DigiKey
Avtor: Rolf Horn
Prehod na zeleni vodik obljublja zmanjšanje ravni emisij toplogrednih plinov.
Ne glede na to ali se proizvaja lokalno ali pa prenaša prek električnega omrežja, je treba električno energijo iz obnovljivih virov, ki se pridobiva s pomočjo hidroelektrarn, vetrne in sončne energije, učinkovito pretvoriti v enosmerno napetost (DC) za elektrolizo vode. Za načrtovalce sistemov je zagotavljanje visokih in stabilnih ravni enosmerne napetosti (DC) z nizkim harmonskim popačenjem, visoko gostoto toka in dobrimi faktorji moči (PF) izziv.
Članek obravnava načelo zelenega vodika. Nato predstavi komponente za električno energijo podjetja Infineon Technologies in prikaže, kako je mogoče te uporabiti za pretvorbo vhodne električne energije iz okolju prijaznih virov energije v stabilno izhodno električno energijo z značilnostmi, potrebnimi za proizvodnjo zelenega vodika.
Proizvajanje vodika z elektrolizo vode
Vodik lahko pridobivamo iz vode s postopkom elektrolize. Soprodukt tega postopka je kisik. Postopek elektrolize zahteva uporabo stabilnih visokih ravni enosmerne napetosti (DC). Postopek poteka v celici za elektrolizo ali napravi za elektrolizo, ki običajno vsebuje anodo (pozitivno elektrodo) in katodo (negativno elektrodo), kjer potekajo elektrokemične reakcije. Tekoči ali trdni elektrolit obdaja elektrode in prevaja ione med njimi. Za povečanje hitrosti reakcije bo morda, odvisno od uporabljenega postopka, potreben katalizator. Celico napaja stabilna in visoka raven vira enosmerne napetosti (DC) ali oskrbe z električno energijo (slika 1). Celica vključuje tudi ločevalnik (ni prikazan na tem diagramu), ki preprečuje mešanje proizvedenega vodika in kisika na elektrodah.
Postopek zahteva visoke ravni enosmerne napetosti (DC). V idealnih pogojih in brez izgube električne energije je potrebnih najmanj 32,9 kilovatnih ur (kWh) električne energije za elektrolizo dovolj velikega števila molekul vode za proizvodnjo 1 kilograma (kg) vodika. To variira glede na učinkovitost uporabljenega postopka elektrolize.
Trenutno se uporabljajo trije različni postopki: alkalna elektroliza (AEL), membrane za protonsko izmenjavo (PEM) in trdno-oksidna elektroliza.
Najbolj uveljavljene so naprave za elektrolizo AEL, ki med kovinskimi elektrodami uporabljajo alkalno raztopino, kot je kalijev hidroksid. Te naprave so manj učinkovite kot druge vrste naprav za elektrolizo.
Naprave za elektrolizo PEM uporabljajo trden polimerni elektrolit, izboljšan s katalizatorji iz plemenitih kovin. Za njih so značilni večja učinkovitost, hitrejši odzivni časi in trdne konstrukcije.
Celice za trdno-oksidno elektrolizo (SOEC) kot elektrolit uporabljajo trden keramični material. Lahko so zelo učinkovite, vendar zahtevajo visoke obratovalne temperature. Njihov odzivni čas je počasnejši od naprav za elektrolizo PEM.
Primerjava značilnosti treh tehnik je prikazana na sliki 2.
Proizvajanje zelenega vodika trenutno stane več kot proizvodnja vodika, pridobljenega iz fosilnih goriv. To se lahko seveda spremeni z izboljšanjem učinkovitosti diskretnih komponent, vključno z napravami za elektrolizo in elektroenergetskimi sistemi, ter povečanjem obratov za pretvorbo.
Konfiguracije elektroenergetskega sistema za omrežje in zelene vire energije
Obrati za proizvodnjo vodika trenutno delujejo izven električnega omrežja. Vir električne energije naprave za elektrolizo je usmernik izmenične napetosti (AC) v enosmerno napetost (DC), ki se napaja iz linijskega transformatorja. Obrati za elektrolizo, ki se napajajo iz omrežja, morajo izpolnjevati vse standarde za omrežje in kode, kot sta doseganje enotnega faktorja moči (PF) in vzdrževanje nizkega harmoničnega popačenja. Potrebni so različni elektroenergetski sistemi, saj so zeleni viri energije vključeni v proces ločevanja vodika (slika 3).
Enako kot pri električnem omrežju tudi viri električne energije, pridobljeni s pomočjo vetra, proizvajajo izmeničnonapetost (AC), za napajanje celic za elektrolizo pa je zato potreben usmernik za pretvorbo iz izmenične (AC) v enosmerno napetost (DC). Sončna energija in viri hibridne energije, ki uporabljajo baterije, se zanašajo na DC/DC pretvornike za nadzor ravni enosmerne napetosti (DC), ki poganjajo celice za elektrolizo. Celica za elektrolizo lahko uporablja tudi lokalni pretvornik DC/DC ne glede na vir napajanja. Celica za elektrolizo predstavlja konstantno obremenitev enosmerne napetosti (DC). Zaradi pomislekov o staranju v celici za elektrolizo se mora uporabljena napetost povečati v življenjski dobi celice, zato bi moral biti sistem za pretvorbo električne energije (PCS) sposoben opraviti ta postopek. Ne glede na to, ali so povezani z virom izmenične (AC) ali enosmerne napetosti (DC), bodo PCS sistemi imeli nekaj skupnih specifikacij.
Njihova izhodna napetost mora biti v območju od 400 do 1500 voltov enosmerne napetosti (DC) (VDC). Celice za alkalno elektrolizo imajo največje napetostno območje približno 800 voltov. Celice za elektrolizo PEM niso tako omejene in se bolj približujejo visokemu koncu napetostnega razpona, da zmanjšajo izgube in stroške. Razpon izhodne električne energije je lahko od 20 kilovatov (kW) do 30 megavatov (MW). Valovanje napetosti PCS sistema bi moralo biti manjše od 5 %, vendar se ta specifikacija še vedno preučuje glede vpliva na življenjsko dobo in učinkovitost celice. Zasnove usmernikov PCS sistema za vire električnega omrežja, zlasti za večje obremenitve, morajo biti v skladu z zahtevami elektroenergetskih družb za velike obremenitve in faktorjem moči (PF).
Pretvorba električne energije za vire izmenične napetosti (AC)
Obrati za proizvodnjo vodika, ki jih poganja izmenična napetost (AC), potrebujejo usmernik, ki lahko poganja celico za elektrolizo neposredno ali pa omrežje enosmerne napetosti (DC) povezano na več celic.
Večimpulzni usmernik je običajna izbira (slika 4). Ta zasnova usmernika, ki je narejena s pomočjo tiristorja, zagotavlja visoko učinkovitost, je zanesljiva, podpira visoke gostote toka in uporablja poceni polprevodnike.
Večimpulzni pretvorniki, narejeni iz tiristorja, so uveljavljena in dobro poznana tehnologija. 12-impulzni usmernik, narejen iz tiristorja, prikazan na sliki 4, je sestavljen iz frekvenčnega transformatorja z dvema nizkonapetostnima sekundarnima navitjema. Sekundarna navitja poganjata dva šestimpulzna usmernika, narejena s tiristorjem, katerih izhoda sta povezana vzporedno. Če ta usmernik neposredno poganja napravo za elektrolizo, zagonski kot tiristorja nadzira izhodno napetost in tok, ki teče vanj. Zagonski kot se lahko uporabi tudi za vzdrževanje toka v sistemu, ko se celica za elektrolizo stara in napetost, potrebna za sklop celic, narašča. Transformator lahko vključuje tudi regulacijsko stikalo (OLTC). Stikalo OLTC spremeni razmerje obratov transformatorja s preklapljanjem med več dostopnimi točkami ali dotikanjem enega od navitij, da zviša ali zniža napetost, ki se dovaja usmerniku.
PodjetjeInfineon Technologies ponujarazvijalcem široko paleto izbire polprevodniških komponent za PCS sistem. Usmerniki, narejeni s tiristorjem, se običajno uporabljajo za tovrstne aplikacije za vire izmenične napetosti (AC). Na primer T3800N18TOFVTXPSA1 je diskretni tiristor v ohišju TO-200AE za pritrditev na ohišje, ki je deklariranza 1800 voltov pri 5970 amperih povprečne kvadratne vrednosti (Arms) v vklopljenem stanju. Ohišje diskov nudi večjo gostoto električne energije zaradi svoje dvostranske zasnove hlajenja.
Osnovno zasnovo usmernika je mogoče izboljšati z dodajanjem pretvornikov s porazdeljenim sistemom stikal po usmerjanju na izhodu usmernika. Dodajanje stopnje stikal poveča nadzor nad postopkom s prilagoditvijo delovnega cikla stikala namesto zagonskega kota, narejenega s tiristorjem (slika 5). To zmanjša dinamično območje, potrebno za tiristor, kar omogoča optimizacijo postopka.
Uporaba stikala po usmerjanju z uporabo stikal energije z izoliranimi bipolarnimi tranzistorji (IGBT) odpravi potrebo po stikalu OLTC transformatorja, zmanjša popačenje toka in izboljša faktor moči (PF).
FD450R12KE4PHOSA1 podjetja Infineon Technologies je modul IGBT stikala, namenjen tem aplikacijam. Deklariran je na največjo napetost 1200 voltov in največji tok 450 A in je na voljo v standardnem 62-milimetrskem (mm) modulu C-serije.
Naprednejša vezja usmernika vključujejo aktivne usmernike na osnovi IGBT stikala. Aktivni usmerniki nadomeščajo diode ali tiristorje z IGBT stikali, ki jih krmilnik vklopi in izklopi ob ustreznem času prek gonilnika vhoda (slika 6).
Za razliko od tradicionalnega usmernika, ki proizvaja nesinusoidne omrežne tokove, ima aktivni usmernik tuljavo v seriji z IGBT stikali, kar ohranja sinusni omrežni tok in zmanjšuje harmonična popačenja. Impedanca IGBT stikala pri prevajanju je zelo nizka, kar zmanjša prevodne izgube in izboljša učinkovitost v primerjavi s standardnim usmernikom. Krmilnik aktivnega usmernika vzdržuje enoten faktor moči (PF), zato so zunanje naprave za korekcijo faktorja moči (PFC) nepotrebne. Deluje tudi pri višjih stikalnih frekvencah, kar ima za posledico manjše pasivne komponente in filtre.
FF1700XTR17IE5DBPSA1 združuje dvojna IGBT stikala v polmostični konfiguraciji v PrimePACK 3+ modularnem ohišju. Deklariran je, da zmore prenesti 1700 voltov z največjim tokom 1700 A. Vezje, prikazano na sliki 6, bi uporabljalo tri takšne module.
Gonilnik vhoda IGBT stikala, kot je 1ED3124MU12HXUMA1 vklopi in izklopi en sam par IGBT stikal. Gonilnik vhoda je galvansko ločen s tehnologijo transformatorja brez jedra. Združljiv je z IGBT stikali z nazivno napetostjo od 600 do 2300 voltov in ima tipičen izhodni tok 14 A na ločenih priključkih vira in ponora. Vhodni logični priključki delujejo v širokem razponu vhodne napetosti od 3 do 15 voltov z uporabo mejnih vrednosti CMOS za podporo 3,3-voltnih mikrokontrolerjev.
Pretvorba električne energije za vire enosmerne napetosti (DC)
Ločevanje vodika z uporabo virov električne energije enosmerne napetosti (DC), kot so fotovoltaična energija in hibridni sistemi na osnovi baterij, zahteva DC/DC pretvornike. Kot smo že omenili, lahko ti pretvorniki izboljšajo delovanje diodnih usmernikov/usmernikov, narejenih s tiristorjem. Omogočajo tudi optimizacijo lokalnih omrežij enosmerne napetosti (DC) za prilagodljivost obrata.
Pretvornik s porazdeljenim sistemom uporablja vzporedne module s polmostičnim stikalom za spreminjanje ravni enosmerne napetosti (DC) iz vhoda v izhod (slika 7).
S pravilnim nadzorom prepletanja ta topologija DC/DC pretvornika znatno zmanjša valovanje enosmerne napetosti (DC) brez povečanja velikosti tuljav ali stikalne frekvence. Vsako fazo implementacije lahko realiziramo z ustreznim modulom. FF800R12KE7HPSA1je polmostični 62 mm modul z IGBT stikalom, primeren za DC/DC pretvornik s topologijo s porazdeljenim sistemom. Naveden je za največjo napetost 1200 voltov in podpira največji odjemni tok 800 A.
Pretvornik z dvojno aktivno povezavo (DAB) je alternativa pretvorniku (slika 8).
Pretvornik DAB uporablja visokofrekvenčni transformator za povezavo vhodnih in izhodnih vezij s polno povezavo ter se tem zagotovi galvansko izolacijo.
Takšna izolacija je pogosto koristna za zmanjšanje korozije rezervoarja in elektrod celice za elektrolizo. Identična vezja s polno povezavo se poganjajo s komplementarnimi kvadratnimi valovi. Faznost pogonskih signalov med primarno stranjo in sekundarno določa smer pretoka električne energije. Poleg tega DAB pretvornik zmanjša izgube pri preklapljanju z uporabo IGBT stikal s preklapljanjempri prehodu skozi ničlo.
Vezje je mogoče izdelati s polmostičnimi IGBT ali MOSFET stikalnimi moduli iz silicijevega karbida (SiC).
Zaključek
Ker svetovno povpraševanje po čistih virih energije še naprej narašča, bo ločevanje zelenega vodika, ki temelji na obnovljivih virih energije, vse pomembnejše. Takšni viri zahtevajo učinkovito, zanesljivo in zelo stabilno napajanje z enosmernim tokom (DC).
Razvijalci si lahko za potrebne komponente za pretvorbo električne energije ogledajo širok portfelj visokonapetostnih komponent in polprevodnikov podjetja Infineon Technologies.
