Hoe kan ik efficiënte en stabiele gelijkstroom voor groene waterstof garanderen?

De verschuiving naar groene waterstof belooft het niveau van broeikasgassen te verlagen. Energie uit hernieuwbare bronnen zoals waterkracht, wind en zon, lokaal opgewekt of getransporteerd via het elektriciteitsnet, moet efficiënt worden omgezet naar gelijkstroom (DC) om water te elektrolyseren. Voor systeemontwerpers is het een uitdaging om te zorgen voor hoge en stabiele DC-niveaus met lage harmonische vervorming, hoge stroomdichtheid en goede vermogensfactoren (PF's).

Dit artikel bespreekt het principe van groene waterstof. Vervolgens worden vermogenscomponenten van Infineon Technologies geïntroduceerd en wordt getoond hoe deze kunnen worden gebruikt om de input van milieuvriendelijke energiebronnen om te zetten in stabiele elektrische vermogens met de eigenschappen die nodig zijn om groene waterstof te genereren.

Waterstofproductie door elektrolyse van water

Waterstof kan van water worden gescheiden door elektrolyse. Het bijproduct van dit proces is zuurstof. Het elektrolyseproces vereist de toepassing van constante, hoge niveaus van gelijkstroom. Dit proces vindt plaats in een elektrolysecel of elektrolytiseerder die meestal een anode (positieve elektrode) en een kathode (negatieve elektrode) bevat waar de elektrochemische reacties plaatsvinden. Een vloeibare of vaste elektrolyt omsluit de elektroden en geleidt de ionen ertussen. Afhankelijk van het gebruikte proces kan een katalysator nodig zijn om de reactiesnelheid te verhogen. De cel wordt gevoed door een constante gelijkstroombron of voeding van hoog niveau (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een elementaire elektrolysecel scheidt de waterstof- en zuurstofelementen van water. (Bron afbeelding: Art Pini)

De cel bevat ook een separator (niet weergegeven in dit diagram) om te voorkomen dat de waterstof en zuurstof die bij de elektrodes worden geproduceerd, zich vermengen.

Het proces vereist een hoog niveau van DC. Onder ideale omstandigheden zonder energieverlies is minimaal 32,9 kilowattuur (kWh) aan elektrische energie nodig om genoeg watermoleculen te elektrolyseren om 1 kilogram (kg) waterstof te produceren. Dit hangt af van de efficiëntie van het gebruikte elektrolyseproces.

Er worden momenteel drie verschillende processen gebruikt: alkaline elektrolyse (AEL), protonuitwisselingsmembraan (PEM) en vaste oxide elektrolyse.

De meest bekende elektrolyzers zijn AEL elektrolyzers, die een alkalische oplossing zoals kaliumhydroxide gebruiken tussen de metaalelektroden. Ze zijn minder efficiënt dan de andere soorten elektrolyzers.

PEM-elektrolyzers gebruiken een vaste polymeerelektrolyt versterkt met edelmetaalkatalysatoren. Ze worden gekenmerkt door een hogere efficiëntie, snellere reactietijden en een compact ontwerp.

SOEC's (Solid oxide electrolyzer cells) gebruiken een vast keramisch materiaal als elektrolyt. Ze kunnen zeer efficiënt zijn, maar vereisen hoge bedrijfstemperaturen. Hun reactietijden zijn langzamer dan die van de PEM elektrolyzers.

Een vergelijking van de karakteristieken van de drie technieken wordt getoond in Figuur 2.

Afbeelding 2: Een vergelijking van de karakteristieken van de AEL-, PEM- en SOEC-processen benadrukt de verbeterde efficiëntie van de nieuwere elektrolyzers. (Bron afbeelding: Infineon Technologies)

Groene waterstofopwekking kost momenteel meer om te produceren dan waterstof uit fossiele brandstoffen. Dit kan worden omgekeerd door de efficiëntie van de afzonderlijke componenten te verbeteren, waaronder de elektrolyzers en energiesystemen, en door de conversiefabrieken op te schalen.

Voedingssysteemconfiguraties voor net en groene stroombronnen

Op dit moment werken de meeste waterstofcentrales onafhankelijk van het elektriciteitsnet. De stroombron voor een elektrolyzer is een AC naar DC gelijkrichter gevoed door een lijntransformator. Elektrolyse-installaties die op het elektriciteitsnet worden aangesloten, moeten aan alle normen en codes van het elektriciteitsnet voldoen, zoals het bereiken van een PF van 1 en het handhaven van een lage harmonische vervorming. Er zijn verschillende energiesystemen nodig als groene energiebronnen worden opgenomen in het waterstofscheidingsproces (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Elektrolyse-installaties moeten stroom van de bron omzetten in gelijkstroom voor de elektrolysecellen. (Bron afbeelding: Infineon Technologies)

Net als het elektriciteitsnet zijn windenergiebronnen wisselstroom en om elektrolysecellen van stroom te voorzien is een gelijkrichter nodig om de wisselstroom om te zetten in gelijkstroom. Zonne-energie en hybride bronnen die gebruik maken van batterijen zijn afhankelijk van DC/DC-converters om de DC-niveaus te regelen die de elektrolysecellen aandrijven. De elektrolysecel kan ook een lokale DC/DC-omvormer gebruiken, ongeacht de stroombron. De elektrolysecel vertegenwoordigt een constante gelijkstroombelasting. Vanwege de veroudering van de elektrolysecel moet de toegepaste spanning toenemen tijdens de levensduur van de cel, dus het stroomomzettingssysteem (PCS) moet dat proces aankunnen. PCS'en, of ze nu zijn aangesloten op een wisselstroom- of gelijkstroombron, hebben een aantal gemeenschappelijke specificaties.

Hun uitgangsspanning moet tussen 400 V_DC en 1.500 V_DC liggen). Alkalinecellen hebben een maximaal spanningsbereik van ongeveer 800 V. PEM-cellen zijn niet zo beperkt en bewegen zich naar de bovenkant van het spanningsbereik om de verliezen te verlagen en de kosten te drukken. Het uitgangsvermogen kan variëren van 20 kilowatt (kW) tot 30 megawatt (MW). De stroomrimpel van de PCS moet minder dan 5% zijn, een specificatie die nog wordt bestudeerd vanwege het effect op de levensduur en efficiëntie van de cel. PCS-gelijkrichterontwerpen voor netbronnen, vooral voor hogere vermogensbelastingen, moeten voldoen aan de vereisten voor grote belastingen en PF van energiebedrijven.

Stroomconversie voor AC-bronnen

Waterstofcentrales die op wisselstroom werken, hebben een gelijkrichter nodig die een elektrolysecel rechtstreeks kan aandrijven of een gelijkstroomrooster kan aandrijven dat aan meerdere cellen is gekoppeld.

Een meerpulsgelijkrichter is een veelgebruikte keuze (Afbeelding 4). Dit op een thyristor gebaseerde gelijkrichterontwerp heeft een hoog rendement, is betrouwbaar, ondersteunt hoge stroomdichtheden en maakt gebruik van goedkope halfgeleiders.

Afbeelding 4: Een meerpulsgelijkrichter op basis van thyristors heeft een hoog rendement, is betrouwbaar, ondersteunt hoge stroomdichtheden en gebruikt goedkope halfgeleiders. Afgebeeld is een implementatie met 12 pulsen. (Bron afbeelding: Infineon Technologies)

Multipuls, thyristorgebaseerde converters zijn een gevestigde en bekende technologie. De 12-puls thyristorgelijkrichter in Afbeelding 4 bestaat uit een wye-delta-wye stroomfrequentietransformator met twee laagspanningssecundaire wikkelingen. De secundaire wikkelingen drijven twee thyristorgelijkrichters met zes impulsen aan waarvan de uitgangen parallel zijn geschakeld. Als deze gelijkrichter een elektrolyse rechtstreeks aanstuurt, regelt de thyristorvuurhoek de uitgangsspanning en de stroom die erin vloeit. De afvuurhoek kan ook worden gebruikt om de stroom in het systeem op peil te houden als de elektrolysecel veroudert en de spanning die nodig is voor de celstapel toeneemt. De transformator kan ook een on-load tapwisselaar (OLTC) bevatten. De OLTC verandert de omwentelingsverhouding van de transformator door te schakelen tussen meerdere toegangspunten of aftakkingen op een van de wikkelingen om de spanning die aan de gelijkrichter wordt geleverd te verhogen of te verlagen.

Infineon Technologies biedt een breed scala aan halfgeleidercomponenten voor PCS-ontwerpers. Thyristorgelijkrichters worden vaak gebruikt voor deze AC-bron-toepassingen. De T3800N18TOFVTXPSA1 is bijvoorbeeld een discrete thyristor in een op een chassis gemonteerde TO-200AE schijfbehuizing die een nominale stroom aankan van 1800 V bij 5970 ampère kwadratische gemiddelde (A_rms) aan-statusstroom. Het schijfpakket biedt een hogere vermogensdichtheid dankzij het dubbelzijdige koelontwerp.

Het basisontwerp van de gelijkrichter kan worden verbeterd door buck converters toe te voegen als choppers na de gelijkrichteruitgang. Het toevoegen van de chopperfase verbetert de regeling van het proces door de duty cycle van de chopper aan te passen in plaats van de ontstekingshoek van de thyristor (Afbeelding 5). Dit verkleint het dynamische bereik dat nodig is voor de thyristor, waardoor het proces kan worden geoptimaliseerd.

Afbeelding 5: Een post-rectificatiechopper vermindert stroomvervorming en verbetert de PF. (Bron afbeelding: Infineon Technologies)

Door de post-rectificatiechopper toe te passen met bipolaire transistoren met geïsoleerde poort (IGBT's) is de OLTC-transformator niet meer nodig, worden stroomvervormingen verminderd en wordt de PF verbeterd.

De FD450R12KE4PHOSA1 van Infineon Technologies is een IGBT-choppermodule die bedoeld is voor deze toepassingen. Hij is berekend op een maximale spanning van 1200 V en een maximale collectorstroom van 450 A en wordt geleverd in een standaard module uit de C-serie van 62 millimeter (mm).

Tot de meer geavanceerde gelijkrichterschakelingen behoren actieve gelijkrichters op basis van IGBT. Actieve gelijkrichters vervangen diodes of thyristors door IGBT's die een regelaar op het juiste moment in- en uitschakelt via een poortdriver (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Een actieve gelijkrichter vervangt de diodes of thyristors in het gelijkrichtcircuit door IGBT's, die worden geschakeld door een gate driver controller. (Bron afbeelding: Infineon Technologies)

In tegenstelling tot een traditionele gelijkrichter, die niet-sinusvormige lijnstromen produceert, heeft een actieve gelijkrichter een spoel in serie met de IGBT's die de lijnstroom sinusvormig houdt en harmonischen vermindert. De geleidingsimpedantie van de IGBT is zeer laag, wat geleidingsverliezen vermindert en de efficiëntie verbetert in vergelijking met een standaardgelijkrichter. Een actieve gelijkrichterregelaar handhaaft een PF van 1, zodat externe apparaten voor correctie van de arbeidsfactor (PFC) niet nodig zijn. Hij werkt ook met hogere schakelfrequenties, wat resulteert in kleinere passieve componenten en filters.

De FF1700XTR17IE5DBPSA1 combineert dubbele IGBT's in een half-brugconfiguratie in een PrimePACK 3+ modulair pakket. Hij is berekend op 1700 V met een maximale collectorstroom van 1700 A. De schakeling in Afbeelding 6 zou drie van zulke modules gebruiken.

Een IGBT-gatedriver zoals de 1ED3124MU12HXUMA1 schakelt een enkel IGBT-paar aan en uit. De gate driver is galvanisch geïsoleerd met behulp van kernloze transformatortechnologie. Hij is compatibel met IGBT's met spanningswaarden van 600 tot 2300 V en heeft een nominale uitgangsstroom van 14 A op afzonderlijke bron- en sinkpinnen. De logische ingangspennen werken op een breed ingangsspanningsbereik van 3 tot 15 V met CMOS-drempelniveaus om 3,3 V microcontrollers te ondersteunen.

Stroomconversie voor DC-bronnen

Voor het scheiden van waterstof met gelijkstroombronnen zoals fotovoltaïsche energie en hybride systemen op basis van batterijen zijn DC/DC-convertors nodig. Zoals eerder opgemerkt, kunnen deze converters de prestaties van diode/thyristor gelijkrichters verbeteren. Ze maken ook de optimalisatie van lokale gelijkstroomnetten mogelijk voor flexibiliteit van de installatie.

De interleaved buckconverteo gebruikt halfbrug-choppermodules parallel om het DC-niveau van de ingang naar de uitgang te veranderen (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Een interleaved buck converter verlaagt het ingangsniveau DC, V_DC1, naar het uitgangsniveau V_DC2. (Bron afbeelding: Infineon Technologies)

Met de juiste interleaveregeling vermindert deze DC/DC-convertortopologie de DC-rimpel aanzienlijk zonder de grootte van de spoelen of de schakelfrequentie te vergroten. Elke fase van de implementatie kan worden gerealiseerd met een geschikte module. De FF800R12KE7HPSA1 is een half-brug IGBT 62 mm module geschikt voor de buck topologie DC/DC converter. Hij is berekend op een maximale spanning van 1200 V en ondersteunt een maximale collectorstroom van 800 A.

De dual active bridge (DAB) convertor is een alternatief voor de buck converter (Afbeelding 8).

Afbeelding 8: Een DAB-convertor verlaagt de spanning en zorgt voor galvanische scheiding tussen ingang en uitgang. (Bron afbeelding: Infineon Technologies)

De DAB-convertor gebruikt een hoogfrequente transformator om de ingangs- en uitgangsschakelingen van de volledige brug aan elkaar te koppelen voor een galvanische scheiding. Een dergelijke isolatie is vaak nuttig om corrosie van de tank en elektroden van de elektrolysecel te minimaliseren. Identieke volledige-brugschakelingen worden aangestuurd met complementaire blokgolven. De fasering van de aandrijfsignalen tussen de primaire zijde en de secundaire bepaalt de richting van de energiestroom. Bovendien minimaliseert de DAB-omzetter de schakelverliezen door nulspanningsschakeling van de IGBT's te gebruiken. De schakeling kan worden gemaakt met halfbrug IGBT- of siliciumcarbide (SiC) MOSFET-modules.

Conclusie

Aangezien de wereldwijde vraag naar schone energiebronnen blijft toenemen, zal groene waterstofscheiding op basis van hernieuwbare energiebronnen steeds belangrijker worden. Dergelijke bronnen vereisen een efficiënte, betrouwbare en zeer stabiele gelijkstroomvoeding. Ontwerpers kunnen zich wenden tot het brede portfolio hoogspannings- en stroomhalfgeleiders van Infineon Technologies voor de benodigde vermogensomzettingscomponenten.