Sådan sikrer du effektiv og stabil jævnstrøm til grøn brint

Skiftet til grøn brint lover at reducere niveauet af drivhusgasser. Energi fra vedvarende kilder som vand-, vind- og solenergi, uanset om den genereres lokalt eller overføres via elnettet, skal omdannes effektivt til jævnstrøm (DC) for at kunne elektrolysere vand. For systemdesignere er det en udfordring at levere høje og stabile jævnstrømsniveauer med lav harmonisk forvrængning, høj strømtæthed og gode effektfaktorer (PF'er).

Denne artikel diskuterer princippet om grøn brint. Derefter introduceres strømkomponenter fra Infineon Technologies, og det vises, hvordan de kan bruges til at konvertere input fra miljøvenlige energikilder til stabil elektrisk strøm med de egenskaber, der kræves for at generere grøn brint.

Generering af brint ved elektrolyse af vand

Brint kan adskilles fra vand ved hjælp af elektrolyse. Biproduktet af denne proces er ilt. Elektrolyseprocessen kræver, at der tilføres et konstant højt niveau af jævnstrøm. Denne proces foregår i en elektrolysecelle eller elektrolysator, som typisk indeholder en anode (positiv elektrode) og en katode (negativ elektrode), hvor de elektrokemiske reaktioner finder sted. En flydende eller fast elektrolyt omslutter elektroderne og leder ionerne mellem dem. Det kan være nødvendigt med en katalysator for at øge reaktionshastigheden afhængigt af den anvendte proces. Cellen får strøm fra en jævn jævnstrømskilde eller strømforsyning med højt niveau (figur 1).

Figur 1: En grundlæggende elektrolysecelle adskiller vandets brint- og iltelementer. (Billedkilde: Art Pini)

Cellen indeholder også en separator (ikke vist i dette diagram), som forhindrer, at brint og ilt, der produceres ved elektroderne, blandes.

Processen kræver et højt niveau af DC. Under ideelle forhold uden energitab kræves der mindst 32,9 kilowatttimer (kWh) elektrisk energi for at elektrolysere nok vandmolekyler til at producere 1 kg brint. Dette vil variere afhængigt af effektiviteten af den anvendte elektrolyseproces.

Tre forskellige processer er i øjeblikket i brug: alkalisk elektrolyse (AEL), protonudvekslingsmembran (PEM) og fastoxidelektrolyse.

De mest etablerede elektrolysatorer er AEL-elektrolysatorer, som bruger en alkalisk opløsning som f.eks. kaliumhydroxid mellem metalelektroderne. De er mindre effektive end de andre typer elektrolysatorer.

PEM-elektrolysatorer bruger en fast polymerelektrolyt, der er forstærket med ædelmetalkatalysatorer. De er kendetegnet ved højere effektivitet, hurtigere responstid og kompakt design.

Fastoxid-elektrolyseceller (SOEC) bruger et fast keramisk materiale som elektrolyt. De kan være meget effektive, men de kræver høje driftstemperaturer. Deres reaktionstider er langsommere end PEM-elektrolysatorernes.

En sammenligning af de tre teknikkers egenskaber er vist i figur 2.

Figur 2: En sammenligning af egenskaberne ved AEL-, PEM- og SOEC-processerne fremhæver de nyere elektrolysatorers forbedrede effektivitet. (Billedkilde: Infineon Technologies)

Grøn brintproduktion koster i øjeblikket mere at producere end brint fra fossile brændstoffer. Det kan vendes ved at forbedre effektiviteten af de enkelte komponenter, herunder elektrolysatorer og kraftsystemer, og ved at opskalere konverteringsanlæggene.

Elsystemkonfigurationer til elnettet og grønne energikilder

I øjeblikket fungerer de fleste brintproducerende anlæg uden for elnettet. Strømkilden til en elektrolysator er en AC til DC-ensretter, der får strøm fra en linjetransformer. Elektrolyseanlæg, der får strøm fra nettet, skal opfylde alle standarder og regler for nettet, f.eks. at opnå en ensartet PF og opretholde en lav harmonisk forvrængning. Der kræves forskellige energisystemer, når grønne energikilder inddrages i brintseparationsprocessen (figur 3).

Figur 3: Elektrolyseanlæg skal omdanne strøm fra kilden til jævnstrøm til elektrolysecellerne. (Billedkilde: Infineon Technologies)

Ligesom elnettet er vindbaserede strømkilder vekselstrøm, og at drive elektrolyseceller fra dem kræver en ensretter til at omdanne vekselstrøm til jævnstrøm. Solenergi og hybridkilder, der bruger batterier, er afhængige af DC/DC-konvertere til at styre de jævnstrømsniveauer, der driver elektrolysecellerne. Elektrolysecellen kan også anvende en lokal DC/DC-konverter uanset strømkilden. Elektrolysecellen repræsenterer en konstant jævnstrømsbelastning. På grund af ældning i elektrolysecellen skal den anvendte spænding øges i løbet af cellens levetid, så strømkonverteringssystemet (PCS) skal være i stand til at tilpasse den proces. PCS'er har nogle fælles specifikationer, uanset om de er koblet til en AC- eller DC-kilde.

Deres udgangsspænding skal ligge i området 400 V_DC til 1.500 V_DC). Alkaliceller har et maksimalt spændingsområde på ca. 800 V. PEM-celler er ikke så begrænsede og bevæger sig mod den høje ende af spændingsområdet for at mindske tab og reducere omkostningerne. Udgangseffekten kan være fra 20 kilowatt (kW) til 30 megawatt (MW). Strømripplen fra PCS'en skal være mindre end 5 %, en specifikation, der stadig undersøges for dens effekt på cellens levetid og effektivitet. PCS-ensretterdesigns til elnetkilder, især til højere effektbelastninger, skal overholde elselskabernes krav til stor belastning og PF.

Strømkonvertering til vekselstrømskilder

Vekselstrømsdrevne brintanlæg kræver en ensretter, der kan drive en elektrolysecelle direkte eller drive et jævnstrømsnet, der er forbundet med flere celler.

En multipuls ensretter er et almindeligt valg (figur 4). Dette thyristorbaserede ensretterdesign har høj effektivitet, er pålideligt, understøtter høje strømtætheder og bruger billige halvledere.

Figur 4: En multipuls ensretter baseret på tyristorer har høj effektivitet, er pålidelig, understøtter høje strømtætheder og bruger billige halvledere. På billedet ses en 12-puls implementering. (Billedkilde: Infineon Technologies)

Multipuls, tyristorbaserede omformere er en etableret og velkendt teknologi. Den 12-puls tyristorensretter, der er vist i figur 4, består af en wye-delta-wye effektfrekvens-transformer med to sekundære lavspændingsviklinger. Sekundærviklingerne driver to seks-puls tyristor-ensrettere med deres udgange forbundet parallelt. Hvis denne ensretter driver en elektrolysator direkte, styrer tyristorens tændingsvinkel udgangsspændingen og den strøm, der flyder ind i den. Tændingsvinklen kan også bruges til at opretholde strømmen i systemet, når elektrolysecellen ældes, og den nødvendige spænding til cellestakken stiger. Transformeren kan også indeholde en OLTC (on-load tap changer). OLTC'en ændrer transformatorens omdrejningsforhold ved at skifte mellem flere adgangspunkter eller taps på en af viklingerne for at hæve eller sænke den spænding, der leveres til ensretteren.

Infineon Technologies tilbyder et bredt udvalg af halvlederkomponenter til PCS-designere. Thyristor-ensrettere bruges ofte til disse AC-kilde-applikationer. For eksempel er T3800N18TOFVTXPSA1 en diskret tyristor i en chassismonteret TO-200AE-diskpakke, der er klassificeret til at håndtere 1800 V ved 5970 ampere RMS (A_rms) on-state-strøm. Diskpakken giver øget effekttæthed på grund af det dobbeltsidede køledesign.

Det grundlæggende ensretterdesign kan forbedres ved at tilføje buck-omformere som choppere efter ensretning ved ensretterens udgang. Tilføjelsen af choppertrinnet forbedrer styringen af processen ved at justere chopperens arbejdscyklus i stedet for tyristorens tændingsvinkel (figur 5). Det reducerer det dynamiske område, der kræves for tyristoren, og gør det muligt at optimere processen.

Figur 5: En efter ensretning-chopper reducerer strømforvrængninger og forbedrer PF. (Billedkilde: Infineon Technologies)

Ved at anvende efter ensretning-chopperen ved hjælp af IGBT'er (insulated gate bipolar transistors) elimineres behovet for OLTC-transformeren, strømforvrængninger reduceres, og PF forbedres.

Infineon Technologies' FD450R12KE4PHOSA1 er et IGBT-chopper-modul, der er beregnet til disse anvendelser. Det er beregnet til en maksimal spænding på 1200 V og en maksimal kollektorstrøm på 450 A og leveres i et standard 62 millimeter (mm) C-serie modul.

Mere avancerede ensretterkredsløb omfatter IGBT-baserede aktive ensrettere. Aktive ensrettere erstatter dioder eller tyristorer med IGBT'er, som en controller tænder og slukker for på passende tidspunkter via en gate-driver (figur 6).

Figur 6: En aktiv ensretter erstatter dioderne eller tyristorerne i ensretterkredsløbet med IGBT'er, som skiftes af en gate driver controller. (Billedkilde: Infineon Technologies)

I modsætning til en traditionel ensretter, som producerer ikke-sinusformede netstrømme, har en aktiv ensretter en induktor i serie med IGBT'erne, som holder netstrømmen sinusformet og reducerer overtoner. IGBT'ens impedans, når den leder, er meget lav, hvilket reducerer ledningstab og forbedrer effektiviteten sammenlignet med en standard ensretter. En aktiv ensrettercontroller opretholder en enheds-PF, så eksterne effektfaktorkorrektionsenheder (PFC) er unødvendige. Den arbejder også ved højere switchfrekvenser, hvilket resulterer i mindre passive komponenter og filtre.

FF1700XTR17IE5DBPSA1 kombinerer to IGBT'er i en halvbro-konfiguration i en PrimePACK 3+ modulær pakke. Den er beregnet til at klare 1700 V med en maksimal kollektorstrøm på 1700 A. Kredsløbet vist i figur 6 ville bruge tre sådanne moduler.

En IGBT-gate-driver som 1ED3124MU12HXUMA1 tænder og slukker for et enkelt IGBT-par. Gate-driveren er galvanisk isoleret ved hjælp af kerneløs transformerteknologi. Den er kompatibel med IGBT'er med spændinger fra 600 til 2300 V og har en typisk udgangsstrøm på 14 A på separate source- og sink-ben. De logiske indgangsben fungerer på et bredt indgangsspændingsområde fra 3 til 15 V ved hjælp af CMOS-tærskelniveauer for at understøtte 3,3 V-mikrocontrollere.

Strømkonvertering til DC-kilder

Udskillelse af brint ved hjælp af jævnstrømskilder som solcelleenergi og batteribaserede hybridsystemer kræver DC/DC-konvertere. Som tidligere nævnt kan disse omformere forbedre diode/thyristor-ensretteres ydeevne. De gør det også muligt at optimere lokale jævnstrømsnet for at opnå fleksibilitet i anlægget.

Den sammenkoblede buck-konverter bruger halvbro-chopper-moduler parallelt til at ændre DC-niveauet fra indgang til udgang (figur 7).

Figur 7: En interleaved buck-konverter reducerer input DC-niveauet, V_DC1, til output-niveauet V_DC2. (Billedkilde: Infineon Technologies)

Med korrekt interleave-kontrol reducerer denne DC/DC-konvertertopologi DC-ripple betydeligt uden at øge induktorernes størrelse eller switchfrekvens. Hver fase af implementeringen kan realiseres med et passende modul. FF800R12KE7HPSA1 er et 62 mm IGBT-modul med halvbro, der er velegnet til DC/DC-konvertere med buck-topologi. Den er beregnet til en maksimal spænding på 1200 V og understøtter en maksimal kollektorstrøm på 800 A.

DAB-konverteren (dual active bridge) er et alternativ til buck-konverteren (figur 8).

Figur 8: En DAB-konverter nedtrapper spændingen og sørger for galvanisk isolation mellem indgang og udgang. (Billedkilde: Infineon Technologies)

DAB-konverteren bruger en højfrekvent transformer til at koble input- og output-fuldbrokredsløbene sammen for at give galvanisk isolation. En sådan isolering er ofte nyttig for at minimere korrosion af tanken og elektroderne i elektrolysecellen. Identiske fuldbro-kredsløb drives med komplementære firkantbølger. Faseringen af drivsignalerne mellem primærsiden og sekundærsiden bestemmer strømmens retning. Derudover minimerer DAB-konverteren koblingstab ved at bruge nulvoltskobling af IGBT'erne. Kredsløbet kan fremstilles med halvbro IGBT- eller siliciumcarbid (SiC) MOSFET-moduler.

Konklusion

Efterhånden som den verdensomspændende efterspørgsel efter rene energikilder fortsætter med at stige, vil grøn brintseparation baseret på vedvarende energikilder få større betydning. Sådanne kilder kræver effektiv, pålidelig og meget stabil jævnstrøm. Designere kan bruge Infineon Technologies' brede portefølje af højspændings- og strømhalvledere for at få de nødvendige strømkonverteringskomponenter.