Titre original : "Méthode "Membrane" à hydrogène"
Une course mondiale aux armements en matière d'énergie hydrogène a commencé.
Avec le développement rapide et la demande de consommation de sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie éolienne et photovoltaïque, ainsi que les nouveaux besoins de sécurité énergétique provoqués par les conflits régionaux, l'énergie hydrogène est devenue un vecteur énergétique auquel les pays du monde entier accordent une attention particulière.
Dans cet article, nous aborderons directement le parcours technique spécifique de l'électrolyseur, l'équipement clé pour la production d'hydrogène, puis nous concentrerons davantage sur l'un des composants centraux les plus importants : le séparateur et ses tendances de développement.
Chen Menlei丨Auteur
Li Tuo丨Éditeur
Les voies actuelles de production d'hydrogène peuvent être grossièrement divisées en trois types : l'hydrogène sous-produit industriel et l'hydrogène fossile. production de carburant Hydrogène, électrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène.
L'hydrogène sous-produit industriel fait référence à l'hydrogène en tant que sous-produit produit dans d'autres processus de production industrielle. Mais il est évident que l’hydrogène ainsi obtenu ne peut pas soutenir son développement en tant que vecteur énergétique. Sa capacité de production est totalement incontrôlable et il ne peut pas véritablement parvenir à une industrialisation.
La production d'hydrogène à partir de combustibles fossiles utilise le charbon ou le gaz naturel comme matières premières pour produire de l'hydrogène. Le processus est mature et le coût est faible. C'est actuellement la méthode de production d'hydrogène la plus importante. Cette méthode implique des émissions de carbone, ne répond pas à l’objectif de neutralité carbone et ne peut pas être utilisée comme processus de production pour soutenir l’industrie de l’énergie hydrogène.
S'il est complété par la technologie de captage et de collecte du carbone, l'hydrogène produit avec zéro émission est de l'hydrogène bleu. Le problème de ce modèle est que les entreprises doivent supporter beaucoup de coûts supplémentaires et qu’il n’est pas assez économique. L’hydrogène bleu n’est pas essentiellement séparé des combustibles fossiles, il n’y a donc pas de problème fondamental. Il n’est pas étonnant que même l’Allemagne, qui est assez agressive en matière d’émissions, qualifie cette ligne de « déroutante ».
La production d'hydrogène par électrolyse de l'eau ne représente qu'une faible proportion dans la structure actuelle de production d'hydrogène, mais elle a reçu une large attention de la part de l'industrie énergétique mondiale. Les matières premières pour la production d'hydrogène par électrolyse de l'eau sont facilement disponibles et le processus de production ne produit pas d'émissions de carbone supplémentaires, ce qui est cohérent avec les objectifs du double carbone ; l'énergie hydrogène correspond au contexte actuel de croissance rapide de la capacité installée d'énergie éolienne et photovoltaïque ; L’électricité mondiale et extrêmement bon marché réduit considérablement l’énergie nécessaire à la production d’hydrogène. Le coût et la capacité de consommer de l’électricité verte répondent également aux besoins de l’industrie des énergies renouvelables et constituent un vecteur énergétique idéal dans le cadre de la tendance à la transformation énergétique. De nos jours, l'industrie mondiale de la production d'hydrogène se développe rapidement. Outre le domaine des transports, le stockage de l'énergie, la production industrielle (telle que la sidérurgie) et d'autres industries ont également été incluses dans les plans de développement et ont fixé des objectifs de développement correspondants par de nombreux pays, qui sont devenus l’orientation du développement de l’industrie énergétique.
Les données montrent que d'ici fin 2022, les investissements directs dans le domaine mondial de l'énergie hydrogène s'élèveront à près de 250 milliards de dollars américains, et le Conseil international de l'énergie hydrogène prédit que cet investissement total atteindra 500 milliards de dollars américains d'ici 2030[1] .
En Chine, le « Plan à moyen et long terme pour le développement de l'industrie de l'énergie hydrogène (2021-2035) » publié conjointement par l'Administration nationale de l'énergie en mars 2022 a fixé les objectifs de développement de l'industrie. Rien qu'entre janvier et février 2023, un total de 8 projets d'hydrogène vert avec électrolyseurs ont fait l'objet d'un appel d'offres public, et le volume total des appels d'offres pour les électrolyseurs a atteint 763,5 MW, soit une augmentation de près de 3 fois par rapport à l'année précédente, et a dépassé les livraisons nationales d'électrolyseurs. en 2022 (près de 750MW )[2]. Bien que le volume des appels d'offres et le volume des expéditions ne soient pas entièrement comparables, la croissance annuelle du volume des expéditions n'est qu'une question de rapidité.
Les autres productions d'hydrogène provenant d'énergies renouvelables, telles que la production d'hydrogène biologique, la production d'hydrogène par photolyse et d'autres voies technologiques émergentes, sont encore loin d'être commercialisées en raison de leur faible maturité et ne seront pas discutées.
Il existe actuellement quatre principales technologies de production électrolytique d'hydrogène, à savoir : l'électrolyse alcaline de l'eau (AWE), l'électrolyse à membrane échangeuse d'anions (AEM) et l'électrolyse à membrane protonique (électrolyse à membrane échangeuse de protons (PEM)) et les cellules d'électrolyse à oxyde solide (). SOEC)[3][4][5] :
Production d'hydrogène par électrolyse alcaline : la solution aqueuse alcaline AWE est l'électrolyte et la membrane PPS (sulfure de polyphénylène) est principalement utilisée comme séparateur. Sous l’action du courant continu, l’eau est électrolysée pour générer de l’hydrogène et de l’oxygène. Il s’agit actuellement de la technologie de production d’hydrogène la plus mature, la plus commercialisée et la plus largement utilisée, et c’est également la voie technique privilégiée pour l’industrie actuelle de l’énergie hydrogène. Comme nous l'avons mentionné précédemment, le nombre d'appels d'offres pour les électrolyseurs au cours des deux premiers mois de 2023 a dépassé les expéditions de l'année 2022, et ces électrolyseurs sont tous des électrolyseurs alcalins. Les avantages de la technologie AWE sont un fonctionnement simple et économique, une longue durée de vie de l'équipement, une technologie mature, une capacité de production élevée d'un seul équipement et un taux de localisation élevé qui a atteint le premier niveau international. Les inconvénients de cette voie sont que l'équipement est volumineux et nécessite un site plus grand ; l'efficacité énergétique absolue est nettement inférieure à celle des autres voies techniques car le processus de réaction implique une solution alcaline, il est corrosif dans une certaine mesure et nécessite un entretien du système ; équipement. Le défaut le plus important de l'AWE est qu'en raison des caractéristiques de certains liens de production, la vitesse de réponse de l'équipement est lente, il ne peut pas démarrer et s'arrêter rapidement, la vitesse de production d'hydrogène est difficile à ajuster et il ne convient pas aux sources d'énergie très volatiles. En d’autres termes, il est difficile de coopérer avec des sources d’énergie renouvelables telles que l’énergie éolienne et photovoltaïque.
Production d'hydrogène par électrolyse par membrane échangeuse d'anions : AEM est un procédé de préparation développé pour remédier aux défauts de l'AWE. L'équipement utilise une membrane échangeuse d'anions comme séparateur et de l'eau pure ou une solution alcaline faible comme électrolyte pour réaliser le transport de OH- de la cathode à l'anode. Le coût de cette technologie est faible et le séparateur présente une bonne étanchéité à l'air, une bonne stabilité et une faible résistance. Il peut coopérer avec des catalyseurs en métaux non précieux pour atteindre une conductivité élevée et une densité de courant élevée, et peut atténuer le problème de flux transversal de gaz de l'AWE. C'est possible pour AWE Un des plans d'amélioration. Ses inconvénients sont une faible conductivité ionique et une mauvaise stabilité à haute température. Des recherches et un développement supplémentaires de séparateurs efficaces et stables et de catalyseurs hautes performances adaptés sont nécessaires. La maturité technologique actuelle d'AEM est la plus faible parmi les quatre voies, et elle en est encore au stade de recherche et développement en laboratoire.
Production d'hydrogène par électrolyse à membrane protonique : le PEM remplace le séparateur et l'électrolyte liquide dans l'électrolyseur alcalin par une membrane échangeuse de protons en polymère pour décomposer directement l'eau pure. Il est considéré comme la technologie de production d'hydrogène de nouvelle génération qui devrait remplacer l'AWE. Une commercialisation préliminaire a été réalisée dans certains pays. Les avantages du PEM sont sa petite taille, son rendement élevé, la grande pureté de l'hydrogène produit et sa vitesse de réponse rapide. Il peut s'adapter aux grandes fluctuations des énergies renouvelables et est très approprié pour participer à la régulation de la charge du réseau électrique. L'inconvénient du PEM est que la durée de vie des équipements est moyenne et que les exigences en matière de qualité de l'eau sont plus élevées, ce qui rend l'approvisionnement en matières premières plus difficile. La capacité de production d'un seul équipement est bien inférieure à celle du proton de base actuel. la membrane est contrôlée par des sociétés étrangères et le risque d’un faible taux de localisation ne peut être ignoré. Le problème le plus important du PEM est qu'il est très coûteux. Le catalyseur utilise une grande quantité de métaux précieux tels que le platine. Le coût de l'équipement peut même atteindre 3 à 5 fois celui de la voie AWE. Ce n'est pas assez économique. Le coût a même conduit certains pays à se tourner vers la voie AWE afin de parvenir à une production à grande échelle dans les plus brefs délais.
Production d'hydrogène par électrolyse d'oxyde solide de l'eau : SOEC utilise de l'oxyde solide comme électrolyte dans un environnement à haute température de 700 ~ 1000 degrés Celsius, de la vapeur d'eau mélangée à une petite quantité d'hydrogène entre par la cathode et une électrolyse. la réaction se produit à la cathode pour se décomposer en H 2 et O2-, O2- atteint l'anode à travers la couche d'électrolyte et perd des électrons à l'anode pour générer O2. La SOEC est très différente des technologies de production d'hydrogène précédentes en termes de conception des dispositifs d'électrolyse et de conditions de travail. L'avantage est que l'efficacité énergétique est nettement supérieure à celle de l'AWE et du PEM, atteignant plus de 90 %. ne dispose pas encore de conditions de commercialisation. Il est actuellement en phase préliminaire de démonstration.
En termes de marché, mon pays est le plus grand producteur mondial d'hydrogène et le plus grand fabricant d'équipements d'électrolyse. Bien entendu, à ce stade, l’hydrogène n’existe pas comme vecteur énergétique, mais comme matière première industrielle, largement utilisée dans le raffinage du pétrole, la synthèse de l’ammoniac, la synthèse du méthanol, la sidérurgie, etc.
Les statistiques de l'Agence internationale de l'énergie montrent que la capacité mondiale de production d'hydrogène en 2021 sera d'environ 94 millions de tonnes ; la production nationale sera d'environ 33 millions de tonnes [6][7]. Cependant, l’approvisionnement mondial en hydrogène est principalement produit par le reformage de combustibles fossiles, qui produit de grandes quantités d’émissions de carbone et n’est pas propre. Cela signifie que, combiné à l’objectif du double carbone, même si l’hydrogène n’est pas considéré comme un carburant, il existe des opportunités alternatives et des scénarios de commercialisation pour la production d’hydrogène par électrolyse de l’eau, et il n’est pas nécessaire de limiter la perspective à l’industrie de l’énergie hydrogène. .
Selon le « Livre bleu annuel de l'industrie chinoise de l'hydrogène, de l'énergie et des piles à combustible (2022) », les expéditions du marché mondial des électrolyseurs atteindront 1 GW en 2022, et les expéditions totales d'électrolyseurs de la Chine dépasseront 800 MW, soit une augmentation de plus d'une année sur l'autre. plus de 129 %, et la part mondiale dépassera 80 % ; les électrolyseurs alcalins occupent une position dominante absolue, avec des expéditions annuelles de 776 MW ; les trois principaux fabricants d'équipements de production d'hydrogène en termes d'expéditions sont : Cockerill Mediacom, CSSC Perry Hydrogen Energy et Longi ; Énergie hydrogène. Parmi eux, LONGi Hydrogen Energy est passé du top cinq à la troisième place en seulement un an [8][9].
Il n'est pas difficile de comprendre que l'électrolyseur AWE a les faveurs du marché. Une technologie mature et un faible coût ont toujours été les caractéristiques préférées de la production industrielle.
En tant que technologie avec une histoire de plus d'un siècle, la maturité et la localisation actuelles de l'industrie niveau de la voie AWE Bien qu'il soit encore possible de réduire les coûts grâce à l'optimisation des équipements, l'effet ne sera pas particulièrement remarquable. Ceci est très différent de la voie PEM où les coûts d'équipement restent élevés. La logique actuelle de réduction des coûts des électrolyseurs alcalins est entrée dans la phase de recherche d'effets d'échelle pour diluer les coûts. Une manifestation typique de cela est que l'équipement devient de plus en plus grand et que la capacité de production d'un seul réservoir de 1 000 Nm³/h a augmenté. devenu pratiquement standard. CSSC Perry En décembre 2022, un « Big Mac » avec une production d'hydrogène monomère de 2000Nm³/h a été lancé[10].
En plus de l’effet d’échelle, la technologie de préparation d’AWE peut également être améliorée.
Le premier est la mise à niveau du composant principal : le diaphragme. Actuellement, les fabricants d’équipements abandonnent les membranes PPS traditionnelles au profit de séparateurs composites offrant de meilleures performances globales.
Certains diaphragmes composites se concentrent sur l'amélioration de l'utilisation de l'énergie de l'AWE. Les données BloombergNEF montrent que certaines membranes composites peuvent augmenter l'efficacité énergétique de 4 % et que le coût des membranes domestiques pourrait ne représenter qu'environ 30 % de celui en Europe, ce qui peut effectivement maintenir l'avantage de prix des équipements domestiques [11].
D'autres diaphragmes composites tentent de résoudre le problème des flux croisés de gaz dans les électrolyseurs alcalins. Pendant le processus de production d'hydrogène de l'AWE, un déséquilibre de pression se produira des deux côtés du diaphragme en raison de la production de gaz. S'il n'est pas correctement contrôlé, l'hydrogène pénétrera dans le diaphragme et se mélangera à l'oxygène, ce qui est extrêmement dangereux. Par conséquent, une gestion de la pression doit être effectuée. pendant le processus de production d’hydrogène. En fait, c’est cette exigence qui rend difficile l’adaptation des électrolyseurs alcalins aux fluctuations des alimentations électriques. L’idée de certains fabricants de séparateurs est de résoudre physiquement les fuites d’hydrogène en produisant des séparateurs dotés d’excellentes propriétés de barrière aux gaz, donnant ainsi aux électrolyseurs la capacité de s’adapter aux sources d’énergie fluctuantes.
Essentiellement, l'électrolyseur à membrane échangeuse d'anions suit la voie AWE avec un séparateur amélioré.
La production d'hydrogène à haute température par électrolyse alcaline de l'eau est également une voie de mise à niveau possible. Pour résumer brièvement, fonctionner dans des conditions de température et de pression élevées peut améliorer efficacement l’efficacité de fonctionnement de l’électrolyseur. Cependant, les électrolytes à haute température et à forte concentration peuvent provoquer des problèmes de corrosion alcaline et réduire la durée de vie des équipements. Par conséquent, des températures plus élevées nécessitent des matériaux plus résistants à la corrosion, ce qui rend la gestion du système plus difficile. La haute température est encore au stade du laboratoire.
Les recherches sur la production d’hydrogène à partir de l’eau de mer ne sont pas non plus rares. Les ressources éoliennes et solaires côtières et offshore sont relativement abondantes et les ressources en eau sont presque illimitées. Ce sont des endroits idéaux pour la production d’hydrogène sur site à partir d’énergies renouvelables. Le problème actuel est que la composition de l'eau de mer est très complexe et que les ions qu'elle contient subiront diverses réactions chimiques avec des solutions alcalines, affectant gravement le fonctionnement des équipements de production d'hydrogène. Si le modèle terrestre de purification de l’eau de mer et de production d’hydrogène n’entraîne pas forcément un surcoût trop important, la situation offshore est complètement différente. Le coût de construction d’une plate-forme en mer est très élevé, et l’installation d’équipements de dessalement supplémentaires fera monter en flèche les coûts, réduisant encore davantage la situation économique déjà médiocre. Développer des équipements capables d’électrolyser directement l’eau de mer est également l’orientation des chercheurs et des entreprises.
Une autre idée est d'optimiser le système de contrôle, d'établir un modèle capable de s'adapter aux fluctuations de l'alimentation électrique et de mettre à niveau la stratégie de fonctionnement sans mettre à niveau l'équipement de production d'hydrogène pour éviter les démarrages et les arrêts répétés et obtenir un fonctionnement stable.
Ce qui est plus simple et plus direct, c'est de connecter l'énergie renouvelable aux équipements de stockage d'énergie, de lisser directement les fluctuations du côté de la production d'électricité, puis de se connecter à la chaîne de production d'hydrogène. L’avantage est qu’il permet de mettre en œuvre rapidement le projet, mais l’inconvénient est qu’il augmentera naturellement le coût de production de l’hydrogène.
Il est concevable que si les améliorations technologiques mentionnées ci-dessus et non mentionnées peuvent être mises en œuvre, la production d'hydrogène AWE disposera d'une grande quantité d'énergie extrêmement bon marché, améliorera l'économie et jettera une base solide pour la promotion de l'industrie de l'énergie hydrogène. De plus, l'autonomie actuelle de la Chine et l'accumulation de technologies dans la voie des électrolyseurs alcalins sont nettement meilleures que dans la voie PEM. Plutôt que de concurrencer de force les entreprises étrangères sur des domaines techniques dans lesquels elles ne sont pas très douées, il est préférable d'approfondir les domaines forts, ce qui est également une idée concurrentielle très courante.
PEM Composant central de la production d'hydrogène, la situation de la membrane échangeuse de protons est plus compliquée.
La membrane échangeuse de protons traditionnelle est un produit final des produits chimiques organiques fluorés. Elle a une fonction spécifique de transfert de protons, elle est également un composant clé des piles à combustible à hydrogène et des batteries à flux liquide tout aussi chaud.
Par rapport à la production d'hydrogène AWE, il existe un certain écart entre la voie de production d'hydrogène PEM de mon pays et les niveaux avancés étrangers. Les barrières techniques aux membranes protoniques sont relativement élevées. À l'heure actuelle, la Chine est relativement dépendante des importations et le taux de localisation est faible. Bien entendu, les opportunités de localisation correspondantes sont également plus abondantes. Associé à un espace d'application plus large, à une croissance de la demande motivée par les politiques et à des marges bénéficiaires plus élevées en tant que produit de haute technologie, on peut considérer que la membrane protonique sera un marché qui devrait connaître une croissance rapide.
Cet article prend l'équipement de production d'hydrogène comme perspective principale, donc sans explication supplémentaire ci-dessous, il est supposé faire référence spécifiquement à la membrane échangeuse de protons pour électrolyseurs
D'après le principe de base, le processus électrochimique dans l'électrolyseur PEM est le suivant : eau pure entre par le canal d'entrée d'eau Couche catalytique, sous l'action combinée de l'alimentation CC et du catalyseur, l'anode produit des ions oxygène et hydrogène, et les ions hydrogène traversent la membrane échangeuse de protons et se combinent avec les électrons de la cathode pour produire de l'hydrogène gazeux . La structure de l'électrolyseur PEM est représentée dans la figure ci-dessous, qui est principalement composée de plaques bipolaires, de couches de diffusion poreuses, de membranes échangeuses de protons et de couches catalytiques cathodiques et anodiques [5].
La pile à combustible est le dispositif de réaction inverse de l'électrolyseur PEM, qui électrolyse l'eau en hydrogène et de l'oxygène, la pile à combustible utilise l'hydrogène et l'oxygène comme matériaux de réaction de l'anode et de la cathode, et produit finalement de l'eau et de l'électricité.
Bien que les électrolyseurs et les piles à combustible fonctionnent tous deux sur la base de membranes à protons et aient des structures similaires, les exigences des produits sont différentes, les indicateurs de performance sont incohérents et les systèmes de matériaux des produits finaux sont également très différent. Il ne peut pas être généralisé.
La structure globale de l'électrolyseur est relativement simple, mais les conditions de travail sont plus sévères, nécessitant des matériaux avec une durée de vie et une durabilité plus élevées, ce qui rend la membrane utilisée dans les électrolyseurs plus épaisse que celle utilisée dans les piles à combustible, partant des besoins des voitures ; fabrication et proton La membrane nécessite un traitement de modification supplémentaire pour l'améliorer. Par exemple, Gore utilise du polytétrafluoroéthylène expansé (ePTFE) comme matériau de renforcement pour produire des membranes à protons ultra-minces, qui sont utilisées dans les véhicules à pile à combustible de Toyota, Hyundai et Honda. [13] .
Cela montre que lors de l'évaluation des produits, il est également nécessaire de considérer des scénarios d'application spécifiques en aval. Plutôt que de simplement supposer qu'une entreprise produit des membranes protoniques, elle a la capacité de couvrir plusieurs domaines.
Il convient de noter que le coût de l'équipement de l'électrolyseur PEM est la principale raison du coût élevé. La membrane échangeuse de protons est également la partie centrale de l'électrolyseur, mais sa proportion dans le coût total de production d'hydrogène n'est pas élevée (environ 2,3 %). Domestique L'effet de la chimisation sur la réduction des coûts n'est pas important. L'importance principale de la localisation n'est pas seulement les opportunités commerciales, mais aussi le fait d'éviter d'être supprimé par les pays étrangers dans les liens clés.
Les produits à membrane échangeuse de protons se distinguent principalement par leur teneur en fluor et peuvent être divisés en membranes échangeuses de protons perfluorées, membranes échangeuses de protons en polymère partiellement fluoré et polymère non fluoré. matériaux Il existe quatre catégories : membrane échangeuse de protons et membrane échangeuse de protons composite. Parmi elles, la membrane échangeuse de protons de l'acide perfluorosulfonique est la plus mature, a les meilleures performances globales et est la plus largement utilisée commercialement. Les électrolyseurs PEM utilisent des membranes d'acide perfluorosulfonique.
Du point de vue de la chaîne industrielle, l'amont de la membrane échangeuse de protons est le matériau monomère de l'industrie chimique du fluor organique. Le matériau direct du produit le plus courant est le matériau de résine d'acide perfluorosulfonique, qui s'étend vers le haut jusqu'au tétrafluoroéthylène. dans l'industrie chimique du fluor organique, de l'éther perfluoroalkylvinylique et d'autres matériaux monomères, la traçabilité peut être retracée jusqu'aux matières premières telles que le fluorine, le fluorure d'hydrogène, les réfrigérants [15].
Actuellement, le processus de production de membranes échangeuses de protons peut être divisé en deux catégories : la méthode de formation de film fondu (méthode d'extrusion par fusion) et la méthode de formation de film en solution. Parmi elles, la méthode de formation de film en solution est actuellement largement utilisée dans le commerce. .Artisanat. La méthode de formation de film en solution peut être subdivisée en méthode de coulée en solution, méthode de coulée en solution et méthode sol-gel, la méthode de coulée en solution étant la méthode dominante [15].
Sous réserve de déficiences technologiques, le taux de localisation actuel des membranes échangeuses de protons dans divers domaines n'est pas élevé et est en phase de rattrapage.
La capacité mondiale de production de membranes échangeuses de protons est essentiellement monopolisée par les pays étrangers. Pendant longtemps, la production de membranes échangeuses de protons perfluorées a été principalement concentrée dans les pays développés comme les États-Unis et le Japon. Les principales entreprises comprennent DuPont, Dow et Gore aux États-Unis, ainsi qu'Asahi Glass et Asahi Kasei au Japon. Dans le domaine des membranes à protons, les produits de DuPont sont les plus compétitifs et ont la plus forte accumulation technologique ; les électrodes à membrane pour piles à combustible sont dominées par Gore. Au niveau national, le groupe Dongyue est le leader de l'industrie et Kerun New Materials propose également des produits à membrane protonique fabriqués en série.
La membrane protonique est relativement difficile à préparer à partir de matières premières. La résine d'acide perfluorosulfonique est une substance avec un processus de préparation très complexe. Elle peut être considérée comme le summum technologique de la chaîne de l'industrie chimique fluorée. Son processus de production implique un grand nombre de conditions de réaction difficiles, des processus compliqués et des marchandises explosives et dangereuses. La manière de produire des matériaux membranaires présentant une stabilité chimique, une résistance mécanique, des performances électrochimiques et d'autres indicateurs répondant aux besoins en aval a déjà établi des normes élevées pour les entreprises. Le processus de formation de film sur membrane protonique est encore plus difficile et impose des exigences strictes en matière d’équipement, d’ateliers et de gestion de la chaîne de production. De plus, en raison de l'avantage du premier arrivé, les entreprises du Japon, des États-Unis et d'autres pays ont maîtrisé un grand nombre de brevets clés dans le domaine des membranes protoniques. Comment construire leur propre système professionnel et contourner les barrières professionnelles est également un problème. problème auquel sont confrontées les entreprises nationales.
Pour rattraper le niveau avancé international, les talents, l'accumulation de technologies et des dépenses d'investissement suffisantes dans les industries locales sont essentiels. Dans le même temps, les grandes entreprises étrangères exerceront également une forte pression sur les entreprises nationales. Les difficultés rencontrées par les équipements de production d'hydrogène de la Chine dans les membranes échangeuses de protons sont très similaires à celles de l'industrie des photorésistes. Elles proviennent du désavantage de la Chine en tant que retardataire dans le domaine des produits chimiques spécialisés.
En termes de part de marché, en termes de taux de localisation des membranes échangeuses de protons pour piles à combustible, les données GGII montrent que la demande de membranes échangeuses de protons pour électrodes à membrane domestiques en 2020 est de 44 000 m2, dont la part de marché des membranes échangeuses de protons domestiques les membranes échangeuses de protons est de 7,5 %, passant à 11,61 % d'ici 2021[17].
Le marché des membranes échangeuses de protons PEM pour la production d'hydrogène à partir de l'électrolyse de l'eau est petit et sa part est occupée par les membranes de la série Chemours (anciennement DuPont des États-Unis) Nafion™. 76 %, et la part de marché des membranes échangeuses de protons nationales est de 21,45 %. Les recherches du GGII montrent que Dongyue Future Hydrogen Energy, une filiale du groupe Dongyue, a terminé la vérification préliminaire des demandes de certains clients et commencera la substitution localisée en 2021, avec une part de marché d'environ 15 % [17].
En 2021, le taux de localisation des membranes échangeuses de protons pour batteries à flux sur le marché chinois est d'environ 23,15 %. Les principaux fabricants sont Kerun New Materials et Dongyue Future Hydrogen Energy, et les autres entreprises nationales sont des échangeurs de protons. membranes pour batteries à flux. Toutes sont en phase de vérification des échantillons. Le marché intérieur est toujours dominé par la membrane en résine d'acide perfluorosulfonique de Chemours, avec une part de marché de 75 %[17].
Enfin, bien que nous ayons mentionné au début de cette section que les membranes échangeuses de protons ont un fort potentiel de croissance, cela ne fait que décrire son potentiel de croissance. La taille absolue du marché n'est pas encore très grande et la croissance future est confrontée à plus d'incertitude. .
Théoriquement, les véhicules à hydrogène devraient être l'industrie qui utilise le plus grand nombre de membranes échangeuses de protons. Selon les estimations de CITIC Securities, lorsque le nombre de véhicules à pile à combustible atteindra 1 million en 2030, l'espace de marché correspondant des membranes échangeuses de protons atteindra 13,2 milliards de yuans[15]. Il faut néanmoins considérer que les perspectives de croissance des véhicules à pile à combustible ne sont pas très claires, du moins à l'heure actuelle, ils sont bien moins compétitifs que les véhicules électriques à batterie au lithium. Ils ne sont utilisés qu'en faible quantité dans le domaine des véhicules utilitaires. et ces applications sont principalement à des fins de démonstration. Cela doit présenter des avantages décisifs pour les véhicules utilitaires électriques.
Le marché des membranes protoniques correspondant aux électrolyseurs PEM est relativement limité. L'agence prévoit que la taille du marché des électrolyseurs d'ici 2025 sera de 35 milliards de yuans. Sur la base de ce calcul, si la structure des coûts ne change pas de manière significative et que la voie PEM occupe complètement le marché, le marché correspondant des membranes protoniques sera d'environ 1,75 milliard. yuans. En réalité, la situation ne peut être que bien inférieure à ce chiffre[18]. De plus, la production industrielle n’a jamais été très intéressée par l’avancée technologique. Si le PEM n’est jamais en mesure de rivaliser avec la voie AWE au niveau des coûts, ce ne sera pas la voie optimale pour l’ensemble de l’industrie de production d’hydrogène, ni pour la part de marché. sera plus petit.
La batterie à flux entièrement en vanadium est l'une des voies technologiques les plus populaires en matière de batterie à flux. Elle a attiré l'attention du marché principalement en tant que technologie potentielle de stockage d'énergie à long terme. Le « 14e plan quinquennal » Nouveau stockage d'énergie publié en mars 2022. Le plan de mise en œuvre du développement" inclura des centaines de technologies de batteries à flux de niveau mégawatt dans l'une des orientations clés de la nouvelle technologie et de l'équipement de base de stockage d'énergie [19]. La membrane échangeuse de protons, ou membrane échangeuse d'ions (le nom spécifique dépend du domaine d'application), est utilisée dans les piles électriques pour bloquer les ions vanadium de différentes valences et permettre le passage des ions hydrogène. Fin octobre 2022, l'échelle totale des projets de batteries à flux redox entièrement au vanadium, y compris l'enregistrement, la construction, la construction, l'attribution d'offres et les appels d'offres, avait atteint 1,3 GW/5,4 GWh. Parmi eux, le nombre total de projets démarrés, remportés et en construction dépasse 2,0 GWh et devraient être progressivement mis en œuvre en 2023[20].
Cependant, il existe actuellement de nombreuses voies de stockage d'énergie, et il n'y a pas de gagnant définitif, et les choix technologiques correspondant aux différents scénarios de stockage d'énergie peuvent également être différents. Il existe encore une grande incertitude quant à la commercialisation des batteries à flux redox entièrement au vanadium.
En plus des scénarios d'application ci-dessus, les membranes échangeuses de protons ont également un aval moins connu, l'industrie du chlore-alcali. Plus strictement parlant, ce type de membrane de fluorure organique devrait être largement utilisé comme membrane ionique dans l'industrie du chlore-alcali. La méthode de la membrane ionique est actuellement le processus de production le plus courant dans l'industrie du chlore-alcali, y compris dans mon pays. Elle présente les avantages d'une faible consommation d'énergie, d'une concentration élevée d'alcali liquide, d'un degré élevé d'automatisation de la production et d'une moindre pollution de l'environnement. le taux d'utilisation est proche de 100% [15] . La membrane échangeuse d'ions perfluorée est le matériau de base, composé d'une membrane d'acide perfluorosulfonique, d'une membrane d'acide perfluorocarboxylique et d'un treillis renforcé de polytétrafluoroéthylène. Elle dépend également des importations. Étant donné que le chlore-alcali est une industrie très consommatrice d'énergie, il est extrêmement difficile d'augmenter la production. Il s'agit d'un marché boursier standard et la demande est relativement fixe, même si la substitution nationale est pleinement réalisée. l’échelle ne sera que d’environ 450 millions, ce qui n’a pas reçu une grande attention dans la limite du raisonnable[21].
À la fin de l'article, nous devons encore verser régulièrement une bassine d'eau froide.
L'énergie hydrogène est bien sûr bonne, mais elle est aussi très immature. Bien qu’il existe quelques applications dans le secteur énergétique actuel, l’hydrogène en tant qu’industrie est loin de correspondre à la vision qu’il représente.
Les contraintes liées à l’immaturité de l’énergie hydrogène ne se limitent pas au processus de production d’hydrogène. D’autres problèmes tels que le stockage et le transport, le ravitaillement, la commercialisation spécifique et la construction d’installations de soutien posent tous des problèmes d’une sorte ou d’une autre.
Mais ce que nous constatons, c'est que certaines entreprises, institutions d'investissement et même les médias consacrent souvent beaucoup d'attention et de dépenses en capital aux piles à combustible terminales, mais ignorent intentionnellement ou non le développement systémique de l'industrie. Ce n'est en fait pas difficile à comprendre. Après tout, comparées à d'autres liens, les piles à combustible sont les plus simples et il y a des traces à suivre - il n'y a probablement pas quelques personnes qui traversent la rivière en palpant la batterie au lithium et en essayant d'« investir ». dans la prochaine ère CATL".
Cependant, il est difficile d'imaginer comment l'énergie hydrogène peut créer à partir de rien un leader au niveau CATL sans un réseau électrique national et un processus de préparation des matériaux principaux de batterie mature. En l’absence d’une chaîne industrielle mature et d’une structure industrielle systématique, il n’est pas réaliste de tenter de conquérir un certain maillon. De plus, les lecteurs doivent avoir leur propre jugement quant au nombre d'acteurs qui entrent actuellement dans le secteur de l'énergie hydrogène qui franchissent le seuil technique faible du secteur de l'énergie hydrogène simplement pour suivre les tendances, spéculer sur des sujets d'actualité, persuader les investisseurs ou même pour frauder. investisseurs.
De plus, l’hydrogène énergie n’est qu’une des nombreuses voies prometteuses. Bien qu'il présente une série d'avantages tels que la propreté et un pouvoir calorifique élevé, la vague actuelle de transformation du marché mondial de l'énergie coïncide avec la traversée de la mer par les huit immortels. Il y a une grande incertitude quant à la future voie technologique dominante. l’énergie va certainement gagner et devenir le futur marché la puissance dominante. Quelle que soit la taille de la peinture à tarte, au moins à ce stade, ce n'est qu'une peinture.
L'énergie hydrogène a certainement une signification positive, mais il est peu probable que le développement industriel soit achevé d'un seul coup. On espère que les acteurs et les promoteurs de l’industrie pourront considérer les lois objectives du développement de manière plus rationnelle. Soif de réussite rapide et myopie sont souvent synonymes, et le résultat le plus probable d'une approche impétueuse est les vieux trucs du marché.
Références :
[1] Zhang Rui : La concurrence mondiale pour le développement et l'utilisation de l'énergie hydrogène bat son plein International Business Daily 2023.03.22http://news. .cnpc.com.cn / system / 2023/03/22/030096412.shtml
[2] Yu Qi : Les électrolyseurs à hydrogène vert font face à un boom des enchères ! Les expéditions en janvier-février ont dépassé l'ensemble de l'année dernière, et ces sociétés cotées prévoient des activités connexes Cailianshe 2023.03.19 https://www.cls.cn/ détail / 1297804
[3] Yu. Hongmei, Shao Zhigang, Hou Ming, Yi Baolian, Duan Fangwei et Yang Yingxuan (2021). Progrès de la recherche et suggestions de développement pour la technologie de production d'hydrogène à partir de l'électrolyse de l'eau, 23 (2), 146-152.
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[8] LONGi News : La Chine en 2022 Le classement des expéditions d'électrolyseurs est publié et LONGi Hydrogen Energy se classe parmi les trois premiers du pays 2022.12.15 https://www.longi.com/ cn/news/trendbank-2022-hydrogen/
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[20] Réseau de batteries Polaris : de la petite transparence au nouveau système de stockage d'énergie : l'industrie des batteries à flux redox tout vanadium pourrait accueillir le printemps 2023.3.16
https://news. .bjx.com.cn/[21] Bourse de fusion et d'acquisition : suivi de la chaîne industrielle des membranes échangeuses de protons : groupe Dongyue VS microtransmission panasiatique VS technologie Dongcai, produits ? technologie? Capacité de production ? 2022.8.3
Cet article provient du compte public WeChat : Guoke Hard Technology (ID : guokr233), auteur : Chen Menlei
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