Zapewnienie stabilnego prądu stałego o wysokiej sprawności w celu pozyskiwania ekologicznego wodoru

Przejście na ekologiczny wodór daje nadzieję na obniżenie poziomu gazów cieplarnianych. Energia ze źródeł odnawialnych, na przykład energia wodna, wiatrowa i słoneczna, wytwarzana lokalnie lub przesyłana przez sieć energetyczną, wymaga skutecznego przekształcenia na prąd stały w celu elektrolizy wody. Zapewnienie wysokich i stabilnych parametrów prądu stałego o niskich zniekształceniach harmonicznych, wysokiej gęstości prądu i dobrych współczynnikach mocy (PF) stanowi wyzwanie dla projektantów systemów.

W niniejszym artykule omówiono zasady dotyczące zielonego wodoru. Następnie przedstawiono komponenty mocy firmy Infineon Technologies i pokazano w jaki sposób można je wykorzystać do konwersji energii z przyjaznych dla środowiska źródeł energii na stabilną moc wyjściową o charakterystyce wymaganej do generowania zielonego wodoru.

Generowanie wodoru w drodze elektrolizy wody

Wodór można wyodrębnić z wody w procesie elektrolizy. Produktem ubocznym tego procesu jest tlen. Proces elektrolizy wymaga stosowania stabilnych, wysokich parametrów prądu stałego. Proces ten zachodzi w ogniwie elektrolitycznym lub elektrolizerze, zwykle zawierającym anodę (elektrodę dodatnią) i katodę (elektrodę ujemną), gdzie zachodzą reakcje elektrochemiczne. Elektrody są otoczone płynnym lub stałym elektrolitem, który przewodzi jony pomiędzy nimi. W zależności od stosowanego procesu do zwiększenia szybkości reakcji może być wymagany katalizator. Ogniwo jest zasilane ze stabilnego źródła prądu stałego o wysokiej wydajności lub zasilacza (ilustracja 1).

Ilustracja 1: podstawowe ogniwo elektrolityczne rozkłada wodę na wodór i tlen. (Źródło ilustracji: Art Pini)

Ogniwo zawiera również separator (nie pokazany na tym diagramie), który zapobiega mieszaniu się wodoru i tlenu wytwarzanego na elektrodach.

Proces ten wymaga wysokich parametrów prądu stałego. W idealnych warunkach, bez uwzględnienia strat energii, do elektrolizy cząsteczek wody wystarczającej do wyprodukowania 1kg wodoru potrzeba co najmniej 32,9kWh energii elektrycznej. Wartość różni się w zależności od sprawności procesu elektrolizy.

Obecnie stosowane są trzy różne procesy: elektroliza alkaliczna (AEL), membrana do wymiany protonów (PEM) i elektroliza stałotlenkowa.

Najbardziej znane są elektrolizery alkaliczne (AEL), w których pomiędzy metalowymi elektrodami stosuje się roztwory alkaliczne, takie jak wodorotlenek potasu. Są one mniej wydajne niż inne typy elektrolizerów.

Elektrolizery z membraną do wymiany protonów (PEM) wykorzystują stały elektrolit polimerowy wzbogacony katalizatorami z metali szlachetnych. Charakteryzują się one wyższą sprawnością, krótszym czasem reakcji oraz kompaktową konstrukcją.

Elektrolizery z ogniwami stałotlenkowymi (SOEC) w charakterze elektrolitu wykorzystują stały materiał ceramiczny. Mogą mieć wysoką sprawność, ale wymagają wysokich temperatur roboczych. Ich czasy reakcji są dłuższe niż elektrolizerów z membraną do wymiany protonów (PEM).

Porównanie cech trzech technik przedstawiono na ilustracji 2.

Ilustracja 2: porównanie charakterystyk procesów elektrolizy alkalicznej (AEL), elektrolizy z wykorzystaniem membrany do wymiany protonów (PEM) oraz elektrolizy z wykorzystaniem ogniw stałotlenkowych (SOEC) wskazuje na poprawę sprawności nowszych elektrolizerów. (Źródło ilustracji: Infineon Technologies)

Produkcja zielonego wodoru jest obecnie droższa niż produkcja wodoru z paliw kopalnych. Można to zmienić, poprawiając sprawność komponentów dyskretnych, w tym elektrolizerów i układów zasilania, oraz zwiększając skalę zakładów konwersji.

Konfiguracje układów zasilania dla sieci i ekologicznych źródeł zasilania

Obecnie większość elektrowni wodorowych działa poza siecią energetyczną. Źródłem zasilania elektrolizera jest prostownik prądu zmiennego na stały, zasilany z transformatora liniowego. Instalacje elektrolityczne zasilane z sieci muszą spełniać wszystkie normy i przepisy sieciowe, np. osiągać współczynnik mocy (PF) równy jedności i utrzymywać zniekształcenia harmoniczne na niskim poziomie. W procesie separacji wodoru z wykorzystaniem ekologicznych źródeł energii potrzebne są inne układy zasilania (ilustracja 3).

Ilustracja 3: instalacje elektrolityczne muszą przekształcać energię ze źródła na prąd stały do zasilania ogniw elektrolitycznych. (Źródło ilustracji: Infineon Technologies)

Podobnie jak w przypadku sieci energetycznej, wiatrowe źródła energii dostarczają prąd zmienny, a zasilanie z nich ogniw elektrolitycznych wymaga prostownika, który przekształca prąd zmienny w prąd stały. Słoneczne i hybrydowe źródła energii wykorzystujące baterie używają przetwornic prądu stałego do sterowania parametrami prądu stałego dostarczanego do ogniw elektrolitycznych. Ogniwo elektrolityczne może również wykorzystywać lokalną przetwornicę prądu stałego niezależnie od źródła zasilania. Ogniwo elektrolityczne stanowi stabilne obciążenie prądu stałego. Ze względu na starzenie się ogniwa elektrolizerowego, przyłożone napięcie musi wzrastać w całym okresie jego użytkowania, więc system konwersji mocy (PCS) powinien być w stanie sprostać temu procesowi. Systemy konwersji mocy (PCS), niezależnie od tego, czy współpracują ze źródłem prądu zmiennego, czy stałego, mają pewne cechy wspólne.

Ich napięcie wyjściowe powinno być w zakresie od 400V₌ do 1500V₌). Ogniwa alkaliczne mają zakres napięć maksymalnych do około 800V. Ogniwa z membranami do wymiany protonów (PEM) nie mają tak dużych ograniczeń, a ich wartość napięcia maksymalnego zbliża się górnej granicy określonego zakresu napięć, co obniża straty i koszty. Zakres mocy wyjściowych może wynosić od 20kW do 30MW. Tętnienia prądu z systemu konwersji mocy (PCS) powinny być mniejsze niż 5%, a specyfikacja ta jest nadal badana pod kątem wpływu na żywotność i sprawność ogniwa. Konstrukcje prostownikowych systemów konwersji mocy (PCS) do sieci energetycznych, zwłaszcza do odbiorników o większej mocy, muszą być zgodne z wymogami firm energetycznych dotyczących dużych odbiorników i współczynnika mocy (PF).

Konwersja mocy dla źródeł prądu zmiennego

Instalacje wodorowe zasilane prądem zmiennym wymagają prostownika, który może zasilać ogniwo elektrolityczne bezpośrednio lub zasilać sieć prądu stałego, do której podłączono wiele ogniw.

Popularnym wyborem jest prostownik wieloimpulsowy (ilustracja 4). Ta oparta na tyrystorach konstrukcja prostownika charakteryzuje się wysoką sprawnością, niezawodnością, wysokimi gęstościami prądu i wykorzystuje niedrogie półprzewodniki.

Ilustracja 4: prostowniki wieloimpulsowe oparte na tyrystorach charakteryzują się wysoką sprawnością, niezawodnością, wysokimi gęstościami prądu i wykorzystują niedrogie półprzewodniki. Przedstawiono implementację 12-impulsową. (Źródło ilustracji: Infineon Technologies)

Wieloimpulsowe konwertery tyrystorowe są uznaną i dobrze znaną technologią. 12-impulsowy prostownik tyrystorowy pokazany na ilustracji 4 składa się z transformatora mocy gwiazda-trójkąt-gwiazda posiadającego dwa uzwojenia wtórne niskiego napięcia. Uzwojenia wtórne sterują dwoma sześcioimpulsowymi prostownikami tyrystorowymi z równolegle połączonymi wyjściami. Jeśli omawiany prostownik steruje elektrolizerem bezpośrednio, to kąt wyzwalania tyrystora steruje napięciem wyjściowym i przepływającym do niego prądem. Kąt wyzwalania może być również wykorzystany do utrzymania prądu w układzie w miarę starzenia się ogniwa elektrolizera i podwyższania napięcia wymaganego dla stosu ogniw. Transformator może również zawierać podobciążeniowy przełącznik zaczepów (OLTC). Podobciążeniowy przełącznik zaczepów (OTLC) zmienia przekładnię zwojową transformatora, przełączając pomiędzy wieloma punktami dostępowymi lub zaczepami na jednym z uzwojeń w celu podwyższenia lub obniżenia napięcia dostarczanego do prostownika.

Firma Infineon Technologies oferuje projektantom systemów konwersji mocy (PCS) szeroką gamę komponentów półprzewodnikowych. W tych zastosowaniach źródeł prądu zmiennego powszechnie używane są prostowniki tyrystorowe. Na przykład dyskretny tyrystor T3800N18TOFVTXPSA1 w krążkowej obudowie TO-200AE montowany panelowo, przystosowany do obsługi napięcia 1800V przy prądzie w stanie włączenia 5970A_rms. Krążkowa obudowa zapewnia zwiększoną gęstość mocy dzięki konstrukcji dwustronnego chłodzenia.

Podstawową konstrukcję prostownika można udoskonalić, dodając na jego wyjściu przetwornice obniżające pełniące rolę czoperów końcowych. Dodanie stopnia czopera zwiększa kontrolę nad procesem dzięki regulacji jego cyklu pracy, a nie kąta wyzwalania tyrystora (ilustracja 5). Zmniejsza to zakres dynamiczny wymagany dla tyrystora, umożliwiając optymalizację procesu.

Ilustracja 5: czoper końcowy zmniejsza zniekształcenia prądu i poprawia współczynnik mocy (PF). (Źródło ilustracji: Infineon Technologies)

Zastosowanie czopera końcowego wykorzystującego tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) eliminuje potrzebę stosowania transformatora z podobciążeniowym przełącznikiem zaczepów (OLTC), zmniejsza zniekształcenia prądu i poprawia współczynnik mocy (PF).

Do takich właśnie zastosowań służy moduł czopera z tranzystorami IGBT FD450R12KE4PHOSA1 firmy Infineon Technologies. Jego maksymalne napięcie wynosi 1200V, a maksymalny prąd kolektora 450A. Dostępny jest w standardowym module z serii C o rozmiarach 62mm.

Bardziej zaawansowane obwody prostownikowe obejmują prostowniki aktywne oparte na tranzystorach IGBT. W prostownikach aktywnych, diody lub tyrystory są zastępowane tranzystorami IGBT, które kontroler włącza i wyłącza w odpowiednich momentach za pomocą sterownika bramek (ilustracja 6).

Ilustracja 6: prostownik aktywny, w którym diody lub tyrystory w obwodzie prostownika są zastępowane tranzystorami IGBT przełączanymi przez kontroler sterownika bramek. (Źródło ilustracji: Infineon Technologies)

W przeciwieństwie do tradycyjnych prostowników, które wytwarzają niesinusoidalne prądy linii, aktywny prostownik posiada cewkę indukcyjną połączoną szeregowo z tranzystorami IGBT, która utrzymuje sinusoidalny prąd linii i redukuje harmoniczne. Impedancja tranzystora IGBT w stanie przewodzenia jest bardzo niska, co zmniejsza straty przewodzenia i poprawia sprawność w porównaniu ze standardowym prostownikiem. Aktywny kontroler prostownika utrzymuje współczynnik mocy (PF) równy jedności, więc zewnętrzne urządzenia do korekcji współczynnika mocy (PFC) nie są konieczne. Działa on również przy wyższych częstotliwościach przełączania, co skutkuje mniejszymi rozmiarami komponentów pasywnych i filtrów.

Urządzenie FF1700XTR17IE5DPBSA1 zawiera dwa tranzystory IGBT w konfiguracji półmostkowej, zamknięte w modułowej obudowie PrimePACK 3+. Jego napięcie znamionowe wynosi 1700V, a maksymalny prąd kolektora to 1700A. Obwód pokazany na ilustracji 6 wykorzystuje trzy takie moduły.

Sterownik bramek IGBT, na przykład 1ED3124MU12HXUMA1 włącza i wyłącza pojedynczą parę tranzystorów IGBT. Sterownik bramek jest izolowany galwanicznie z wykorzystaniem technologii transformatorów bezrdzeniowych. Jest on kompatybilny z tranzystorami IGBT o napięciach znamionowych od 600 do 2300V i ma typowy prąd wyjściowy 14A na oddzielnych wtykach źródła i odbioru. Wejściowe wtyki logiczne działają w szerokim zakresie napięć wejściowych od 3 do 15V i wykorzystują poziomy progowe CMOS, obsługując mikrokontrolery 3,3V.

Konwersja mocy dla źródeł prądu stałego

Do oddzielania wodoru przy wykorzystaniu źródeł zasilania prądu stałego, takich jak energia fotowoltaiczna i bateryjne systemy hybrydowe, wymagane są przetwornice prądu stałego. Jak wspomniano wcześniej, przetwornice te mogą poprawić działanie prostowników diodowo-tyrystorowych. Pozwalają one również na optymalizację lokalnych sieci prądu stałego pod kątem elastyczności instalacji.

Przetwornica obniżająca z przeplotem wykorzystuje równoległe moduły czoperów półmostkowych do zmiany parametrów prądu stałego pomiędzy wejściem i wyjściem (ilustracja 7).

Ilustracja 7: przetwornica obniżająca z przeplotem obniża poziom wejściowy prądu stałego, V_DC1, do poziomu wyjściowego V_DC2. (Źródło ilustracji: Infineon Technologies)

Dzięki odpowiedniemu sterowaniu z przeplotem omawiana topologia przetwornicy prądu stałego znacznie obniża tętnienia prądu stałego bez zwiększania rozmiarów cewek indukcyjnych czy częstotliwości przełączania. Poszczególne fazy wdrożenia można zrealizować przy użyciu odpowiedniego modułu. moduł półmostkowy IGBT 62mm FF800R12KE7HPSA1 przeznaczony jest do stosowania w obniżających przetwornicach prądu stałego. Jego napięcie maksymalne wynosi 1200V i wytrzymuje on maksymalny prąd kolektora 800A.

Alternatywą dla przetwornicy obniżającej jest przetwornica z podwójnym mostkiem aktywnym (DAB) (ilustracja 8).

Ilustracja 8: przetwornica z podwójnym mostkiem aktywnym (DAB) obniża napięcie i zapewnia izolację galwaniczną pomiędzy wejściem i wyjściem. (Źródło ilustracji: Infineon Technologies)

W celu zapewnienia izolacji galwanicznej przetwornica wykorzystuje transformator wysokiej częstotliwości, sprzęgający wejściowe i wyjściowe obwody pełnomostkowe. Taka izolacja jest często pomocna w zminimalizowaniu korozji zbiornika i elektrod ogniwa elektrolizera. Identyczne obwody pełnomostkowe są sterowane komplementarnymi falami prostokątnymi. Faza sygnałów sterujących pomiędzy stroną pierwotną i wtórną określa kierunek przepływu mocy. Ponadto przetwornica z podwójnym mostkiem aktywnym (DAB) minimalizuje straty przełączania dzięki przełączaniu tranzystorów IGBT przy zerowym napięciu. Obwód może być wykonany z wykorzystaniem półmostkowych tranzystorów IGBT lub węglikowo-krzemowych (SiC) tranzystorów MOSFET.

Podsumowanie

Ponieważ światowe zapotrzebowanie na czyste źródła energii stale rośnie, znaczenie ekologicznego pozyskiwania wodoru w oparciu o odnawialne źródła energii także będzie rosło. Takie źródła wymagają wydajnego, niezawodnego i bardzo stabilnego zasilania prądem stałym. Poszukując niezbędnych komponentów do konwersji mocy, projektanci mogą skorzystać z szerokiej oferty półprzewodników wysokonapięciowych i prądowych firmy Infineon Technologies.