Jak zajistit účinný a stabilní stejnosměrný proud pro ekologický vodík

Přechod na ekologický vodík slibuje snížení emisí skleníkových plynů. Energii z obnovitelných zdrojů, jako je hydroelektrická, větrná a solární energie, ať již generovaná lokálně nebo přenášená přes rozvodnou síť, je třeba efektivně přeměňovat na stejnosměrný proud (DC) pro elektrolýzu vody. Zajištění vysokých a stabilních úrovní stejnosměrného napájení s nízkým harmonickým zkreslením, vysokou proudovou hustotou a kvalitními účiníky (PF) je pro konstruktéry hlavním problémem.

Tento článek popisuje princip ekologického vodíku. Poté představí výkonové součásti od společnosti Technologie Infineon a ukáže, jak je lze využívat k přeměně vstupů z ekologických zdrojů energie na stabilní výstupní elektrickou energii s charakteristikami požadovanými pro výrobu ekologického vodíku.

Výroba vodíku elektrolýzou vody

Vodík lze oddělit od vody procesem elektrolýzy. Vedlejším produktem tohoto procesu je kyslík. Proces elektrolýzy vyžaduje aplikaci stálého stejnosměrného proudu s vysokou úrovní. Tento proces se odehrává prostřednictvím elektrochemických reakcí v elektrolytickém článku nebo elektrolyzéru, který typicky obsahuje anodu (kladnou elektrodu) a katodu (zápornou elektrodu). Elektrody obklopuje kapalný nebo pevný elektrolyt, který zajišťuje vedení iontů mezi nimi. Pro zvýšení reakční rychlosti může být v závislosti na použitém procesu zapotřebí katalyzátor. Článek je napájen ze stabilním zdrojem stejnosměrného proud s vysokou úrovní nebo z napájecího zdroje (obrázek 1).

Obrázek 1: základní elektrolytický článek odděluje prvky vodíku a kyslíku ve vodě. (Zdroj obrázku: Art Pini)

Článek obsahuje také separátor (v tomto schématu není znázorněn), který zabraňuje míchání vodíku a kyslíku generovaného na elektrodách.

Celý proces vyžaduje vysoké úrovně stejnosměrného proudu. Za ideálních podmínek, tedy bez energetických ztrát, je k výrobě 1 kg vodíku pomocí elektrolýzy dostatečného množství molekul vody zapotřebí nejméně 32,9 kWh elektrické energie. Tato energie se však bude lišit v závislosti na účinnosti použitého procesu elektrolýzy.

V současnosti se používají tři různé procesy: alkalická elektrolýza (AEL), protonová výměnná membrána (PEM) a elektrolýza pevných oxidů.

Nejznámější elektrolyzéry jsou typu AEL, mezi jejichž kovovými elektrodami se nachází alkalický roztok, například hydroxid draselný. V porovnání s ostatními typy elektrolyzérů jsou méně účinné.

Elektrolyzéry s membránou PEM používají pevný polymerový elektrolyt obohacený o katalyzátory z drahých kovů. Vyznačují se vyšší účinností, rychlejší dobou odezvy a kompaktním provedením.

Elektrolýzní články s pevným oxidem (SOEC) používají jako elektrolyt pevný keramický materiál. Mohou být vysoce účinné, vyžadují však vysoké provozní teploty. Jejich doba odezvy je pomalejší než u elektrolyzérů s membránou PEM.

Srovnání charakteristik těchto tří procesů znázorněno na obrázku 2.

Obrázek 2: srovnání charakteristik procesů AEL, PEM a SOEC zdůrazňuje zlepšující se účinnosti novějších elektrolyzérů. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)

Výroba ekologického vodíku je v současnosti dražší než výroba vodíku z fosilních paliv. Tuto situaci lze zvrátit vylepšením účinnosti jednotlivých komponent, včetně elektrolyzérů a energetických systémů, a rozšířením kapacit konverzních zařízení.

Konfigurace energetického systému pro síťové a zelené zdroje energie

V současné době je většina výroben vodíku v provozu mimo elektrickou síť. Zdrojem energie pro elektrolyzér je usměrňovač střídavého napětí napájený ze síťového transformátoru. Elektrolýzní zařízení napájená ze sítě musí splňovat všechny příslušné normy a předpisy, například dosažení jednotného účiníku a zachování nízkého harmonického zkreslení. Vzhledem k tomu, že do procesu separace vodíku jsou začleněny zdroje zelené energie, jsou zapotřebí různé energetické systémy (obrázek 3).

Obrázek 3: elektrolýzní zařízení musí převádět energii z různých zdrojů na stejnosměrné napětí pro elektrolýzní články. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)

Vzhledem k tomu, že větrné zdroje energie dodávají stejně jako elektrická síť střídavé napětí, jejich použití k napájení elektrolýzních článků vyžaduje usměrňovač ze střídavého napětí na stejnosměrné. Solární a hybridní zdroje energie s bateriemi využívají DC/DC převodníky, které regulují úrovně stejnosměrného napětí napájejícího elektrolýzní články. Elektrolýzní článek může využívat také lokální DC/DC převodník bez ohledu na zdroj energie. Elektrolytický článek představuje konstantní stejnosměrnou zátěž. Vzhledem ke stárnutí článku elektrolyzéru je nutné, aby se přiváděné napětí v průběhu jeho životnosti zvyšovalo a systém přeměny energie (PCS) by se měl být schopen tomuto procesu přizpůsobit. Systémy PCS, ať jsou již připojeny ke střídavému nebo stejnosměrnému zdroji, budou mít některé společné technické parametry.

Jejich výstupní napětí by se mělo pohybovat rozmezí 400 V_DC až 1500 V_DC. Alkalické články mají maximální napětí přibližně 800 V. Články elektrolyzérů s membránou PEM takové omezení nemají a jejich napětí se pohybuje v horní části rozsahu, aby došlo ke snížení ztrát a nákladů. Rozsah výstupního výkonu může být 20 kW až 30 MW. Zvlnění proudu ze systému PCS by mělo být nižší než 5 %, přičemž vliv tohoto parametru na životnost a účinnost článku je stále předmětem studií. Návrhy usměrňovačů systémů PCS pro síťové elektrické zdroje, zejména pro vyšší výkonové zátěže, musí splňovat požadavky energetických společností na vysoké zatížení a účiník.

Přeměna energie ze střídavých zdrojů

Výrobny vodíku na střídavé napětí vyžadují usměrňovač schopný napájet přímo elektrolýzní článek nebo stejnosměrnou síť připojenou k více článkům.

Tyto požadavky běžně splňuje vícepulzní usměrňovač (obrázek 4). Tato konstrukce tyristorového usměrňovače se vyznačuje vysokou účinností, spolehlivostí, podporou vysoké proudové hustoty a používáním levných polovodičů.

Obrázek 4: vícepulzní tyristorový usměrňovač se vyznačuje vysokou účinností, spolehlivostí, podporou vysokých proudových hustot a používáním levných polovodičů. Zde je znázorněna 12pulzní implementace. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)

Vícepulzní tyristorové měniče představují zavedenou a známou technologii. 12pulzní tyristorový usměrňovač znázorněný na obrázku 4 je složen z výkonového frekvenčního transformátoru hvězda-trojúhelník-hvězda se dvěma nízkonapěťovými sekundárními vinutími. Sekundární vinutí napájí dva šestipulzní tyristorové usměrňovače s paralelně zapojenými výstupy. Pokud tento usměrňovač napájí přímo elektrolyzér, pak fázový úhel tyristoru reguluje výstupní napětí a proud, který do něj vstupuje. Fázový úhel lze využívat také k udržování proudu v systému vlivem stárnutí elektrolýzních článků a zvyšování potřebného napětí pro sadu těchto článků. Transformátor může být také opatřen přepínačem odboček při zatížení (OLTC). Přepínač OLTC mění převodový poměr transformátoru přepínáním více přístupových bodů nebo odboček na jednom z vinutí za účelem zvýšení nebo snížení napětí přiváděného do usměrňovače.

Společnost Infineon Technologies nabízí konstruktérům systémů PCS možnost širokého výběru polovodičových součástek. Pro tyto aplikace se zdrojem střídavého napětí se běžně používají tyristorové usměrňovače. Například model T3800N18TOFVTXPSA1 je diskrétní tyristor v diskovém pouzdru TO-200AE pro montáž na šasi dimenzovaný na zpracování napětí 1800 V s efektivní hodnotou proudu 5970 A (A_rms) v zapnutém stavu. Diskové pouzdro nabízí zvýšenou výkonovou hustotu díky konstrukci s oboustranným chlazením.

Základní konstrukci usměrňovače lze vylepšit přidáním snižovacích převodníků jako chopperů na výstupu usměrňovače. Přidáním stupně chopperu dojde ke zlepšení regulace procesu tím, že namísto fázového úhlu tyristoru se mění pracovní cyklus chopperu (obrázek 5). Toto řešení snižuje dynamický rozsah potřebný pro tyristor, což umožňuje optimalizaci procesu.

Obrázek 5: chopper za usměrňovačem snižuje proudové zkreslení a zlepšuje účiník. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)

Instalace chopperu s bipolárními tranzistory s izolovaným hradlem (IGBT) za usměrňovač odstraňuje potřebu transformátoru s přepínačem odboček při zátěži (OLTC), snižuje proudové zkreslení a zlepšuje účiník.

Obvod FD450R12KE4PHOSA1 od společnosti Infineon Technologies je modul IGBT chopperu určený pro tyto aplikace. Tento obvod dimenzovaný na maximální napětí 1200 V a maximální kolektorový proud 450 A je dodáván jako standardní 62mm modul řady C-series.

Pokročilejší usměrňovací obvody zahrnují aktivní usměrňovače s tranzistory IGBT. Aktivní usměrňovače nahrazují diody nebo tyristory tranzistory IGBT, které řídicí jednotka prostřednictvím hradlového budiče ve vhodných časech zapíná a vypíná (obrázek 6).

Obrázek 6: aktivní usměrňovač nahrazuje diody a tyristory v usměrňovacím obvodu tranzistory IGBT, které jsou spínané řadičem s hradlovým budičem. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)

Na rozdíl od tradičního usměrňovače generujícího nesinusové proudy ve vedení používá aktivní usměrňovač induktor zapojený do série s tranzistory IGBT, který udržuje sinusový průběh proudu a snižuje obsah harmonických. Vzhledem k tomu, že impedance tranzistoru IGBT v zapnutém stavu je velmi nízká, dochází ke snížení ztrát vedením a zlepšení účinnosti ve srovnání se standardním usměrňovačem. Aktivní regulátor usměrňovače udržuje konstantní účiník (PF), čímž odpadá nutnost používání externích zařízení na kompenzaci účiníku (PFC). Regulátor také pracuje také na vyšších spínacích frekvencích, což dovoluje používat menší pasivní součástky a filtry.

Modul FF1700XTR17IE5DBPSA1 používá duální tranzistory IGBT v polomůstkové konfiguraci v modulárním pouzdru PrimePACK 3+. Je dimenzován tak, aby mohl pracovat při napětí 1700 V s maximálním kolektorovým proudem 1700 A. Obvod znázorněný na obrázku 6 by používal tři takové moduly.

Hradlový budič tranzistoru IGBT, například model 1ED3124MU12HXUMA1, zapíná a vypíná jeden pár tranzistorů IGBT. Hradlový budič je galvanicky oddělený pomocí technologie bezjádrového transformátoru. Je kompatibilní s tranzistory IGBT se jmenovitým napětím 600 V až 2300 V a jeho typický výstupní proud na samostatných pinech zdroje a zátěže dosahuje 14 A. Vstupní logické piny pracují v širokém rozsahu vstupního napětí 3 V až 15 V s použitím prahových úrovní CMOS pro podporu mikroregulátorů 3,3 V.

Přeměna energie ze stejnosměrných zdrojů

Separace vodíku pomocí stejnosměrných zdrojů energie, například fotovoltaické energie a hybridních systémů na bázi baterií, vyžaduje převodníky DC/DC. Jak bylo uvedeno dříve, tyto převodníky mohou zlepšit výkon diodových nebo tyristorových usměrňovačů. Umožňují také optimalizaci místních stejnosměrných sítí pro dosažení flexibility výrobního provozu.

Prokládaný snižovací převodník využívá paralelně zapojené polomůstkové chopperové moduly ke změně úrovně vstupního stejnosměrného napětí na výstupní úroveň (obrázek 7).

Obrázek 7: Prokládaný snižovací převodník snižuje úroveň vstupního stejnosměrného napětí V_DC1 na výstupní úroveň V_DC2. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)

Při správném řízení prokládání tato topologie převodníku DC/DC výrazně snižuje zvlnění stejnosměrného napětí bez zvětšení velikosti tlumivek nebo změny spínací frekvence. Každou fázi implementace lze realizovat pomocí příslušného modulu. Obvod FF800R12KE7HPSA1 je polomůstkový modul IGBT 62 mm vhodný pro převodník DC/DC se snižovací topologií. Tento modul dimenzovaný na maximální napětí 1200 V podporuje maximální kolektorový proud 800 A.

Alternativou ke snižovacímu převodníku (obrázek 8) je převodník s duálním aktivním můstkem (DAB).

Obrázek 8: DAB převodník provádí snižování napětí a zajišťuje galvanické oddělení vstupu a výstupu. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)

DAB převodník zajišťuje galvanické oddělení spojením vstupních a výstupních plnomůstkových obvodů pomocí vysokofrekvenčního transformátoru. Takové oddělení často pomáhá minimalizovat korozi nádrže a elektrod elektrolýzního článku. Identické plnomůstkové obvody jsou buzeny komplementárním obdélníkovým průběhem napětí. Fázování budicích signálů mezi primární a sekundární stranou určuje směr toku energie. Díky použití tranzistorů IGBT se spínáním v nulovém bodě napětí DAB převodník také minimalizuje spínací ztráty. Obvod může být vyroben s polomůstkovými IGBT nebo se SiC (karbid-křemíkovými) MOSFET moduly.

Závěr

Vzhledem k tomu, že celosvětová poptávka po čistých zdrojích energie stále roste, poroste také význam separace ekologického vodíku pomocí obnovitelných zdrojů energie. Takové zdroje vyžadují efektivní, spolehlivé a vysoce stabilní stejnosměrné napájení. Konstruktéři mohou k získávání součástí potřebných ke konverzi energie využívat široké portfolio vysokonapěťových a silových polovodičů od společnosti Infineon Technologies.