Trends bei der Wasserstoffproduktion und der Entwicklung von Separatoren im Rahmen des globalen Wettrüstens im Bereich der Wasserstoffenergie

Originaltitel: „Hydrogen „Membrane“ Method“

Ein globales Wettrüsten im Bereich der Wasserstoffenergie hat begonnen.

Angesichts der rasanten Entwicklung und des Verbrauchsbedarfs erneuerbarer Energiequellen wie Wind- und Photovoltaik sowie der durch regionale Konflikte verursachten neuen Anforderungen an die Energiesicherheit ist Wasserstoffenergie zu einem Energieträger geworden, dem Länder auf der ganzen Welt große Aufmerksamkeit schenken.

In diesem Artikel werden wir direkt auf den spezifischen technischen Weg des Elektrolyseurs, der Schlüsselausrüstung für die Wasserstoffproduktion, eingehen und uns dann weiter auf eine der wichtigsten Kernkomponenten konzentrieren – den Separator und seine Entwicklungstrends.

Chen Menlei丨Autor

Li Tuo丨Herausgeber

1. Vier Wege zur elektrolytischen Wasserstoffproduktion

Die aktuellen Wasserstoffproduktionswege können grob in drei Arten unterteilt werden: industrieller Nebenprodukt-Wasserstoff und fossiler Kraftstoffproduktion Wasserstoff, Elektrolyse von Wasser zur Herstellung von Wasserstoff.

Unter industriellem Nebenprodukt-Wasserstoff versteht man Wasserstoff als Nebenprodukt, das in anderen industriellen Produktionsprozessen entsteht. Es ist jedoch offensichtlich, dass der auf diese Weise gewonnene Wasserstoff seine Entwicklung als Energieträger nicht unterstützen kann. Seine Produktionskapazität ist völlig unkontrollierbar und er kann keine wirkliche Industrialisierung erreichen.

Die Wasserstoffproduktion aus fossilen Brennstoffen nutzt Kohle oder Erdgas als Rohstoffe zur Herstellung von Wasserstoff. Das Verfahren ist ausgereift und die Kosten sind niedrig. Es ist derzeit die wichtigste Methode zur Wasserstoffproduktion. Diese Methode ist mit CO2-Emissionen verbunden, erfüllt nicht das Ziel der CO2-Neutralität und kann nicht als Produktionsprozess zur Unterstützung der Wasserstoffenergieindustrie eingesetzt werden.

Ergänzt durch Technologie zur CO2-Abscheidung und -Sammlung ist der emissionsfrei erzeugte Wasserstoff blauer Wasserstoff. Das Problem bei diesem Modell besteht darin, dass die Unternehmen viele zusätzliche Kosten tragen müssen und es nicht wirtschaftlich genug ist. Blauer Wasserstoff wird nicht grundsätzlich von fossilen Brennstoffen getrennt, sodass kein grundsätzliches Problem besteht. Kein Wunder, dass selbst Deutschland, das in Sachen Emissionen recht aggressiv ist, diese Linie als „verwirrend“ bezeichnet.

Die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse von Wasser macht in der aktuellen Struktur der Wasserstoffproduktion nur einen geringen Anteil aus, hat jedoch in der globalen Energiebranche große Aufmerksamkeit erhalten. Die Rohstoffe für die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse von Wasser sind leicht verfügbar und der Produktionsprozess verursacht keine zusätzlichen Kohlenstoffemissionen, was mit den dualen Kohlenstoffzielen im Einklang steht und dem aktuellen Hintergrund des schnellen Wachstums der installierten Windkraft- und Photovoltaikkapazität entspricht Weltweit reduziert extrem günstiger Strom die Energie für die Wasserstoffproduktion erheblich. Die Kosten und die Möglichkeit, grünen Strom zu verbrauchen, entsprechen auch den Anforderungen der Branche der erneuerbaren Energien und sind ein idealer Energieträger im Trend der Energiewende. Heutzutage entwickelt sich die globale Wasserstoffproduktionsindustrie rasant. Neben dem Transportbereich wurden auch die Energiespeicherung, die Industrieproduktion (z. B. die Stahlerzeugung) und andere Industriezweige in Entwicklungspläne einbezogen und entsprechende Entwicklungsziele festgelegt die Entwicklungsrichtung der Energiewirtschaft.

Daten zeigen, dass bis Ende 2022 die Direktinvestitionen in den globalen Wasserstoffenergiebereich fast 250 Milliarden US-Dollar betragen werden, und der International Hydrogen Energy Council prognostiziert, dass diese Gesamtinvestitionen bis 2030 auf 500 Milliarden US-Dollar steigen werden^[1] .

In China legt der „Mittel- und langfristige Plan für die Entwicklung der Wasserstoff-Energieindustrie (2021-2035)“, der im März 2022 gemeinsam von der Nationalen Energieverwaltung herausgegeben wurde, die Entwicklungsziele der Branche fest. Allein von Januar bis Februar 2023 wurden insgesamt 8 grüne Wasserstoffprojekte mit Elektrolyseuren öffentlich ausgeschrieben, und das gesamte Ausschreibungsvolumen für Elektrolyseure erreichte 763,5 MW, was einer Steigerung von fast dem Dreifachen im Vergleich zum Vorjahr entspricht und die inländischen Elektrolyseurlieferungen übersteigt im Jahr 2022 (fast 750 MW)^[2]. Obwohl das Ausschreibungsvolumen und das Sendungsvolumen nicht vollständig vergleichbar sind, hängt das jährliche Wachstum des Sendungsvolumens nur davon ab, wie schnell es sein kann.

Andere erneuerbare Energien zur Wasserstoffproduktion, wie die biologische Wasserstoffproduktion, die Photolyse-Wasserstoffproduktion und andere neue Technologiewege, sind aufgrund ihrer geringen Reife noch weit von der Kommerzialisierung entfernt und werden nicht diskutiert.

Es gibt derzeit 4 Haupttechnologien zur elektrolytischen Wasserstoffproduktion, nämlich: alkalische Wasserelektrolyse (AWE), Anionenaustauschmembranelektrolyse (AEM) und Protonenmembranelektrolyse (Protonenaustauschmembranelektrolyse (PEM)) und Festoxidelektrolysezellen (). SOEC) ^[3][4][5]:

• Wasserstoffproduktion durch alkalische Elektrolyse: AWE Alkalische wässrige Lösung ist der Elektrolyt und PPS-Membran (Polyphenylensulfid) wird hauptsächlich als Separator verwendet. Unter Einwirkung von Gleichstrom wird Wasser elektrolysiert, um Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen. Dies ist die derzeit ausgereifteste, kommerzialisierteste und am weitesten verbreitete Wasserstoffproduktionstechnologie und auch der bevorzugte technische Weg für die aktuelle Wasserstoffenergieindustrie. Wie bereits erwähnt, hat die Zahl der Ausschreibungen für Elektrolyseure in den ersten beiden Monaten des Jahres 2023 die Auslieferungen für das Gesamtjahr 2022 übertroffen, und bei diesen Elektrolyseuren handelt es sich allesamt um alkalische Elektrolyseure. Die Vorteile der AWE-Technologie sind Kostenfreundlichkeit, einfache Bedienung, lange Gerätelebensdauer, ausgereifte Technologie, hohe Produktionskapazität eines einzelnen Geräts und eine hohe Lokalisierungsrate. Inländische Geräte haben das international führende Niveau erreicht. Die Nachteile dieser Route bestehen darin, dass die Ausrüstung groß ist und einen größeren Standort erfordert; die absolute Energieeffizienz ist deutlich geringer als bei anderen technischen Routen, da der Reaktionsprozess in gewissem Maße korrosiv ist und eine Wartung erfordert Ausrüstung. Der größte Nachteil von AWE besteht darin, dass die Reaktionsgeschwindigkeit der Ausrüstung aufgrund der Eigenschaften einiger Produktionsverbindungen langsam ist, sie nicht schnell starten und stoppen kann, die Geschwindigkeit der Wasserstoffproduktion schwer anzupassen ist und sie nicht für stark volatile Energiequellen geeignet ist Mit anderen Worten: Es ist schwierig, mit erneuerbaren Energiequellen wie Windkraft und Photovoltaik zusammenzuarbeiten.

• Wasserstoffproduktion durch Anionenaustauschmembranelektrolyse: AEM ist ein Vorbereitungsprozess, der entwickelt wurde, um die Mängel von AWE zu beheben. Die Ausrüstung verwendet eine Anionenaustauschmembran als Separator und reines Wasser oder eine schwach alkalische Lösung als Elektrolyt, um den Transport von OH^- von der Kathode zur Anode zu realisieren. Die Kosten dieser Technologie sind niedrig und der Separator weist eine gute Luftdichtheit, Stabilität und einen geringen Widerstand auf. Er kann mit Nichtedelmetallkatalysatoren zusammenarbeiten, um eine hohe Leitfähigkeit und hohe Stromdichte zu erreichen, und kann das Gasquerströmungsproblem von AWE lindern . Es ist für AWE möglich, einen der Verbesserungspläne durchzuführen. Seine Nachteile sind eine geringe Ionenleitfähigkeit und eine schlechte Hochtemperaturstabilität. Weitere Forschung und Entwicklung effizienter und stabiler Separatoren und angepasster Hochleistungskatalysatoren sind erforderlich. Der aktuelle Technologiereifegrad von AEM ist unter den vier Routen der niedrigste und befindet sich noch im Laborforschungs- und Entwicklungsstadium.

• Protonenmembranelektrolyse-Wasserstoffproduktion: PEM ersetzt den Separator und den flüssigen Elektrolyten im alkalischen Elektrolyseur durch eine Polymer-Protonenaustauschmembran, um reines Wasser direkt zu zersetzen. Sie gilt als Wasserstoffproduktionstechnologie der nächsten Generation, die AWE ersetzen soll. In einigen Ländern wurde eine vorläufige Kommerzialisierung erreicht. Die Vorteile von PEM liegen in der geringen Größe, der hohen Effizienz, der hohen Reinheit des erzeugten Wasserstoffs und der schnellen Reaktionsgeschwindigkeit. Es kann sich an die großen Schwankungen erneuerbarer Energien anpassen und eignet sich sehr gut für die Teilnahme an der Lastregulierung des Stromnetzes. Der Nachteil von PEM besteht darin, dass die Lebensdauer der Ausrüstung durchschnittlich ist und die Anforderungen an die Wasserqualität höher sind, was die Versorgung mit Rohstoffen erschwert. Die Produktionskapazität einer einzelnen Ausrüstung ist derzeit weitaus geringer als bei der AWE-Route Die Membran wird von ausländischen Unternehmen kontrolliert, und das Risiko einer niedrigen Lokalisierungsrate kann nicht ignoriert werden. Das größte Problem von PEM besteht darin, dass der Katalysator eine große Menge an Edelmetallen wie Platin verwendet. Die Kosten für die Ausrüstung können sogar das Drei- bis Fünffache betragen Die Kosten haben einige Länder sogar dazu veranlasst, sich der AWE-Route zuzuwenden, um so schnell wie möglich eine Massenproduktion zu erreichen.

• Wasserstoffproduktion durch Festoxidelektrolyse von Wasser: SOEC verwendet Festoxid als Elektrolyt. In einer Hochtemperaturumgebung von 700–1000 Grad Celsius tritt Wasserdampf gemischt mit einer kleinen Menge Wasserstoff aus der Kathode ein und führt zu einer Elektrolyse Die Reaktion findet an der Kathode statt und zersetzt sich in H ₂ und O^2-. O^2- erreicht die Anode durch die Elektrolytschicht und verliert an der Anode Elektronen, um O₂ zu erzeugen. SOEC unterscheidet sich deutlich von den bisherigen Wasserstoffproduktionstechnologien in Bezug auf das Design der Elektrolysegeräte und die Arbeitsbedingungen. Der Vorteil besteht darin, dass die Energieeffizienz deutlich höher ist als bei AWE und PEM Es liegen noch keine Vermarktungsbedingungen vor.

Marktmäßig ist mein Land der weltweit größte Wasserstoffproduzent und der größte Hersteller von Elektrolysegeräten. Natürlich existiert Wasserstoff zu diesem Zeitpunkt nicht als Energieträger, sondern als industrieller Rohstoff, der häufig bei der Ölraffinierung, Ammoniaksynthese, Methanolsynthese, Stahlherstellung usw. verwendet wird.

Statistiken der Internationalen Energieagentur zeigen, dass die weltweite Wasserstoffproduktionskapazität im Jahr 2021 etwa 94 Millionen Tonnen betragen wird; die inländische Produktion wird etwa 33 Millionen Tonnen betragen ^[6][7]. Allerdings wird die weltweite Wasserstoffversorgung hauptsächlich durch die Reformierung fossiler Brennstoffe erzeugt, was große Mengen an Kohlenstoffemissionen verursacht und nicht sauber ist. Dies bedeutet, dass es in Kombination mit dem Dual-Carbon-Ziel, auch wenn Wasserstoff nicht als Kraftstoff betrachtet wird, alternative Möglichkeiten und Kommerzialisierungsszenarien für die Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse von Wasser gibt und es nicht notwendig ist, die Perspektive auf die Wasserstoffenergiebranche zu beschränken .

Laut dem „China Hydrogen Energy and Fuel Cell Industry Annual Blue Book (2022)“ werden die weltweiten Lieferungen von Elektrolyseuren im Jahr 2022 ein GW erreichen, und Chinas Gesamtlieferungen von Elektrolyseuren werden 800 MW überschreiten, was einer Steigerung von mehr als dem Vorjahr entspricht Der weltweite Anteil wird 80 % übersteigen; mit jährlichen Lieferungen von 776 MW sind Cockerill Mediacom, CSSC Perry Hydrogen Energy und Longi die drei größten Hersteller von Wasserstoffproduktionsanlagen Wasserstoffenergie. Unter ihnen stieg LONGi Hydrogen Energy in nur einem Jahr von den Top 5 auf den dritten Platz auf ^[8][9].

2. Alkalischer Elektrolyseur: ausgereifter Charme

Es ist nicht schwer zu verstehen, dass der AWE-Elektrolyseur vom Markt bevorzugt wird. Ausgereifte Technologie und niedrige Kosten waren schon immer die bevorzugten Merkmale der industriellen Produktion.

Bildquelle: Forschungsfortschritt zu fortschrittlichen Prinzipien und Technologien zur Wasserstoffproduktion im Kontext der CO2-Neutralität ^[5]

Als Technologie mit einer Geschichte von mehr als einem Jahrhundert, der aktuellen Branchenreife und Lokalisierung Niveau der AWE-Route Obwohl es noch Spielraum für Kostensenkungen durch Geräteoptimierung gibt, wird der Effekt nicht besonders groß sein. Dies unterscheidet sich stark von der PEM-Route, wo die Gerätekosten hoch bleiben. Die derzeitige Kernlogik zur Kostenreduzierung alkalischer Elektrolyseure ist in die Phase der Verfolgung von Skaleneffekten zur Kostensenkung eingetreten. Ein typischer Ausdruck hierfür ist, dass die Ausrüstung immer größer wird und die Produktionskapazität eines einzelnen Tanks 1000 Nm³^{/h beträgt im Grunde zum Standard geworden. CSSC Perry Im Dezember 2022 wurde ein „Big Mac“ mit einer Monomerwasserstoffproduktionskapazität von 2000 Nm}³^{/h auf den Markt gebracht}[10]^.

Neben dem Skaleneffekt gibt es auch Verbesserungspotenzial bei der Aufbereitungstechnik von AWE.

Das erste ist die Verbesserung der Kernkomponente – der Membran. Derzeit stellen Gerätehersteller von herkömmlichen PPS-Membranen auf Verbundseparatoren mit besserer Gesamtleistung um.

Einige Verbundmembranen konzentrieren sich auf die Verbesserung der Energienutzung von AWE. BloombergNEF-Daten zeigen, dass einige Verbundmembranen die Energieeffizienz um 4 % steigern können, und die Kosten für Haushaltsmembranen betragen möglicherweise nur etwa 30 % der Kosten in Europa, wodurch der Preisvorteil von Haushaltsgeräten effektiv aufrechterhalten werden kann ^[11].

Andere Verbundmembranen versuchen, das Problem des Gasquerstroms in alkalischen Elektrolyseuren zu lösen. Während des Wasserstoffproduktionsprozesses von AWE kommt es aufgrund der Gasproduktion zu einem Druckungleichgewicht auf beiden Seiten der Membran. Bei unsachgemäßer Kontrolle dringt Wasserstoff in die Membran ein und vermischt sich mit Sauerstoff, was äußerst gefährlich ist während des Wasserstoffproduktionsprozesses aus. Tatsächlich ist es dieser Bedarf, der es alkalischen Elektrolyseuren erschwert, sich an schwankende Stromversorgungen anzupassen. Die Idee einiger Separatorhersteller besteht darin, Wasserstofflecks physikalisch zu beheben, indem sie Separatoren mit hervorragenden Gasbarriereeigenschaften herstellen und dadurch Elektrolyseuren die Möglichkeit geben, sich an schwankende Energiequellen anzupassen.

Im Wesentlichen folgt der Anionenaustauschmembran-Elektrolyseur dem AWE-Weg mit einem verbesserten Separator.

Die Hochtemperatur-Wasserstoffproduktion durch alkalische Elektrolyse von Wasser ist ebenfalls eine mögliche Upgrade-Richtung. Kurz gesagt: Der Betrieb unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen kann die Betriebseffizienz des Elektrolyseurs effektiv verbessern. Allerdings können Elektrolyte mit hoher Temperatur und hoher Konzentration Alkalikorrosionsprobleme verursachen und die Lebensdauer der Ausrüstung verkürzen. Daher erfordern höhere Temperaturen korrosionsbeständigere Materialien; Hohe Temperaturen befinden sich noch im Laborstadium.

Auch Forschungen zur Wasserstoffproduktion aus Meerwasser sind keine Seltenheit. Küsten- und Offshore-Windkraft- und Solarressourcen sind relativ reichlich vorhanden und die Wasserressourcen sind nahezu unbegrenzt. Sie sind ideale Orte für die Wasserstoffproduktion vor Ort aus erneuerbarer Energie. Das aktuelle Problem besteht darin, dass die Zusammensetzung des Meerwassers sehr komplex ist und die darin enthaltenen Ionen mit alkalischen Lösungen verschiedene chemische Reaktionen eingehen, was den Betrieb von Wasserstoffproduktionsanlagen ernsthaft beeinträchtigt. Auch wenn das Onshore-Modell der Meerwasseraufbereitung und Wasserstoffproduktion nicht zwangsläufig allzu große Mehrkosten mit sich bringt, ist die Offshore-Situation völlig anders. Die Baukosten für den Bau einer Plattform auf See sind sehr hoch, und die Installation zusätzlicher Entsalzungsausrüstung wird die Kosten in die Höhe schnellen lassen, was die ohnehin schon schlechte Wirtschaftlichkeit noch weiter schmälert. Auch die Entwicklung von Geräten, die Meerwasser direkt elektrolysieren können, ist die Richtung von Forschern und Unternehmen.

Eine weitere Idee besteht darin, das Steuerungssystem zu optimieren, ein Modell zu etablieren, das sich an schwankende Stromversorgung anpassen kann, und die Betriebsstrategie zu aktualisieren, ohne die Wasserstoffproduktionsausrüstung zu modernisieren, um wiederholte Starts und Stopps zu vermeiden und einen stabilen Betrieb zu erreichen.

Was einfacher und direkter ist, besteht darin, erneuerbare Energien an Energiespeichergeräte anzuschließen, Schwankungen am Ende der Stromerzeugung direkt auszugleichen und sie dann an die Wasserstoffproduktionslinie anzuschließen. Der Vorteil besteht darin, dass das Projekt schnell umgesetzt werden kann, der Nachteil besteht jedoch darin, dass dadurch natürlich die Kosten für die Wasserstoffproduktion steigen.

Es ist denkbar, dass die AWE-Wasserstoffproduktion, wenn die oben genannten und nicht genannten technologischen Verbesserungen umgesetzt werden können, über eine große Menge extrem billiger Energie verfügt, die Wirtschaftlichkeit verbessert und eine solide Grundlage für die Förderung der Wasserstoffenergieindustrie legt. Darüber hinaus sind die derzeitige Autonomie und Technologieakkumulation meines Landes auf dem alkalischen Elektrolyseur-Weg deutlich besser als auf dem PEM-Weg. Anstatt mit ausländischen Unternehmen auf technischen Gebieten zu konkurrieren, in denen sie nicht sehr gut sind, ist es besser, tiefer in starke Bereiche einzutauchen, was ebenfalls eine weit verbreitete Wettbewerbsidee ist.

3. Protonenaustauschmembran: Lokalisierungsmöglichkeit

PEM Als Kernkomponente der Wasserstoffproduktion ist die Situation der Protonenaustauschmembran komplizierter.

Die Hauptprotonenaustauschmembran ist ein Endprodukt organischer Fluorchemikalien. Sie hat neben der Wasserstoffproduktion auch eine Schlüsselkomponente von Wasserstoffbrennstoffzellen und den ebenso heißen Flüssigkeitsstrombatterien.

Im Vergleich zur AWE-Wasserstoffproduktion gibt es eine gewisse Lücke zwischen der PEM-Wasserstoffproduktionsroute meines Landes und dem fortgeschrittenen Niveau im Ausland. Die technischen Hürden für Protonenmembranen sind derzeit relativ hoch und die Lokalisierungsrate ist gering, so dass ein gewisses Risiko besteht, stecken zu bleiben. Natürlich sind auch die entsprechenden Lokalisierungsmöglichkeiten umfangreicher. In Verbindung mit dem breiteren Anwendungsbereich, dem politisch bedingten Nachfragewachstum und höheren Gewinnmargen als High-Tech-Produkt kann davon ausgegangen werden, dass Protonenmembranen ein Markt sein werden, von dem ein schnelles Wachstum erwartet wird.

In diesem Artikel geht es vor allem um Anlagen zur Wasserstoffproduktion, daher wird ohne weitere Erläuterung im Folgenden angenommen, dass er sich speziell auf die Protonenaustauschmembran für Elektrolyseure bezieht.

Vom Grundprinzip her ist der elektrochemische Prozess im PEM-Elektrolyseur: reines Wasser Durch den Wassereinlasskanal tritt die katalytische Schicht ein. Unter der kombinierten Wirkung von Gleichstromversorgung und Katalysator erzeugt die Anode Sauerstoff- und Wasserstoffionen, und die Wasserstoffionen passieren die Protonenaustauschmembran und verbinden sich mit den Elektronen der Kathode, um Wasserstoff zu erzeugen. Die Struktur des PEM-Elektrolyseurs ist in der folgenden Abbildung dargestellt, die hauptsächlich aus Bipolarplatten, porösen Diffusionsschichten, Protonenaustauschmembranen sowie katalytischen Kathoden- und Anodenschichten besteht ^[5].

Bildquelle: Forschungsfortschritte zu fortschrittlichen Prinzipien und Technologien zur Wasserstoffproduktion im Kontext der CO2-Neutralität ^[5]

Die Brennstoffzelle ist das Rückreaktionsgerät des PEM-Elektrolyseurs, der Wasser in Wasserstoff elektrolysiert und Sauerstoff verwendet die Brennstoffzelle Wasserstoff und Sauerstoff als Reaktionsmaterialien der Anode und Kathode und produziert letztendlich Wasser und Strom.

Bildquelle: Energiewirtschaft ^[12]

Obwohl Elektrolyseure und Brennstoffzellen beide auf Protonenmembranen basieren und ähnliche Strukturen haben, sind die Produktanforderungen unterschiedlich, die Leistungsindikatoren inkonsistent und auch die Materialsysteme der Endprodukte sind sehr unterschiedlich anders. Es lässt sich nicht verallgemeinern.

Der Gesamtaufbau des Elektrolyseurs ist relativ einfach, aber die Arbeitsbedingungen sind strenger und erfordern Materialien mit höherer Lebensdauer und Haltbarkeit, wodurch die in Elektrolyseuren verwendete Membran dicker ist als die in Brennstoffzellen verwendete Membran, ausgehend von den Anforderungen von Autos Herstellung und Protonenmembran erfordern eine zusätzliche Modifikationsbehandlung, um sie zu verbessern. Beispielsweise verwendet Gore expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE) als Verstärkungsmaterial, um ultradünne Protonenmembranen herzustellen, die in Brennstoffzellenfahrzeugen von Toyota, Hyundai und Honda verwendet werden [13] ^.

Dies zeigt, dass bei der Bewertung von Produkten auch bestimmte nachgelagerte Anwendungsszenarien berücksichtigt werden müssen, anstatt einfach davon auszugehen, dass ein Unternehmen in der Lage ist, mehrere Bereiche abzudecken.

Es ist zu beachten, dass die Ausrüstungskosten des PEM-Elektrolyseurs der Hauptgrund für die hohen Kosten sind. Die Protonenaustauschmembran ist auch der Kernbestandteil des Elektrolyseurs, ihr Anteil an den Gesamtkosten der Wasserstoffproduktion ist jedoch nicht hoch (ca 2,3 %). Inland Der Effekt der Chemisierung auf die Kostensenkung ist nicht ausgeprägt. Die Hauptbedeutung der Lokalisierung besteht nicht nur darin, Geschäftsmöglichkeiten zu schaffen, sondern auch darin, eine Unterdrückung durch das Ausland bei wichtigen Verbindungen zu vermeiden.

Bildquelle: IRENA

[14]

Protonenaustauschmembranprodukte unterscheiden sich hauptsächlich durch den Fluorgehalt und können in perfluorierte Protonenaustauschmembranen, teilweise fluorierte Polymer-Protonenaustauschmembranen und nicht fluorierte Polymere unterteilt werden Materialien Es gibt vier Kategorien: Protonenaustauschmembran und zusammengesetzte Protonenaustauschmembran. Unter ihnen ist die Perfluorsulfonsäure-Protonenaustauschmembran die ausgereifteste, weist die beste Gesamtleistung auf und wird kommerziell am häufigsten verwendet. PEM-Elektrolyseure verwenden Perfluorsulfonsäuremembranen.

Aus Sicht der Industriekette befindet sich vor der Protonenaustauschmembran das Monomermaterial der organischen Fluorchemie-Industrie. Das am weitesten verbreitete direkte Produktmaterial ist Perfluorsulfonsäureharzmaterial, das sich nach oben bis zu Tetrafluorethylen erstreckt In der organischen Fluorchemieindustrie, Perfluoralkylvinylether und anderen Monomermaterialien kann die Rückverfolgbarkeit auf Rohstoffe wie Fluorit, Fluorwasserstoff und Kältemittel zurückgeführt werden

[15]^.

Derzeit kann der Herstellungsprozess von Protonenaustauschmembranen in zwei Kategorien unterteilt werden: das Schmelzfilmbildungsverfahren (Schmelzextrusionsverfahren) und das Lösungsfilmbildungsverfahren, das derzeit kommerziell weit verbreitet ist . Handwerkskunst. Das Lösungsfilmbildungsverfahren kann weiter in Lösungsgießverfahren, Lösungsgießverfahren und Sol-Gel-Verfahren unterteilt werden, wobei das Lösungsgießverfahren am weitesten verbreitet ist

[15]^.

Vorbehaltlich technologischer Mängel ist die aktuelle Lokalisierungsrate von Protonenaustauschmembranen in verschiedenen Bereichen nicht hoch und befindet sich in der Aufholphase.

Die weltweite Produktionskapazität für Protonenaustauschmembranen wird grundsätzlich vom Ausland monopolisiert. Lange Zeit konzentrierte sich die Produktion perfluorierter Protonenaustauschmembranen hauptsächlich auf Industrieländer wie die USA und Japan. Zu den großen Unternehmen zählen DuPont, Dow und Gore aus den USA sowie Asahi Glass und Asahi Kasei aus Japan. Im Bereich der Protonenmembranen sind die Produkte von DuPont am wettbewerbsfähigsten und weisen die stärkste Technologieanhäufung auf; Brennstoffzellen-Membranelektroden werden von Gore dominiert. Im Inland ist die Dongyue Group Branchenführer und Kerun New Materials verfügt auch über Massenproduktion von Protonenmembranprodukten.

Protonenmembranen lassen sich aus Rohstoffen relativ schwer herstellen. Perfluorsulfonsäureharz ist ein Stoff mit einem sehr komplexen Herstellungsprozess. Er kann als technologischer Höhepunkt der Fluorchemie-Industrie bezeichnet werden. Sein Produktionsprozess beinhaltet eine Vielzahl rauer Reaktionsbedingungen, komplizierter Prozesse sowie explosiver und gefährlicher Güter. Die Herstellung von Membranmaterialien mit chemischer Stabilität, mechanischer Festigkeit, elektrochemischer Leistung und anderen Indikatoren, die den nachgelagerten Anforderungen gerecht werden, hat für Unternehmen bereits hohe Standards gesetzt. Der Protonenmembranfilmbildungsprozess ist noch schwieriger und stellt strenge Anforderungen an Ausrüstung, Werkstätten und Produktionslinienmanagement. Darüber hinaus verfügen Unternehmen in Japan, den USA und anderen Ländern aufgrund des First-Mover-Vorteils über eine große Anzahl wichtiger Patente im Bereich der Protonenmembranen. Wie sie ihr eigenes professionelles System aufbauen und professionelle Barrieren umgehen können Problem, mit dem inländische Unternehmen konfrontiert sind.

Um mit dem internationalen Spitzenniveau Schritt zu halten, sind Talent, Technologieakkumulation und ausreichende Kapitalausgaben in den lokalen Industrien unerlässlich. Gleichzeitig werden führende ausländische Unternehmen auch großen Druck auf inländische Unternehmen ausüben. Die Schwierigkeiten, auf die die Wasserstoffproduktionsanlagen meines Landes bei Protonenaustauschmembranen stoßen, sind denen in der Fotolackindustrie sehr ähnlich. Sie sind auf den Nachzüglernachteil meines Landes im Bereich der Spezialchemikalien zurückzuführen. Es wird einige Zeit dauern, diesen Nachteil auszugleichen.

In Bezug auf den Marktanteil und die Lokalisierungsrate von Protonenaustauschmembranen für Brennstoffzellen zeigen GGII-Daten, dass die Nachfrage nach inländischen Membranelektroden-Protonenaustauschmembranen im Jahr 2020 44.000 m beträgt

2^{, wovon der Marktanteil inländisch ist Protonenaustauschmembranen beträgt 7,5 % und steigt bis 2021 auf 11,61 %}[17]^.

Der Markt für PEM-Protonenaustauschmembranen für die Wasserstoffproduktion durch Wasserelektrolyse ist klein und sein Anteil wird von Membranen der Nafion™-Serie von Chemours (ehemals DuPont aus den USA) eingenommen 76 %, und der Marktanteil inländischer Protonenaustauschmembranen beträgt 21,45 %. Untersuchungen von GGII zeigen, dass Dongyue Future Hydrogen Energy, eine Tochtergesellschaft der Dongyue Group, die vorläufige Anwendungsüberprüfung für einige Kunden abgeschlossen hat und 2021 mit der lokalen Substitution beginnen wird, mit einem Marktanteil von etwa 15 % ^[17].

Im Jahr 2021 liegt die Lokalisierungsrate von Protonenaustauschmembranen für Durchflussbatterien auf dem chinesischen Markt bei etwa 23,15 %. Die wichtigsten Hersteller sind Kerun New Materials und Dongyue Future Hydrogen Energy, die übrigen inländischen Unternehmen sind Protonenaustauschunternehmen Membranen für Durchflussbatterien befinden sich alle in der Probenverifizierungsphase. Der Inlandsmarkt wird immer noch von der Perfluorsulfonsäureharzmembran von Chemours dominiert, mit einem Marktanteil von 75 %^[17].

Obwohl wir zu Beginn dieses Abschnitts erwähnt haben, dass Protonenaustauschmembranen ein starkes Wachstumspotenzial haben, beschreibt dies nur ihr Wachstumspotenzial. Die absolute Marktgröße ist noch nicht sehr groß und das zukünftige Wachstum ist mit größerer Unsicherheit verbunden .

Theoretisch sollten Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb die Branche sein, die die größte Menge an Protonenaustauschmembranen verwendet. Nach Schätzungen von CITIC Securities wird der entsprechende Markt für Protonenaustauschmembranen 13,2 Milliarden Yuan erreichen, wenn die Zahl der Brennstoffzellenfahrzeuge im Jahr 2030 eine Million erreicht^[15]. Dennoch müssen wir bedenken, dass die Wachstumsaussichten von Brennstoffzellenfahrzeugen zumindest derzeit weitaus weniger wettbewerbsfähig sind als Lithiumbatterie-Elektrofahrzeuge. Sie werden nur in geringem Umfang im Bereich der Nutzfahrzeuge eingesetzt. und diese Anwendungen dienen meist Demonstrationszwecken. Es muss entscheidende Vorteile für elektrische Nutzfahrzeuge haben.

Der Protonenmembranmarkt für PEM-Elektrolyseure ist relativ begrenzt. Die Agentur prognostiziert, dass die Größe des Elektrolyseur-Marktes bis 2025 35 Milliarden Yuan betragen wird. Wenn sich die Kostenstruktur nicht wesentlich ändert und die PEM-Route den Markt vollständig besetzt, wird der entsprechende Protonenmembranmarkt etwa 1,75 Milliarden Yuan betragen Yuan. Tatsächlich kann die Situation nur viel kleiner als diese Zahl sein^[18]. Darüber hinaus war die industrielle Produktion nie sehr an der Weiterentwicklung der Technologie interessiert. Wenn PEM auf Kostenebene nie mit der AWE-Route konkurrieren kann, wird dies nicht die optimale Route für die gesamte Wasserstoffproduktionsbranche und den Marktanteil sein wird kleiner sein.

All-Vanadium-Flow-Batterie ist eine der beliebtesten Routen der Flow-Batterie-Technologie. Sie hat vor allem als potenzielle langfristige Energiespeichertechnologie die Aufmerksamkeit des Marktes auf sich gezogen. Der „14. Fünfjahresplan“ für neue Energiespeicher wurde im März 2022 veröffentlicht. Der „Development Implementation Plan“ wird Hunderte von Megawatt-Flow-Batterietechnologien in eine der Schlüsselrichtungen der neuen Energiespeicher-Kerntechnologie und -Ausrüstung einbeziehen [19]. Protonenaustauschmembranen oder Ionenaustauschmembranen (der spezifische Name hängt vom Anwendungsbereich ab) werden in Elektrostapeln verwendet, um Vanadiumionen unterschiedlicher Wertigkeit zu blockieren und Wasserstoffionen durchzulassen. Bis Ende Oktober 2022 erreichte der Gesamtumfang der reinen Vanadium-Redox-Flow-Batterieprojekte, einschließlich Registrierung, Bau, im Bau, gewonnener Ausschreibung und Ausschreibung, 1,3 GW / 5,4 GWh. Darunter übersteigt die Gesamtzahl der Projekte, die begonnen wurden, Ausschreibungen gewonnen haben und sich im Bau befinden, 2,0 GWh und wird voraussichtlich im Jahr 2023 schrittweise umgesetzt^[20].

Allerdings gibt es derzeit viele Möglichkeiten zur Energiespeicherung, und es gibt keinen eindeutigen Gewinner, und auch die Technologieauswahl für verschiedene Energiespeicherszenarien kann unterschiedlich sein. Es besteht immer noch große Unsicherheit bei der Kommerzialisierung von All-Vanadium-Redox-Flow-Batterien.

Zusätzlich zu den oben genannten Anwendungsszenarien gibt es für Protonenaustauschmembranen auch einen weniger bekannten nachgelagerten Bereich, die Chlor-Alkali-Industrie. Genauer gesagt sollte diese Art von organischer Fluoridmembran in großem Umfang als ionische Membran in der Chlor-Alkali-Industrie eingesetzt werden. Das Ionenmembranverfahren ist derzeit das gängigste Produktionsverfahren in der Chlor-Alkali-Industrie, auch in meinem Land. Es bietet die Vorteile eines geringen Stromverbrauchs, einer hohen Konzentration an flüssigem Alkali, eines hohen Automatisierungsgrads der Produktion und einer geringeren Umweltverschmutzung Die Auslastung liegt bei nahezu 100 % ^[15] . Perfluorierte Ionenaustauschmembran ist das Kernmaterial, das aus einer Perfluorsulfonsäuremembran, einer Perfluorcarbonsäuremembran und einem mit Polytetrafluorethylen verstärkten Netz besteht. Es ist auch auf Importe angewiesen. Da es sich bei Chloralkali um eine sehr typische Industrie mit hohem Energieverbrauch handelt, ist es äußerst schwierig, die Produktion auszuweiten. Es handelt sich um einen Standardmarkt, und die Nachfrage ist relativ konstant Die Größenordnung wird nur etwa 450 Millionen betragen, was im Rahmen des Zumutbaren keine große Beachtung gefunden hat^[21].

4. Routinemäßige Abkühlung

Am Ende des Artikels müssen wir noch routinemäßig ein Becken mit kaltem Wasser ausschütten.

Wasserstoffenergie ist natürlich gut, aber auch sehr unausgereift. Obwohl es in der aktuellen Energiebranche einige Anwendungen gibt, bleibt Wasserstoff als Branche weit hinter der Vision zurück, die er darstellt.

Die durch die Unreife der Wasserstoffenergie bedingten Einschränkungen beschränken sich nicht nur auf den Wasserstoffproduktionsprozess. Auch in anderen Bereichen wie Lagerung und Transport, Betankung, spezifischer Kommerzialisierung und dem Bau unterstützender Anlagen gibt es Probleme der einen oder anderen Art.

Was wir jedoch sehen, ist, dass einige Unternehmen, Investmentinstitute und sogar die Medien Terminal-Brennstoffzellen oft viel Aufmerksamkeit und Kapitalaufwendungen widmen, aber absichtlich oder unabsichtlich die systemische Entwicklung der Branche ignorieren. Das ist eigentlich nicht schwer zu verstehen, schließlich sind Brennstoffzellen im Vergleich zu anderen Verbindungen die einfachsten und es gibt Spuren, denen man folgen kann – es gibt wahrscheinlich nicht wenige Menschen, die den Fluss überqueren, indem sie Lithiumbatterien anfassen und versuchen, „in sie zu investieren“. die nächste CATL-Ära".

Allerdings ist es schwer vorstellbar, wie Wasserstoffenergie ohne ein landesweites Stromnetz und einen ausgereiften Prozess zur Herstellung des Hauptmaterials für Batterien aus dem Nichts einen führenden Anbieter auf CATL-Ebene schaffen kann. Ohne eine ausgereifte Industriekette und eine systematische Industriestruktur ist der Versuch, ein bestimmtes Glied zu erobern, unrealistisch. Darüber hinaus müssen sich die Leser ein eigenes Urteil darüber bilden, wie viele der Akteure, die derzeit in die Wasserstoff-Energiebranche einsteigen, die niedrige technische Schwelle der Wasserstoff-Energiebranche betreten, nur um Trends zu folgen, über aktuelle Themen zu spekulieren, Investoren zu überzeugen oder sogar zu betrügen Investoren.

Darüber hinaus ist Wasserstoffenergie nur einer von vielen vielversprechenden Wegen. Obwohl es eine Reihe von Vorteilen wie Sauberkeit und hohen Heizwert bietet, fällt die aktuelle Transformationswelle des globalen Energiemarktes mit der Überquerung des Meeres durch die acht Unsterblichen zusammen. Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass Wasserstoff Energie wird definitiv gewinnen und zur dominierenden Macht werden. Egal wie groß das Kuchengemälde ist, zumindest in diesem Stadium ist es nur ein Gemälde.

Wasserstoffenergie hat sicherlich eine positive Bedeutung, aber die industrielle Entwicklung wird wahrscheinlich nicht auf einmal abgeschlossen sein. Es besteht die Hoffnung, dass Branchenteilnehmer und Förderer die objektiven Gesetze der Entwicklung rationaler betrachten können. Streben nach schnellem Erfolg und Kurzsichtigkeit sind oft gleichbedeutend, und das wahrscheinlichste Ergebnis einer hitzköpfigen Vorgehensweise sind die alten Tricks des Marktes.

Referenzen:

• [1] Zhang Rui: Der globale Wettbewerb um die Entwicklung und Nutzung von Wasserstoffenergie ist in vollem Gange. 22.03.2023 .cnpc.com.cn / system / 2023/03/22/030096412.shtml

• [2] Yu Qi: Grüne Wasserstoffelektrolyseure stehen vor einem Bieterboom! Die Lieferungen von Januar bis Februar haben das Gesamtjahr des letzten Jahres übertroffen, und diese gelisteten Unternehmen legen 2023.03.19

  https://www.cls.cn/ Detail / 1297804

• [3] fest. Yu Hongmei, Shao Zhigang, Hou Ming, Yi Baolian, Duan Fangwei und Yang Yingxuan (2021) Forschungsfortschritt und Entwicklungsvorschläge zur Wasserelektrolyse-Wasserstoffproduktionstechnologie, 23 (2), 146-152.

• [ 4] Li Jianlin, Li Guanghui, Liang Danxi und Ma Suliang (2021) Rückblick und Perspektiven der Wasserstoffproduktionstechnologie im Rahmen der „Dual Carbon Goals“, 6 (5), 1-9 .

• [5] ​​Chen Bin, Xie Heping, Liu Tao, Lan Cheng, Lin Kuiwu und Zhang Yuan (2022). Science and Technology, 54 (1), 106 -116.

• [6] IEA: Global Hydrogen Review 2022. 2022.09

  https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2022

• [7] China Economic Net: Die jährliche Produktion beträgt 33 Millionen Tonnen! Mein Land ist zum weltweit größten Wasserstoffproduzenten geworden. 23.3.2023 2022 Das Elektrolyseur-Lieferranking wird veröffentlicht und LONGi Hydrogen Energy zählt zu den Top Drei des Landes 2022.15

  https://www.longi.com/ cn / news / trendbank-2022-hydrogen/

• [9] Huaan Securities: Auf dem Wind reitend löst die Elektrolyseur-Technologie eine Welle der Wasserstoffenergie aus. 16.3.2023
  [10] Huang Zelong, Zhao Limei, Fu Yifei: Die weltweit erste Wasserelektrolyse-Wasserstoffproduktionsanlage mit einer Monomer-Wasserstoffproduktionskapazität von 2000 Nm³/h wurde erfolgreich gestartet. 2022.12.16
[11] Bloomberg News Energiefinanzierung: Chinesische Elektrolyseurhersteller: Ein genauerer Blick 2022.12.15 Welt: Wie funktionieren Wasserstofffahrzeuge? Wie wird Wasserstoffkraftstoff gespeichert und transportiert? 22.01.2019 Membranelektroden für die elektrolytische Wasserstoffproduktion. Progress in Chemical Engineering, 41 (12), 6385-6394.

• [14] IRENA: Kostensenkung für grünen Wasserstoff 2020.12 https://www.irena.org/publications/2020/Dec/Green-hydrogen-cost-reduction

• [15] CITIC Securities: Wasserstoffenergie und Brennstoffzellen｜Protonenaustauschmembran-Markt im Wert von mehreren zehn Milliarden, inländische Substitution ist zwingend erforderlich 2022.4.16 https://mp.weixin.qq.com/ s / DK6gNqlIiE4VT0SN9aAnPA

• [16] Yu Bowen. (2021). Aktueller Stand und Perspektiven der Forschung zu Protonenaustauschmembranen für die Wasserstoff-Brennstoffzellenindustrie .

  https:/ + Nationale Entwicklungs- und Reformkommission, Nationale Energieverwaltung: „Umsetzungsplan für die Entwicklung neuer Energiespeicher während des „14. Fünfjahresplans“.2022.03
https://www.ndrc.gov.cn/
• xxgk / zcfb / tz / 202203 / t20220321_1319772.html
  [20] Polaris Battery Network: Von der kleinen Transparenz zum Energiespeicher-Neuling: Die Branche der reinen Vanadium-Redox-Flow-Batterien könnte den Frühling 2023.3.16 begrüßen
https://news .bjx.com.cn/
• html / 20230316/1295163.shtml

• [21] Fusions- und Übernahmestipendium: Proton Exchange Membrane Industry Chain Tracking: Dongyue Group VS Pan Asia Microtransmission VS Dongcai Technology, Produkte? Technologie? Produktionskapazität? . 2022.8.3

Dieser Artikel stammt vom öffentlichen WeChat-Konto: Guoke Hard Technology (ID: guokr233), Autor: Chen Menlei

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