Jó hatásfokú és stabil egyenáram biztosítása a zöldhidrogén előállításához

A zöldhidrogénre való áttérés az üvegházhatású gázok szintjének csökkentését ígéri. A megújuló forrásokból – mint a víz-, szél- és napenergia – származó energiát, akár helyben termelt, akár a villamos hálózaton keresztül továbbított energia, jó hatásfokkal kell egyenárammá (DC, direct current) alakítani a víz elektrolíziséhez. A rendszertervezők számára nehéz feladatot jelent a nagy és stabil egyenáramszintek biztosítása kis harmonikus torzítással, nagy áramsűrűséggel és jó teljesítménytényezőkkel (PF, power factor).

Ez a cikk a zöldhidrogén elvét tárgyalja. Ezután bemutatja az Infineon Technologies nagy teljesítményű eszközeit és azt, hogy hogyan lehet a környezetbarát energiaforrásokból származó bemenőenergiát a zöldhidrogén előállításához szükséges jellemzőkkel rendelkező stabil villamos kimenőteljesítménnyé alakítani.

Hidrogén előállítása a víz elektrolízisével

A hidrogén elektrolízissel választható ki a vízből. Ennek a folyamatnak a mellékterméke az oxigén. Az elektrolízishez stabil, nagy áramerősségű egyenáramra van szükség. Ez a folyamat egy elektrolizálócellában vagy elektrolizálókádban megy végbe, amely általában egy anódot (pozitív elektród) és egy katódot (negatív elektród) tartalmaz, amelyek között az elektrokémiai reakciók lejátszódnak. Az elektródákat folyékony vagy szilárd elektrolit veszi körül, és vezeti közöttük az ionokat. A reakciósebesség növeléséhez a használt eljárástól függően katalizátorra lehet szükség. A cellát egy stabil, nagy áramerősségű egyenáramú áramforrás vagy tápegység táplálja (1. ábra).

1. ábra: A víz alkotóelemeit, a hidrogént és az oxigént elválasztó alapszintű elektrolizálócella (ábra: Art Pini)

A cellához tartozik egy elválasztóelem is (az ábrán nem látható), amely megakadályozza az elektródákon keletkező hidrogén és oxigén keveredését.

A folyamat nagy áramerősségű egyenáramot igényel. Ideális körülmények között, energiaveszteség nélkül 1 kg hidrogén előállításához elegendő vízmolekula elektrolízissel történő szétbontásához legalább 32,9 kWh villamos energia szükséges. Ez a használt elektrolízisfajta hatásfokától függően változik.

Jelenleg három különböző eljárást alkalmaznak: lúgos elektrolízis (AEL, alkaline electrolysis), protoncserélő membrános elektrolízis (PEM, proton exchange membrane) és szilárd oxidos elektrolízis (SOEL, solid oxide electrolysis).

A legelterjedtebbek a lúgos elektrolizálóberendezések, amelyek lúgos oldatot, például kálium-hidroxidot használnak a fémelektródák között. Ezek rosszabb hatásfokúak, mint a másik két elektrolízisfajta.

A protoncserélő membrános elektrolizálóberendezések nemesfém katalizátorokkal kiegészített szilárd polimer elektrolitot használnak. Jobb hatásfok, rövidebb reakcióidő és kis méret jellemzi őket.

A szilárd oxidos elektrolizálócellák (SOEC, solid oxide electrolyzer cell) szilárd kerámiaanyagot használnak elektrolitként. Ezek igen jó hatásfokúak lehetnek, de magas üzemi hőmérsékletet igényelnek. Reakcióidejük hosszabb, mint a protoncserélő membrános elektrolizálóberendezéseké.

A három eljárás jellemzőinek összehasonlítása a 2. ábrán látható.

2. ábra: A lúgos, a protoncserélő membrános és a szilárd oxidos elektrolízis jellemzőinek összehasonlítása rávilágít az újabb típusú elektrolízisek egyre jobb hatásfokára (ábra: Infineon Technologies)

A zöldhidrogén előállítása jelenleg többe kerül, mint a fosszilis tüzelőanyagokból előállított hidrogéné. Ez az egyes önálló részegységek – beleértve az elektrolizálóberendezéseket és az energiarendszereket is – hatásfokának javításával, valamint az átalakító üzemek méretnövelésével megfordítható.

Energiarendszer-kialakítások hálózati és zöldenergia-forrásokhoz

Jelenleg a legtöbb hidrogéntermelő üzem a villamos hálózatról működik. Az elektrolizálóberendezés áramforrása egy hálózati transzformátorról táplált egyenirányító. A hálózatról táplált elektrolizálóüzemeknek meg kell felelniük minden hálózati szabványnak és előírásnak, például az egységnyi teljesítménytényező (PF, power factor) elérésének és a kis harmonikus torzítás fenntartásának. Ha a hidrogénkiválasztási folyamatba zöldenergia-forrásokat is bevonnak, többféle energiarendszererre van szükség (3. ábra).

3. ábra: Az elektrolizálóüzemeknek az áramforrásból származó energiát egyenárammá kell alakítaniuk az elektrolizálócellák számára (ábra: Infineon Technologies)

A villamos hálózathoz hasonlóan a szélalapú áramforrások is váltakozó áramúak, és az elektrolizálócellák áramellátásához egyenirányítóra van szükség, amely a váltakozó áramot egyenárammá alakítja. A napenergia és az akkumulátorokat használó hibrid áramforrások egyenáram-átalakítókat használnak az elektrolizálócellákat működtető egyenáramszintek szabályozásához. Az elektrolizálócellákban az áramforrástól függetlenül lehet helyi egyenáram-átalakító is. Az elektrolizálócella állandó egyenáramú terhelést jelent. Az elektrolizálócellán belüli öregedés miatt a ráadott feszültséget növelni kell, ahogy a cella élettartama nő, ezért az energiaátalakító rendszernek (PCS, power conversion system) képesnek kell lennie arra, hogy alkalmazkodjon ehhez a folyamathoz. Az energiaátalakító rendszereknek, függetlenül attól, hogy váltakozó vagy egyenáramú áramforrásról működnek-e, van néhány közös jellemzőjük.

A kimenőfeszültségüknek 400 V és 1500 V egyenfeszültség (V_DC) közöttinek kell lennie). Az alkáli elemekkel elérhető legnagyobb feszültség körülbelül 800 V. A protoncserélő membrános elektrolizálócelláknak kevesebb a korlátjuk, és a veszteségek és a költségek csökkentése érdekében a feszültségtartomány felső határa felé mozdulnak el. A kimenőteljesítmény-tartomány 20 kW és 30 MW közötti lehet. Az energiaátalakító rendszer búgóáramának 5%-nál kisebbnek kell lennie, ezt a jellemzőt még vizsgálják a cella élettartamára és hatásfokára gyakorolt hatását tekintve. A hálózati áramforrásokról működő energiaátalakító rendszerekben használt egyenirányítóknak, különösen a nagyobb teljesítményű terhelésekhez tervezetteknek meg kell felelniük az áramszolgáltatók nagy terhelésre és jó teljesítménytényezőre vonatkozó követelményeinek.

Áramátalakítás váltakozó áramú áramforrások esetén

A váltakozó árammal táplált hidrogénüzemekhez egyenirányítókra van szükség, amelyek elláthatnak árammal egy elektrolizálócellát közvetlenül, vagy táplálhatnak egy több cellát ellátó egyenáramú hálózatot.

Gyakori választás a többimpulzusos egyenirányító (4. ábra). Ez a tirisztorokat használó egyenirányító jó hatásfokú, megbízható, nagy áramsűrűségű, és olcsó félvezetőket használ.

4. ábra: A tirisztorokat használó többimpulzusos egyenirányító jó hatásfokú, megbízható, nagy áramsűrűségű, és olcsó félvezetőket használ. Az ábrán egy 12 impulzusos kialakítás látható (ábra: Infineon Technologies)

A többimpulzusos tirisztoros átalakítók bevált és jól ismert technika. A 4. ábrán látható 12 impulzusos tirisztoros egyenirányító egy két kisfeszültségű szekunder tekercsű, Y – delta – Y kapcsolású nagy teljesítményű frekvenciaátalakítóból áll. A szekunder tekercsek két hatimpulzusos tirisztoros egyenirányítót hajtanak meg, amelyek kimenetei párhuzamosan vannak kapcsolva. Ha ez az egyenirányító közvetlenül egy elektrolizálóberendezést táplál, a tirisztor gyújtásszöge szabályozza a kimeneti feszültséget és a tirisztorba befolyó áramot. A gyújtásszög arra is használható, hogy fenntartsa a szükséges áramerősséget a rendszerben, ahogy az elektrolizálócellák öregszenek és, nő a cellacsomaghoz szükséges feszültség. A transzformátor tartalmazhat egy terhelésfüggő megcsapolásváltót (OLTC, on-load tap changer) is. A terhelésfüggő megcsapolásváltó úgy változtatja meg a transzformátor tekercsszámarányát, hogy az egyik tekercs több hozzáférési pontja vagy megcsapolása között váltogat, hogy növelje vagy csökkentse az egyenirányítóra adott feszültséget.

Az Infineon Technologies a félvezető alkatrészek széles választékát kínálja az energiaátalakító rendszerekkel foglalkozó tervezők számára. A tirisztoros egyenirányítókat általában ilyen váltakozó áramforrású készülékekhez használják. A T3800N18TOFVTXPSA1 például egy önálló tirisztor, amely TO-200AE tárcsatokozású, és a névleges értékei alapján 1800 V-os feszültséget és 5970 A átlagos négyzetes középértékű (A_rms) nyitóirányú áramerősséget képes kezelni. A tárcsatokozás a kétoldali hűtésnek köszönhetően nagyobb teljesítménysűrűséget tesz lehetővé.

Az egyenirányító alapváltozata tovább javítható az egyenirányító kimenetére egyenirányítás utáni multivibrátorként működő feszültségcsökkentő áramátalakítókat kapcsolva. A multivibrátor fokozat hozzáadása javítja a folyamat vezérlését, mivel ekkor a tirisztor gyújtásszöge helyett a multivibrátor működési ciklusát lehet beállítani (5. ábra). Ez csökkenti a tirisztorhoz szükséges dinamikatartományt, lehetővé téve a folyamat optimalizálását.

5. ábra: Az egyenirányítás utáni multivibrátora csökkenti az áram hullámforma-torzulásait, és javítja a teljesítménytényezőt (ábra: Infineon Technologies)

Az egyenirányító utáni, szigetelt kapus bipoláris tranzisztorokkal (IGBT, insulated gate bipolar transistor) kialakított multivibrátor szükségtelenné teszi a terhelésfüggő megcsapolásváltó transzformátor használatát, csökkenti az áram hullámforma-torzulásait, és javítja a teljesítménytényezőt.

Az Infineon Technologies FD450R12KE4PHOSA1 jelű eszköze egy ilyen készülékekbe szánt IGBT-s multivibrátor-modul. Az eszköz névleges értékei: 1200 V legnagyobb feszültség és 450 A legnagyobb kollektoráram, és 62 mm-es, szabványos C sorozatú modul formájában kapható.

A fejlettebb egyenirányító áramkörök közé tartoznak az IGBT-alapú aktív egyenirányítók. Az aktív egyenirányítókban a diódákat vagy a tirisztorokat IGBT-k helyettesítik, amelyeket egy kapuvezérlő nyit ki és zár le a megfelelő időpontokban (6. ábra).

6. ábra: Az aktív egyenirányítók egyenirányító áramkörében a diódákat vagy a tirisztorokat IGBT-k helyettesítik, amelyeket egy kapuvezérlő vezérel (ábra: Infineon Technologies)

A hagyományos egyenirányítókkal ellentétben, amelyek nem szinuszos hálózati áramot állítanak elő, az aktív egyenirányítókban egy az IGBT-kkel sorba kapcsolt tekercs található, amely megtartja a hálózati áram szinuszos hullámformáját, és csökkenti a felharmonikusokat. Az IGBT impedanciája nyitott (azaz vezető) állapotban nagyon kicsi, ami a hagyományos egyenirányítókhoz képest csökkenti a vezetési veszteségeket, és javítja a hatásfokot. Az aktív egyenirányító vezérlőegysége fenntartja az egységnyi teljesítménytényezőt, így nincs szükség külső teljesítménytényező-javító (PFC, power factor corrector) eszközökre. Az aktív egyenirányítók nagyobb kapcsolási frekvencián is működnek, emiatt kisebb méretű passzív alkatrészeket és szűrőket lehet hozzájuk használni.

Az FF1700XTR17IE5DBPSA1 jelű egyenirányító IGBT-párokat használ félhíd kapcsolásban, PrimePACK 3+ modulrendszerű tokozásban. A névleges értékei: 1700 V legnagyobb feszültség és 1700 A legnagyobb kollektoráram. A 6. ábrán látható áramkörhöz három ilyen modulra van szükség.

Egy IGBT-kapuvezérlő, mint például az 1ED3124MU12HXUMA1 jelű eszköz, egyetlen IGBT-párt nyit és zár. A kapuvezérlő galvanikusan le van választva, ehhez egy mag nélküli transzformátort használ. A 600 V és 2300 V közötti feszültségű IGBT-kkel kompatibilis, és jellemzően 14 A a kimenő áramerőssége külön forrás- és nyelőlábakon. A bemeneti logikai lábak széles, 3 V és 15 V közötti bemenőfeszültség-tartományban használhatóak, a 3,3 V-os mikrovezérlők támogatása érdekében CMOS-küszöbszinteket használva.

Áramátalakítás egyenáramú áramforrások esetén

Ha egyenáramú energiaforrásokat, például napenergiás és akkumulátoralapú hibrid rendszereket használunk a hidrogén kiválasztásához, egyenáram-átalakítókra van szükség. Amint azt korábban említettük, ezek az áramátalakítók javíthatják a diódás és tirisztoros egyenirányítók teljesítményét. Emellett lehetővé teszik a helyi egyenáramú hálózatok optimalizálását is az üzem rugalmassága érdekében.

Az ellenütemű feszültségcsökkentő egyenáram-átalakító párhuzamosan kötött félhidas multivibrátormodulokat használ ahhoz, hogy a bemenő egyenfeszültségszintet a kimenő egyenfeszültségszintre változtassa (7. ábra).

7. ábra: Az ellenütemű feszültségcsökkentő egyenáram-átalakító lecsökkenti a bemenő V_DC1 egyenfeszültségszintet a kimenő V_DC2 egyenfeszültségszintre (ábra: Infineon Technologies)

Megfelelő ellenütemű vezérléssel ez az egyenáram-átalakító áramkör anélkül képes jelentősen csökkenteni az egyenáram búgóáramát, hogy növelné az induktivitások méretét vagy a kapcsolási frekvenciát. A készülék minden egyes fokozata egy-egy megfelelő modullal valósítható meg. Az FF800R12KE7HPSA1 egy 62 mm-es félhidas IGBT modul, amely alkalmas a feszültségcsökkentő egyenáram-átalakítóhoz. A névleges legnagyobb feszültsége 1200 V, a legnagyobb kollektorárama pedig 800 A.

A két aktív hidas (DAB, dual active bridge) áramátalakító a feszültségcsökkentő egyenáram-átalakítók egyik alternatívája (8. ábra).

8. ábra: A két aktív hidas áramátalakító feszültségcsökkentést végez, és galvanikus leválasztást valósít meg a bemenet és a kimenet között (ábra: Infineon Technologies)

A két aktív hidas áramátalakító a galvanikus leválasztás érdekében egy nagyfrekvenciás transzformátort használ a bemeneti és kimeneti teljeshíd-áramkörök összekapcsolására. Az ilyen leválasztás gyakran segít minimálisra csökkenteni az elektrolizálócella tartályának és elektródáinak korrózióját. A teljesen azonos felépítésű teljeshíd-áramköröket komplementer négyszöghullámokkal hajtják meg. Az áramfolyás irányát a primer és a szekunder oldal közötti meghajtójelek fázisa határozza. Ezenkívül a két aktív hidas áramátalakító az IGBT-k nullfeszültségű kapcsolásával minimálisra csökkenti a kapcsolási veszteségeket. Az áramkör megvalósítható félhídkapcsolású IGBT-s vagy szilícium-karbid (SiC) MOSFET modulokkal.

Összegzés

A tiszta energiaforrások iránti világszintű kereslet folyamatos növekedésével a megújuló energiaforrásokon alapuló zöldhidrogén-kiválasztás egyre nagyobb jelentőségre tesz szert. Az ilyen források jó hatásfokú, megbízható és rendkívül stabil egyenáramot igényelnek. A tervezők az Infineon Technologies kiterjedt nagyfeszültségű és nagyáramú félvezető termékválasztékából válogathatnak megfelelő áramátalakító alkatrészeket.