안전하고 안정적인 작동에 문제가 됩니다.