Hur man säkerställer en effektiv och stabil likström för grön vätgas

Övergången till grön vätgas kommer att minska nivån av växthusgaser. Energi från förnybara källor som vatten-, vind- och solkraft, oavsett om den genereras lokalt eller överförs via elnätet, måste omvandlas effektivt till likström för att elektrolysera vatten. För systemkonstruktörer är det en utmaning att tillhandahålla höga och stabila likströmsnivåer med låg harmonisk distorsion, hög strömtäthet och bra effektfaktorer (PF).

Artikeln diskuterar principen kring grön vätgas. Därefter presenteras effektkomponenter från Infineon Technologies och hur de kan användas för att omvandla inspänningen från miljövänliga energikällor till stabil elektrisk uteffekt med de egenskaper som krävs för att generera grön vätgas.

Vätgasproduktion genom elektrolys av vatten

Väte kan utvinnas ur vatten med hjälp av elektrolys. Biprodukten i denna process är syre. Elektrolysprocessen kräver en jämn och hög likström. Processen sker i en elektrolyscell eller elektrolysör som vanligtvis innehåller en anod (positiv elektrod) och en katod (negativ elektrod) där de elektrokemiska reaktionerna sker. En flytande eller fast elektrolyt omsluter elektroderna och leder jonerna mellan dem. En katalysator kan behövas för att öka reaktionshastigheten beroende på vilken process som används. Cellen drivs av en jämn och hög likströmskälla eller strömförsörjning (figur 1).

Figur 1: En grundläggande elektrolyscell som separerar vattnets väte- och syreelement. (Bildkälla: Art Pini)

Cellen innehåller även en separator (visas inte i detta diagram) för att förhindra att väte och syre som produceras vid elektroderna blandas.

Processen kräver höga likströmsnivåer. Vid perfekta förhållanden utan energiförluster krävs det minst 32,9 kWh elektrisk energi för att elektrolysera tillräckligt många vattenmolekyler för att producera 1 kg vätgas. Detta varierar beroende på effektiviteten i den elektrolysprocess som används.

För närvarande används tre olika processer: alkalisk elektrolys (AEL), protonbytarmembran (PEM) och elektrolys med fast oxid.

De mest etablerade elektrolysörerna är AEL-elektrolysörerna, som använder en alkalisk lösning, t.ex. kaliumhydroxid, mellan metallelektroderna. De är mindre effektiva än de andra typerna av elektrolysörer.

PEM-elektrolysörer använder en fast polymerelektrolyt som förstärks med katalysatorer av ädelmetall. De kännetecknas av högre effektivitet, snabbare svarstider och kompakta konstruktioner.

Elektrolysörceller med fast oxid (SOECs) använder ett fast keramiskt material som elektrolyt. De kan vara mycket effektiva, men kräver höga drifttemperaturer. Deras svarstider är långsammare än PEM-elektrolysatorernas.

En jämförelse av egenskaperna hos de tre teknikerna visas i figur 2.

Figur 2: En jämförelse av egenskaperna hos AEL-, PEM- och SOEC-processerna visar hur de nyare elektrolysörerna förbättrar effektiviteten. (Bildkälla: Infineon Technologies)

Det kostar för närvarande mer att producera vätgas med grön vätgasproduktion än med fossila bränslen. Detta kan vändas genom att förbättra effektiviteten hos de diskreta komponenterna, inklusive elektrolysörer och kraftsystem, och genom att skala upp omvandlingsanläggningarna.

Kraftsystemkonfigurationer för elnät och gröna kraftkällor

För närvarande drivs de flesta anläggningar för vätgasproduktion vid sidan av elnätet. Strömkällan för en elektrolysör är en likriktare från AC till DC som matas från en linjetransformator. Elektrolysanläggningar som drivs från elnätet måste uppfylla alla elnätsstandarder och -standarde, som exempelvis att uppnå en enhetlig effektfaktor och bibehålla låg harmonisk distorsion. Olika kraftsystem krävs när gröna kraftkällor integreras i processen för vätgasseparation (figur 3).

Figur 3: Elektrolysanläggningar måste omvandla ström från källan till likström för elektrolyscellerna. (Bildkälla: Infineon Technologies)

På samma sätt som elnätet generar vindbaserade kraftkällor växelström, och för att driva elektrolysceller från dessa krävs en likriktare som omvandlar växelström till likström. Solenergi och hybridkällor som använder batterier förlitar sig på DC/DC-omvandlare för att styra de likströmsnivåer som driver elektrolyscellerna. Elektrolyscellen kan även använda en lokal DC/DC-omvandlare oberoende av strömkälla. Elektrolyscellen utgör en konstant likströmsbelastning. På grund av åldringsfaktorer i elektrolyscellen måste den applicerade spänningen öka under cellens livstid, så kraftomvandlingssystemet (PCS) måste kunna hantera denna process. Kraftomvandlingssystem har vissa gemensamma specifikationer, oavsett om de är anslutna till en växel- eller likströmskälla.

Deras utspänning bör ligga i intervallet 400 V_DC till 1500 V_DC). Alkaliska celler har ett maximalt spänningsintervall på cirka 800 V. PEM-celler är inte lika begränsade och rör sig mot den övre delen av spänningsintervallet för att minska förlusterna och sänka kostnaderna. Uteffekten kan variera mellan 20 kW och 30 MW. Kraftomvandlingssystemets rippel måste vara lägre än 5 %, en specifikation som fortfarande studeras för dess inverkan på cellens livslängd och effektivitet. Kraftomvandlingssystemets likriktarkonstruktioner för elnätskällor, särskilt vid högre effektbelastningar, måste uppfylla kraftbolagens krav på hög belastning och effektfaktor.

Strömomvandling för växelströmskällor

Växelströmsdrivna vätgasanläggningar kräver en likriktare som kan driva en elektrolyscell direkt eller driva ett likströmsnät som är anslutet till flera celler.

En multipulslikriktare är ett vanligt val (figur 4). Den här tyristorbaserade likriktarkonstruktionen har hög verkningsgrad, är tillförlitlig, klarar hög strömtäthet och använder billiga halvledare.

Bild 4: En multipulslikriktare baserad på tyristorer har hög verkningsgrad, är tillförlitlig, klarar hög strömtäthet och använder billiga halvledare. På bilden visas en implementation med 12 pulser. (Bildkälla: Infineon Technologies)

Tyristoromvandlare baserade på multipuls är en etablerad och välkänd teknik. Tyristorlikriktaren med 12 pulser som visas i figur 4 består av en Y-D-Y kraftfrekvensomvandlare med två sekundära lågspänningslindningar. Sekundärlindningarna driver två tyristorlikriktare med sex pulser och parallellkopplade utgångar. Om likriktaren driver en elektrolysör direkt, styr tyristorns tändvinkel utspänningen och strömmen som flödar in i den. Tändvinkeln kan även användas för att bibehålla strömmen i systemet när elektrolysörcellen åldras och den spänning som krävs för cellstapeln ökar. Transformatorn kan även innehålla en OLTC (on-load tap changer). OLTC ändrar transformatorns lindningsvarv genom att växla mellan flera accesspunkter eller avtappningar på en av lindningarna för att höja eller sänka den spänning som matas till likriktaren.

Infineon Technologies erbjuder ett stort utbud av halvledarkomponenter för konstruktörer av kraftomvandlingssystem. Tyristorlikriktare används ofta för dessa tillämpningar med växelströmskällor. T3800N18TOFVTXPSA1 är t.ex. en diskret tyristor i en chassimonterad TO-200AE skivkapsling som är klassificerad för att tåla 1800 V vid 5970 A_rms i på-läge. Skivkapslingen ger ökad effekttäthet tack vare konstruktionen med dubbelsidig kylning.

Den grundläggande likriktarkonstruktionen kan förbättras genom att lägga till buck-omvandlare som choppers efter likriktningen för likriktarens utgång. Genom att lägga till chopper-steget förbättras styrningen av processen genom att chopperns arbetscykel justeras i stället för tyristorns tändvinkel (figur 5). Detta minskar det dynamiska intervall som krävs för tyristorn, vilket gör det möjligt att optimera processen.

Figur 5: En chopper efter likriktning minskar strömdistorsionen och förbättrar effektfaktorn. (Bildkälla: Infineon Technologies)

Genom att använda chopper efter likriktning med IGBT-transistorer (Insulated Gate Bipolar Transistors) elimineras behovet av OLTC-transformatorn, strömdistorsionen minskar och effektfaktorn förbättras.

FD450R12KE4PHOSA1 från Infineon Technologies är en IGBT-choppermodul avsedd för dessa tillämpningar. Den är klassificerad för en maximal spänning på 1200 V och en maximal kollektorström på 450 A och levereras i en standardmodul på 62 mm i C-serien.

Mer avancerade likriktarkretsar inkluderar IGBT-baserade aktiva likriktare. Aktiva likriktare ersätter dioder eller tyristorer med IGBT:er som en styrenhet slår på och av vid lämpliga tidpunkter via en gatedrivkrets (figur 6).

Bild 6: En aktiv likriktare ersätter dioderna eller tyristorerna i likriktarkretsen med IGBT:er, som växlas av en gatedrivkrets. (Bildkälla: Infineon Technologies)

Till skillnad från en traditionell likriktare, som producerar icke-sinusformade nätströmmar, har en aktiv likriktare en induktor i serie med IGBT:erna som gör nätströmmen sinusformad och minskar övertonerna. IGBT:ns impedans när den leder ström är mycket låg, vilket minskar ledningsförlusterna och förbättrar verkningsgraden jämfört med en vanlig likriktare. En styrenhet för en aktiv likriktare upprätthåller en enhetlig effektfaktor, så att externa enheter för effektfaktorkorrigering (PFC) inte behövs. Den arbetar även med högre switchningsfrekvenser, vilket medför att passiva komponenter och filter med mindre storlek kan användas.

FF1700XTR17IE5DBPSA1 kombinerar dubbla IGBT:er i en konfiguration med halvbrygga i en modulär PrimePACK 3+ kapsling. Den är klassificerad för att tåla 1700 V med en maximal kollektorström på 1700 A. Tre sådana moduler används i den krets som visas i figur 6.

En IGBT-gatedrivkrets som 1ED3124MU12HXUMA1 slår på och av ett enda IGBT-par. Gatedrivkretsen är galvaniskt isolerad med hjälp av transformatorteknik utan kärna. Den är kompatibel med IGBT:er med märkspänning från 600 till 2300 V och har en typisk utström på 14 A via separata source- och sink-stift. De logiska ingångarnas stift arbetar i ett stort inspänningsområde från 3 till 15 V med CMOS-gränsvärden för att stödja 3,3 V microcontrollers.

Effektomvandling för likströmskällor

För att utvinna vätgas med hjälp av likströmskällor som t.ex. solcellsenergi och batteribaserade hybridsystem krävs DC/DC-omvandlare. Som tidigare nämnts kan dessa omvandlare förbättra prestandan hos diod-/tyristorlikriktare. De gör det även möjligt att optimera lokala likströmsnät för att få flexibilitet i anläggningen.

I en överlappande buck-omvandlare används parallella chopper-moduler av halvbryggetyp för att ändra likströmsnivån från inspänning till utspänning (figur 7).

Figur 7: En överlappande buck-omvandlare minskar likströmmens inspänning, V_DC1 till utspänningsnivå V_DC2. (Bildkälla: Infineon Technologies)

Med rätt styrning av överlappningen minskar denna DC/DC-omvandlartopologi likströmsripplet avsevärt utan att öka induktorernas storlek eller switchningsfrekvensen. Respektive fas i implementeringen kan förverkligas med en lämplig modul. FF800R12KE7HPSA1 är en 62 mm IGBT-modul med halvbrygga som passar för DC/DC-omvandlare med buck-topologi. Den har en maximal spänning på 1200 V och tål en maximal kollektortoppström på 800 A.

Den dubbla aktiva bryggomvandlaren är ett alternativ till buck-omvandlaren (bild 8).

Figur 8: En dubbel aktiv bryggomvandlare utför en spänningsminskning och ger galvanisk isolering mellan inspänning och utspänning. (Bildkälla: Infineon Technologies)

Omvandlaren med dubbel aktiv brygga använder en högfrekvenstransformator för att koppla samman helbryggan för inspänningen med utspänningens helbrygga och tillhandahålla galvanisk isolering. En sådan isolering är ofta till hjälp för att minimera korrosion av tanken och elektroderna i elektrolyscellen. Identiska helbryggor drivs med komplementära fyrkantsvågor. Drivsignalernas faser mellan primär- och sekundärsidan bestämmer strömflödets riktning. DAB-omvandlaren minimerar dessutom switchningsförlusterna genom att använda nollvoltsväxling för IGBT:erna. Kretsen kan tillverkas med halvbryggor av IGBT- eller MOSFET-moduler av kiselkarbid (SiC).

Sammanfattning

I takt med att den globala efterfrågan på rena energikällor fortsätter att öka kommer grön vätgasutvinning baserad på förnybara energikällor att bli allt viktigare. Sådana källor kräver en effektiv, tillförlitlig och mycket stabil likström. Konstruktörer kan använda sig av Infineon Technologies stora sortiment av halvledare för hög spänning och ström för att finna de nödvändiga komponenterna för effektomvandling.