Status Atual e Tendências de Desenvolvimento da Indústria de Eletrolisadores de Hidrogênio [Cúpula de Nova Energia]

No Fórum de Desenvolvimento da Indústria de Hidrogênio da Exposição da Indústria de Nova Energia (10ª edição) de 2025, organizado pela SMM Information & Technology Co., Ltd. (SMM), Shi Yong, engenheiro-chefe da Jiangsu Trina Yuan Hydrogen Technology Co., Ltd., analisou o tema "Status Atual e Tendências de Desenvolvimento da Indústria de Eletrolisadores para Produção de Hidrogênio". Status Atual do Desenvolvimento Posição Estratégica da Energia de Hidrogênio Posicionamento Estratégico: 1. A energia de hidrogênio é um componente importante do futuro sistema energético nacional. 2. A energia de hidrogênio é um vetor fundamental para alcançar a transformação verde e de baixo carbono no consumo de energia do usuário final. 3. A indústria de energia de hidrogênio é uma indústria emergente estratégica e uma direção-chave para o desenvolvimento industrial futuro. Eletrolise de Água para Produção de Hidrogênio Análise de Mercado De acordo com um relatório da Nexbind Insight Market Research, a capacidade de mercado dos eletrolisadores para produção de hidrogênio deverá ultrapassar US$ 10 bilhões até 2030, com uma taxa de crescimento superior a 25,8% entre 2024 e 2030. Eletrolise de Água com Óxido Sólido para Produção de Hidrogênio Eletrolise de Água com Óxido Sólido de Alta Temperatura para Produção de Hidrogênio (SOEC) Princípio: A SOEC pode ser teoricamente considerada a operação inversa de uma Célula de Combustível de Óxido Sólido (SOFC). Seu princípio de funcionamento envolve a utilização da condutividade iônica de eletrolitos de óxido sólido em altas temperaturas (600-1000°C) para eletrolisar moléculas de água em hidrogênio e oxigênio. Cenários de Aplicação: Energia nuclear, metalurgia do hidrogênio e outros cenários que geram calor residual industrial significativo, reduzindo as emissões de carbono. Status Atual do Desenvolvimento: Atualmente, em fase de operação experimental comercial limitada. Vantagens do Status Atual do Desenvolvimento da SOEC 1. Alta eficiência, baixo consumo de energia: A eficiência da eletrolise em alta temperatura aumenta em 20-50%, economizando 20-30% de eletricidade. 2. Baixo custo: Os materiais são principalmente pós cerâmicos, sem metais preciosos. Combinado com calor residual externo, a economia de eletricidade pode chegar a cerca de 50%. 3. Reversibilidade: A SOEC pode alternar flexivelmente entre os modos de eletrolisador e SOFC, formando um ciclo "eletricidade-hidrogênio-eletricidade". 4. Verde e de baixo carbono: Impulsionada por energia renovável, integrada ao calor de síntese química, permitindo a reciclagem de dióxido de carbono e água capturados em gás natural sintético, gasolina, metanol ou amônia. Status Atual do Desenvolvimento da SOEC Desvantagens do Produto: 1. Requisitos elevados de materiais, dificuldade na produção de eletrodos únicos de grande porte. 2. Partida e operação complexas. 3. Tecnologia de vedação difícil. 4. Cenários de aplicação limitados e efeitos de escala. 5. Baixa maturidade técnica, atualmente em fase de conversão de laboratório para comercial. Direções de Desenvolvimento: 1. Durabilidade dos materiais e estabilidade do sistema em ambientes de alta temperatura. 2. Produção em escala e controle de qualidade de células únicas e pilhas. 3. Melhoria da estabilidade e vida útil das pilhas. 4. Controle de acoplamento aprimorado com energia renovável. Eletrolise de Água com Membrana de Troca de Prótons para Produção de Hidrogênio Princípio: Os eletrolisadores PEM utilizam um polímero sólido poroso como eletrolito e separador entre o ânodo e o cátodo. No ânodo, as moléculas de água sofrem oxidação para gerar oxigênio; no cátodo, os íons de hidrogênio passam através da membrana de troca de prótons sob um campo elétrico e se combinam com elétrons para produzir hidrogênio. Vantagens dos Eletrolisadores de Membrana de Troca de Prótons (PEM): 1. Resposta rápida, operação de ampla carga: Pode se adaptar a entradas de energia que mudam rapidamente, especialmente energia verde eólica e solar flutuante. 2. Partida e parada rápidas: O sistema pode ser iniciado e desligado rapidamente, adequado para aplicações como postos de abastecimento de hidrogênio. 3. Estrutura compacta: Pressão unilateral, estrutura compacta, pequena área de ocupação. 4. Verde e limpo: Impulsionado por energia renovável, eletrolisa água pura, livre de poluição, hidrogênio de alta pureza. Status Atual do Desenvolvimento dos Eletrolisadores de Membrana de Troca de Prótons (PEM) Desvantagens do Produto: 1. Pequena produção de hidrogênio por célula. 2. Desempenho insuficiente (comparado nacional e internacionalmente): Componentes-chave, densidade de corrente, consumo unitário de energia CC, carga de metal precioso etc. 3. Alto custo: Processos de preparação complexos para membranas de troca de prótons, catalisadores de metais preciosos e eletrodos de membrana. 4. Necessidade de melhoria da durabilidade: As membranas de troca de prótons são propensas a estresse mecânico, corrosão química e envelhecimento; os catalisadores de metais preciosos são propensos a aglomeração e envenenamento. Direções de Desenvolvimento: 1. Melhorar o desempenho e a estabilidade: Otimizar as membranas de troca de prótons (capacidade de transporte de prótons, estabilidade), estrutura do eletrolisador. 2. Reduzir custos: Localizar alternativas de membrana de prótons, reduzir o uso de catalisadores de metais preciosos; melhorar os processos de preparação de eletrodos de membrana. 3. Alta pressão de trabalho: Aumentar ainda mais a capacidade de pressão unilateral, melhorar a uniformidade do material, reduzir os custos subsequentes de equipamentos. Eletrolise de Água com Membrana de Troca de Ânions para Produção de Hidrogênio Eletrolise de Água com Membrana de Troca de Ânions para Produção de Hidrogênio (AEM) Princípio: A produção de hidrogênio AEM utiliza água pura ou álcali de baixa concentração como eletrolito. A água permeia do ânodo através da membrana AEM para o cátodo, onde ocorre a evolução de hidrogênio, produzindo OH- e hidrogênio. O OH- conduz através da membrana AEM para o ânodo, onde ocorre a evolução de oxigênio. Status Atual do Desenvolvimento dos Eletrolisadores de Membrana de Troca de Ânions (AEM) Vantagens do Produto: Partida e parada rápidas: As membranas AEM têm boa condutividade iônica, permitindo a partida e parada rápidas do eletrolisador. O lado de evolução de hidrogênio aplica pressão de cerca de 3 MPa, eliminando a necessidade de remoção de oxigênio do hidrogênio. Resposta dinâmica rápida, adaptação flexível à energia renovável. Baixo custo: Pode utilizar materiais catalisadores não preciosos. Desvantagens do Produto: 1. Membranas AEM: Síntese de materiais complexa, efeitos de escala limitados, alto custo, curta vida útil. 2. As membranas AEM apresentam inchaço significativo, dificuldade na preparação de células únicas de grande porte. 3. Os catalisadores do cátodo ainda são principalmente Pt/C, com densidade de corrente inferior em comparação com a PEM. 4. Tecnologia imatura, nos estágios iniciais de comercialização. Direções de Desenvolvimento: 1. Melhoria do material da membrana: Desenvolver AEMs com alta condutividade, seletividade iônica e estabilidade alcalina a longo prazo. 2. Otimização do eletrodo: Desenvolver catalisadores não preciosos de alto desempenho. 3. Aumentar ainda mais a densidade de corrente. Eletrolise Alcalina de Água para Produção de Hidrogênio Eletrolise Alcalina de Água para Produção de Hidrogênio (ALK) Princípio: A eletrolise alcalina de água utiliza uma solução alcalina como eletrolito. Sob corrente contínua, o cátodo sofre redução, ganhando elétrons para produzir hidrogênio e íons hidroxila; o ânodo sofre oxidação, com os íons hidroxila perdendo elétrons para produzir oxigênio e água. Status Atual do Desenvolvimento dos Eletrolisadores Alcalinos (ALK) Os sistemas atuais de eletrolise alcalina de água incluem principalmente eletrolisadores, dispositivos de separação gás-líquido e dispositivos de purificação. Vantagens do Produto: Baixo custo: Os materiais dos eletrodos são relativamente de baixo custo, utilizando catalisadores não preciosos. Eficiência de eletrolise: Sob condições de carga total, o eletrolisador de segunda geração da Trina Yuan Hydrogen pode alcançar cerca de 85% de eficiência. Operação de ampla carga: Pode operar de forma estável em uma ampla faixa de densidade de corrente (25%-130%), com baixos requisitos para a qualidade da energia de entrada, compatível com várias fontes de energia. Escalabilidade: Adequado para projetos de grande escala de produção de hidrogênio verde. Status Atual do Desenvolvimento dos Eletrolisadores Alcalinos (ALK) Questões a serem resolvidas: Eficiência de eletrolise; faixa estreita de baixa potência; velocidade de resposta lenta; baixa precisão no design do campo de fluxo; partidas e paradas frequentes levando a baixa estabilidade dos materiais. Direções de Desenvolvimento: 1. P&D e inovação tecnológica: Projeto de eletrodo, diafragma, estrutura do eletrolisador, pesquisa de resistência à corrosão dos materiais, pesquisa e simulação do sistema. 2. Produção padronizada: Estabelecer sistemas de produção padronizados, selecionar peças de alta qualidade. 3. Gestão de energia: Melhorar a eficiência de utilização da energia, construir um sistema energético integrado "eólica-solar-hidrogênio-armazenamento". 4. Manutenção e gestão de equipamentos: Estabelecer um conceito de ciclo de vida completo, operação inteligente. Análise Comparativa dos Eletrolisadores Eletrolisadores de Célula Única de Grande Escala O Debate "Quadrado" vs. "Redondo" Resumo e Comparação de Quatro Tecnologias de Eletrolise de Água Clique para visualizar o relatório especial da Exposição da Indústria de Nova Energia (10ª edição) de 2025.

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