Energie z obnovitelných zdrojů jako je vodní, větrná či solární energie, ať už generovaná lokálně nebo přenášená přes rozvodnou síť, musí být efektivně přeměněna na stejnosměrný proud, který se využívá k elektrolýze vody a tedy k výrobě tzv. zeleného vodíku. Ten se pak využívá jako náhrada fosilních paliv, a tím přispívá ke snížení úrovně skleníkových plynů. Zajištění stabilního stejnosměrného proudu o hodnotě několika set ampér s nízkým harmonickým zkreslením, vysokou proudovou hustotou a dobrými účiníky je výzvou i pro zkušeného hardwarového inženýra. Tento článek pojednává o procesu výroby zeleného vodíku, a které výkonové komponenty od Infineon Technologies lze použít k přeměně obnovitelných zdrojů energie na stabilní proudový stejnoměrný výstup.
Výroba vodíku elektrolýzou vody
Vodík lze získat elektrolýzou vody, kde vedlejším produktem je kyslík. K elektrolýze je nutné mít vysokou úroveň stejnosměrného napětí a proudu. K tomuto procesu dochází v elektrolyzéru, kde dochází k elektrochemickým reakcím pomocí anody (kladné elektrody) a katody (záporné elektrody). Kapalný nebo pevný elektrolyt uzavírá elektrický obvod mezi elektrodami, mezi kterými začnou procházet ionty. Pro zvýšení reakční rychlosti může být použit katalyzátor v závislosti na použitém procesu. Článek (Katoda a Anoda) je napájen stabilním stejnosměrným zdrojem (obrázek 1).
Obrázek 1: Základní elektrolyzér odděluje prvky vodíku a kyslíku ve vodě. (Zdroj obrázku: Art Pini)
Článek také obsahuje separátor (na tomto schématu ale není znázorněn), aby se zabránilo smíchání vodíku a kyslíku produkovaného na jednotlivých elektrodách. Jak již bylo zmíněno, elektrolýza vyžaduje velmi vysoké úrovně stejnosměrného proudu. Za ideálních podmínek bez ztráty energie je zapotřebí minimálně 32,9 kWh elektrické energie k výrobě 1 kg vodíku. Tato hodnota se může lišit v závislosti na účinnosti použitého procesu elektrolýzy. V současnosti se používají tři různé procesy.
- Alkalická elektrolýza (AEL) – jedná se o nejznámější elektrolyzér, který používá mezi kovovými elektrodami alkalický roztok, jako je hydroxid draselný. Je ale méně účinný než ostatní typy elektrolyzérů.
- Elektrolýza s protonovou výměnnou membránou (PEM) – Elektrolyzéry PEM používají pevný polymerní elektrolyt obohacený o katalyzátory z drahých kovů. Vyznačují se vyšší účinností, rychlejší dobou odezvy a kompaktním designem.
- Elektrolýza s pevným oxidem – Elektrolyzéry s pevným oxidem (SOEC) používají jako elektrolyt pevný keramický materiál. Mohou být vysoce účinné, ale vyžadují vysoké provozní teploty. Jejich doba odezvy je pomalejší než u elektrolyzérů PEM.
Obrázek 2: Srovnání charakteristik procesů AEL, PEM a SOEC. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)
Výroba zeleného vodíku je v současnosti dražší než výroba vodíku z fosilních paliv. To lze zvrátit zvýšením účinnosti jednotlivých komponent.
Vytvoření sítě pro zelený zdroj energie
Zdrojem energie pro elektrolyzér mohou být přebytky ze střídavé přenosové soustavy, které jsou následně usměrněny. Elektrolytické závody napájené ze sítě musí splňovat všechny síťové standardy, včetně dosažení jednotného účiníku PF a udržení nízkého harmonického zkreslení. Do procesu separace vodíku jsou začleněny různé energetické systémy (zdroje „zelené energie“) (obrázek 3).
Obrázek 3: Pro elektrolýzu je nutné přeměnit energii z různých zdrojů na stejnosměrný proud pro elektrolytické články. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)
Stejně jako elektrická síť jsou zdroje energie z větrných elektráren střídavé a napájení elektrolyzérů z nich vyžaduje usměrňovač. Solární energie a hybridní zdroje využívající baterie potřebují DC/DC měniče pro řízení úrovní stejnosměrného napětí/proudu pro elektrolyzéry. Elektrolytický článek sice představuje konstantní stejnosměrnou zátěž, ale vzhledem ke stárnutí elektrolyzéru se musí aplikované napětí po dobu životnosti článku zvyšovat. Takže systém přeměny energie (PCS - power conversion system) by měl být schopen tomu vyhovět. PCS se sice připojují k AC nebo DC zdrojům, přesto mají některé vlastnosti společné.
Jejich výstupní napětí by mělo být v rozsahu 400 VDC až 1500 VDC. Alkalické články mají maximální rozsah napětí přibližně 800 V. Kdežto články PEM se blíží k horní hranici rozsahu. Rozsah výstupního výkonu PCS by tak měl být od 20 kW do 30 MW. Zvlnění proudu z PCS by mělo být menší než 5 %, přičemž se stále studuje pro jeho vliv na životnost a účinnost článku. Návrhy usměrňovačů PCS, zejména pro vyšší výkonové zatížení, musí splňovat požadavky energetických společností na velké zatížení a účiník PF.
Konverze napájení pro AC zdroje
Vodíkové elektrárny na střídavý proud vyžadují usměrňovač, který dodává stejnosměrný proud pro elektrolýzu. Běžnou volbou je vícepulzní usměrňovač, který je na obrázku 4. Obvod vícepulzního usměrňovače je na bázi tyristoru, který má vysokou účinnost, je spolehlivý a má vysokou proudovou hustotu.
Obrázek 4: Vícepulzní usměrňovač na bázi tyristorů má vysokou účinnost, je spolehlivý, má vysokou proudovou hustotu a využívá levné polovodiče. Zobrazeno je 12-pulzní provedení. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)
Vícepulzní usměrňovače na bázi tyristorů jsou zavedenou a dobře známou technologií. 12 pulzní tyristorový usměrňovač zobrazený na obrázku 4 se skládá z výkonového frekvenčního transformátoru hvězda – trojúhelník (wye-delta-wye) se dvěma nízkonapěťovými sekundárními vinutími. Výstup sekundárního vinutí je připojeno na dva šestipulzní tyristorové usměrňovače s paralelně zapojenými výstupy. Pokud tento usměrňovač je přímo napojen na elektrolyzér, pak úhel náběhu tyristoru řídí výstupní napětí a proud, který do něj teče. Úhel náběhu lze také použít k udržení konstantního proudu v systému, když článek elektrolyzéru stárne a požadované napětí se zákonitě zvyšuje. Transformátor může obsahovat přepínač odboček (OLTC - on-load tap changer). OLTC mění transformační poměr přepínáním mezi odbočkami na jednom z vinutí pro zvýšení nebo snížení napětí dodávaného do usměrňovače.
Infineon Technologies nabízí návrhářům systému PCS širokou škálu možností výběru polovodičových součástek. Pro tyto aplikace se běžně používají tyristorové usměrňovače jako je například T3800N18TOFVTXPSA1 v pouzdře TO-200AE určenou pro montáž na šasi. Je dimenzován na 5970 Arms při 1800 V v zapnutém stavu. Použité pouzdro navíc nabízí zvýšenou hustotu výkonu díky oboustranné konstrukci chlazení. Základní konstrukci usměrňovače lze vylepšit přidáním několika buck konvertorů jako tzv.post-rectification chopper. Konstrukce chopperového usměrňovače sestává z vysokofrekvenční spínače, který převádí sekundární střídavé napětí transformátoru na regulované výstupní stejnosměrné napětí. Větší energetické systémy jsou konstruovány z více chopper modulů pro dosažení specifikovaných proudových požadavků. Tyto konvertory zlepšují pracovní cyklus (obrázek 5) a to snižuje dynamický rozsah potřebný pro tyristor.
Obrázek 5: Dodatečné konvertory jako post-rectification choppery snižují zkreslení proudu a zlepšují účiník PF. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)
Pokud se použije post-rectification chopper realizovaný pomocí IGBT tranzistorů, tak již není nutné zahrnout do obvodu OLTC, a zároveň se sniží zkreslení proudu a zlepší účiník PF. IGBT chopper modul FD450R12KE4PHOSA1 je dimenzován pro maximální napětí 1200 V a maximální kolektorový proud 450 A a je dodáván ve standardním 62 mm pouzdru typu C-series. Pokročilejší obvody usměrňovače obsahují aktivní usměrňovače na bázi IGBT tranzistorů místo diod a tyristorů. Řídicí jednotka pak zapíná a vypíná ve vhodných časech IGBT tranzistory (obrázek 6).
Obrázek 6: Aktivní usměrňovač nahrazuje diody nebo tyristory v obvodu usměrňovače IGBT tranzistory, které jsou spínány příslušným driverem. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)
Na rozdíl od tradičního usměrňovače, který produkuje nesinusové proudy ve vedení, má aktivní usměrňovač induktor v sérii s IGBT, který udržuje sinusový proud vedení a snižuje harmonické. Impedance IGBT při sepnutí je velmi nízká, a to snižuje ztráty vedení a zlepšuje účinnost ve srovnání se standardním usměrňovačem. Aktivní usměrňovač udržuje jednotný účiník PF, takže externí obvody pro korekci účiníku (PFC) nejsou zapotřebí. Pracuje také při vyšších spínacích frekvencích, což má za následek použití menších pasivních součástek a filtrů.
FF1700XTR17IE5DBPSA1 kombinuje duální IGBT v konfiguraci polovičního můstku v modulárním pouzdře PrimePACK 3+. Je dimenzován tak, aby zvládl proud 1700 A při napětí 1700 V. Obvod zobrazený na obrázku 6 používá tři takové moduly. IGBT driver jako je 1ED3124MU12HXUMA1 zapíná a vypíná jeden pár IGBT tranzistorů ve správný okamžik. Driver je galvanicky oddělený pomocí bezjádrového transformátoru. Je kompatibilní s IGBT tranzistory s jmenovitým napětím od 600 do 2300 V a má typický výstupní proud 14 A. Vstupní logické piny pracují v širokém rozsahu vstupního napětí od 3 do 15 V. Čili jsou vhodné pro technologii CMOS 3,3 V uvnitř mikrokontrolerů.
Konverze napájení pro DC zdroje
Stejnosměrné zdroje energie jako je fotovoltaika či hybridní systémy s bateriemi vyžadují DC/DC měniče. Buck konvertor využívá moduly polovičního můstku ke změně stejnosměrné úrovně (obrázek 7).
Obrázek 7: Interleaved (prokládaný) buck konvertor snižuje vstupní stejnosměrnou úroveň VDC1 na výstupní úroveň VDC2 . (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)
Při správném řízení prokládání tato topologie DC/DC měniče výrazně snižuje DC zvlnění, aniž by se zvětšila velikost induktorů nebo spínací frekvence. Každou část usměrňovacího systému lze realizovat pomocí příslušného modulu. FF800R12KE7HPSA1 je polomůstkový IGBT modul o velikosti 62 mm vhodný pro DC/DC buck měnič. Je dimenzován pro maximální napětí 1200 V a proud 800 A. Převodník s duálním aktivním můstkem (DAB) je alternativou k převodníku buck (obrázek 8).
Obrázek 8: DAB převodník snižuje napětí a zajišťuje galvanické oddělení mezi vstupem a výstupem. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)
DAB převodník používá vysokofrekvenční transformátor pro zajištění galvanického oddělení. Taková izolace často pomáhá minimalizovat korozi nádrže a elektrod elektrolyzéru. Obvody plného můstku jsou buzeny komplementárními obdélníkovými vlnami. Fázování signálů měniče mezi primární a sekundární stranou určuje směr toku energie. Kromě toho DAB převodník minimalizuje spínací ztráty použitím nulového spínání IGBT. Obvod může být sestaven polovičním můstkem z IGBT nebo MOSFET modulů z karbidu křemíku (SiC).
Závěr
Vzhledem k tomu, že celosvětová poptávka po čistých zdrojích energie stále roste, separace zeleného vodíku založená na obnovitelných zdrojích energie bude čím dál víc aktuální. Takové zdroje vyžadují účinný, spolehlivý a vysoce stabilní stejnosměrný proud. Návrháři se mohou obrátit na široké portfolio vysokonapěťových a proudových polovodičů Infineon Technologies, aby získali potřebné komponenty pro konverzi energie.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
