Slik sikres effektiv og stabil likestrøm for grønt hydrogen

Skiftet mot grønt hydrogen gir et løfte om å redusere klimagassnivået. Energi fra fornybare kilder som vannkraft, vind og solenergi, enten generert lokalt eller sendt via strømnettet, må omformes effektivt til likestrøm (DC) for å elektrolysere vann. For systemutviklere er det en utfordring å levere høye og stabile DC-nivåer med lav ikke-lineær forvrengning, høy strømtetthet og gode effektfaktorer (PF – power factor).

Denne artikkelen tar for seg prinsippet rundt grønt hydrogen. Den introduserer deretter strømkomponenter fra Infineon Technologies og viser hvordan disse kan brukes til å omforme tilført energi fra miljøvennlige energikilder til stabil utgangsstrøm som har egenskapene som kreves for å generere grønt hydrogen.

Hydrogengenerering gjennom elektrolyse av vann

Hydrogen kan separeres fra vann ved å bruke elektrolyse. Det andre produktet fra denne prosessen, er oksygen. Elektrolyseprosessen krever påføring av stabile, høye likestrømnivåer. Denne prosessen skjer i en elektrolysecelle eller elektrolysator som vanligvis har en anode (positiv elektrode) og en katode (negativ elektrode) hvor de elektrokjemiske reaksjonene finner sted. En væske eller fast elektrolytt omslutter elektrodene og leder ionene mellom dem. En katalysator kan være nødvendig for å øke reaksjonshastigheten, avhengig av prosessen som brukes. Cellen drives av en stabil likestrømskilde (DC-kilde) eller strømforsyning (figur 1).

Figur 1: En grunnleggende elektrolysecelle separerer vannets hydrogen- og oksygenelementer. (Bildekilde: Art Pini)

Cellen inkluderer også en separator (ikke vist i dette skjemaet) for å hindre at hydrogenet og oksygenet som produseres ved elektrodene, blandes.

Prosessen krever høye nivåer av likestrøm. Under ideelle forhold uten noe energitap, kreves minst 32,9 kilowattimer (kWh) med elektrisk energi for å elektrolysere nok vannmolekyler til å produsere 1 kilogram (kg) hydrogen. Dette vil variere avhengig av virkningsgraden til elektrolyseprosessen som brukes.

Tre forskjellige prosesser er for tiden i bruk: alkalisk elektrolyse (AEL), protonutvekslingsmembran (PEM – proton exchange membrane) og fast oksid-elektrolyse.

De mest etablerte elektrolysatorene er AEL-elektrolysatorer, som bruker en alkalisk løsning som kaliumhydroksid mellom metallelektrodene. De er mindre effektive enn andre typer elektrolysatorer.

PEM-elektrolysatorer bruker en fast polymerelektrolytt forsterket med edelmetallkatalysatorer. De kan kjennetegnes av høyere virkningsgrad, raskere responstider og kompakt utforming.

Faste oksid-elektrolyseceller (SOEC – solid oxide electrolyzer cell) bruker et fast keramisk materiale som elektrolytt. De kan være svært effektive, men de krever høye driftstemperaturer. Responstidene deres er tregere enn PEM-elektrolysatorene.

En sammenligning av egenskapene til de tre teknikkene er vist i figur 2.

Figur 2: En sammenligning av egenskapene til AEL-, PEM- og SOEC-prosessene fremhever den forsterkede virkningsgraden til de nyere elektrolysatorene. (Bildekilde: Infineon Technologies)

Produksjon av grønt hydrogen koster i dag mer å produsere enn hydrogen fra fossilt brensel. Dette kan reverseres ved å forbedre virkningsgraden til de frittstående komponentene, inkludert elektrolysatorene og strømsystemene, og skalere opp omformingsanleggene.

Strømsystemkonfigurasjoner for strømnettet og grønne strømkilder

For tiden er de fleste hydrogengenererende anlegg i drift utenfor strømnettet. Strømkilden for en elektrolysator er en AC-til-DC-likeretter som mates fra en linjetransformator. Elektrolyseanlegg som drives fra strømnettet må oppfylle alle nettstandarder og forskrifter, for eksempel oppnåelse av effektfaktor 1 (unity PF) og opprettholdelse av lav ikke-lineær forvrengning. Forskjellige strømsystemer kreves etter hvert som grønne strømkilder blir innlemmet i hydrogenseparasjonsprosessen (figur 3).

Figur 3: Elektrolyseanlegg må omforme strøm fra kilden til likestrøm for elektrolysecellene. (Bildekilde: Infineon Technologies)

I likhet med strømnettet, er vindbaserte strømkilder vekselstrøm, og det å drive elektrolyseceller fra disse krever en likeretter for å omforme vekselstrøm til likestrøm. Solenergi og hybridkilder som bruker batterier, er avhengige av DC–DC-omformere for å styre likestrømsnivåene som driver elektrolysecellene. Elektrolysecellen kan også bruke en lokal DC–DC-omformer uavhengig av strømkilden. Elektrolysecellen representerer en konstant likestrømslast. På grunn av aldringshensyn i elektrolysatorcellen, må den påførte spenningen øke i løpet av cellens levetid, slik at strømomformingssystemet (PCS – power conversion system) skal være i stand til å imøtekomme denne prosessen. PCS-er, enten de er sammenkoblet med en vekselstrøm- eller likestrømskilde, vil ha noen vanlige spesifikasjoner.

Utgangsspenningen deres bør være i området 400 V_DC til 1500 V_DC. Alkaliske celler har et maksimalt spenningsområde på ca. 800 V. PEM-celler er ikke like begrenset, og de beveger seg mot den høye enden av spenningsområdet for å redusere tap og kostnader. Utgangseffektområdet kan være fra 20 kilowatt (kW) til 30 megawatt (MW). Rippelstrømmen fra PCS-en bør være mindre enn 5 %, en spesifikasjon som fortsatt studeres for sin virkning på cellens levetid og virkningsgrad. PCS-likeretterkonstruksjonen for strømnettkilder, spesielt for høyere strømbelastninger, må være i samsvar med kraftselskapenes krav til høy last og effektfaktor (PF).

Strømomforming for vekselstrømkilder (AC-kilder)

Vekselstrømsdrevne hydrogenanlegg krever en likeretter som kan drive en elektrolysecelle direkte eller et likestrømsnett som er koblet til flere celler.

En flerpulslikeretter er et vanlig valg (figur 4). Denne tyristorbaserte likeretterkonstruksjonen har høy virkningsgrad, er pålitelig, støtter høye strømtettheter og bruker prisgunstige halvledere.

Figur 4: En flerpulslikeretter basert på tyristorer har høy virkningsgrad, er pålitelig, støtter høye strømtettheter og bruker prisgunstige halvledere. Her vises en 12-pulsimplementering. (Bildekilde: Infineon Technologies)

Tyristorbaserte omformere med flerpuls er en etablert og velkjent teknologi. 12-puls-tyristorlikeretteren vist på figur 4 består av en stjerne(Y)-trekant(Δ)-stjerne(Y)-strømfrekvensomformer (wye-delta-wye power frequency transformer) med to sekundærviklinger med lav spenning. Sekundærviklingene driver to 6-puls-tyristorlikerettere med utganger koblet i parallell. Hvis denne likeretteren driver en elektrolysator direkte, styrer tyristorens avfyringsvinkel (firing angle) utgangsspenningen og strømmen som strømmer inn i den. Avfyringsvinkelen kan også brukes til å opprettholde strømmen i systemet etter hvert som elektrolysatorcellen eldes og spenningen som kreves for cellestakken økes. Transformatoren kan også inkludere en lastkopler (OLTC – on-load tap changer). Lastkopleren endrer transformatorens viklingsforhold ved å bytte mellom flere tilgangspunkter eller uttak (taps) på en av viklingene for å øke eller redusere spenningen som forsynes til likeretteren.

Infineon Technologies tilbyr PCS-utviklere et bredt utvalg av halvlederkomponenter. Tyristorlikerettere blir ofte brukt for disse vekselstrømskilde-utrustningene. For eksempel er T3800N18TOFVTXPSA1 en frittstående tyristor i en kabinettmontert TO-200AE-skivekapsling (disc package) som er klassifisert til å håndtere 1800 V ved 5970 ampere RMS (A_rms) på-tilstand-strøm (on-state current). Skivekapslingen gir økt virkningsgrad takket være sin tosidige kjølekonstruksjon.

Den grunnleggende likeretterkonstruksjonen kan forbedres ved å legge til buck-omformere som etter-likerettingspulsgivere på likeretterutgangen. Ved å legge til pulsgivertrinnet forbedres kontrollen over prosessen ved å justere pulsgiverens driftssyklus i stedet for tyristorens avfyringsvinkel (figur 5). Dette reduserer det dynamiske området som kreves for tyristoren, noe som gjør at prosessen kan optimaliseres.

Figur 5: En etter-likerettingspulsgiver reduserer strømforvrengninger og forbedrer effektfaktoren (PF). (Bildekilde: Infineon Technologies)

Ved å bruke etter-likerettingspulsgiveren med bipolare transistorer med isolert gate (IGBT – insulated gate bipolar transistor), elimineres behovet for OLTC-transformatoren, strømforvrengninger reduseres og effektfaktoren forbedres.

FD450R12KE4PHOSA1 fra Infineon Technologies er en IGBT-pulsgivermodul beregnet for disse bruksområdene. Den er klassifisert for en maksimal spenning på 1200 V og en maksimal kollektorstrøm (sinkstrøm) på 450 A, og den kommer i en standardmodul på 62 millimeter (mm) i C-serien.

Mer avanserte likeretterkretser inkluderer IGBT-baserte aktive likerettere. Aktive likerettere erstatter dioder eller tyristorer med IGBT-er. På et egnet tidspunkt, kan en styring slå disse på og av via en gate-driver (figur 6).

Figur 6: En aktiv likeretter erstatter diodene eller tyristorene i likeretterkretsen med IGBT-er, som veksles av en gate-driverstyring. (Bildekilde: Infineon Technologies)

I motsetning til en tradisjonell likeretter, som produserer ikke-sinusformet nettstrøm, har en aktiv likeretter en induktor i serie med IGBT-ene som holder nettstrømmen sinusformet og reduserer oversvingninger. Impedansen til IGBT-en er svært lav når den leder, noe som reduserer ledningstap og forbedrer virkningsgraden sammenlignet med en standard likeretter. En aktiv likeretterstyring opprettholder effektfaktor 1, derfor er ikke enheter for ekstern effektfaktorkorreksjon (PFC – power factor correction) nødvendige. Den er også virksom ved høyere vekslingsfrekvenser, noe som resulterer i passive komponenter og filtre med mindre fysisk størrelse.

FF1700XTR17IE5DBPSA1 kombinerer to IGBT-er i en halvbrokonfigurasjon i en modulær PrimePACK 3+-kapsling. Den er klassifisert til å håndtere 1700 V med en maksimal kollektorstrøm på 1700 A. Kretsen vist i figur 6 vil bruke tre slike moduler.

En IGBT-gate-driver som 1ED3124MU12HXUMA1 slår et enkelt IGBT-par av og på. Gate-driveren er galvanisk isolert ved hjelp av kjerneløs transformatorteknologi. Den er kompatibel med IGBT-er som har spenningsklassifiseringer fra 600 til 2300 V, og har en typisk utgangsstrøm på 14 A på separate source- og sink-pinner. Inngangslogikkpinnene er virksomme i et bredt inngangsspenningsområde, fra 3 til 15 V, ved å bruke CMOS-terskelnivåer for å støtte mikrokontrollere på 3,3 V.

Strømomforming for vekselstrømkilder (DC-kilder)

Separering av hydrogen ved hjelp av likestrømkilder som fotovoltaisk energi og batteribaserte hybridsystemer, krever DC–DC-omformere. Som nevnt tidligere, kan disse omformerne forbedre ytelsen til diode- og tyristorlikerettere. De muliggjør også optimalisering av lokale likestrømsnett for anleggsfleksibilitet.

Den overlappende buck-omformeren bruker halvbropulsgivermoduler i parallell for å endre likestrømnivået fra inngangen til utgangen (figur 7).

Figur 7: En overlappende buck-omformer reduserer inngangens likestrømnivå, V_DC1, til utgangens nivå, V_DC2. (Bildekilde: Infineon Technologies)

Med riktig overlappingsstyring vil denne DC–DC-omformertopologien redusere DC-rippel betydelig, uten at induktorens størrelse eller vekslingsfrekvens økes. Hver fase av implementeringen kan virkeliggjøres med en egnet modul. FF800R12KE7HPSA1 er en IGBT 62 mm halvbromodul som er egnet for DC–DC-omformeren med buck-topologi (spenningsreduserende topologi). Den er klassifisert for en maksimal spenning på 1200 V og støtter en maksimal kollektorstrøm på 800 A.

DAB-omformeren (DAB – double active bridge) er et alternativ til buck-omformeren (figur 8).

Figur 8: En DAB-omformer utfører spenningsreduksjon og gir galvanisk isolasjon mellom inngangen og utgangen. (Bildekilde: Infineon Technologies)

DAB-omformeren bruker en høyfrekvenstransformator for å koble sammen fullbrokretsene på inngangen og utgangen for å gi galvanisk isolasjon. Slik isolering er ofte nyttig for å minimere korrosjon av tanken og elektrodene i elektrolysatorcellen. Identiske fullbrokretser drives med komplementære firkantbølger. Fasingen av drivsignalene mellom primærsiden og sekundærsiden bestemmer retningen til strømflyten. I tillegg minimerer DAB-omformeren vekslingstap ved å bruke null-volt-veksling av IGBT-ene. Kretsen kan produseres med MOSFET-moduler med halvbro-IGBT eller silisiumkarbid (SiC).

Konklusjon

Etter hvert som den globale etterspørselen etter rene energikilder fortsetter å øke, vil viktigheten av grønn hydrogenseparasjon basert på fornybare energikilder vokse. Slike kilder krever effektiv, pålitelig og svært stabil likestrøm. Konstruktører kan bruke det omfattende sortimentet av halvledere for høy spenning og strøm fra Infineon Technologies, for de nødvendige strømomformingskomponentene.