Effizienter und stabiler Gleichstrom zur Erzeugung von grünem Wasserstoff

Die Umstellung auf grünen Wasserstoff verspricht eine Reduzierung der Treibhausgase. Energie aus erneuerbaren Quellen wie Wasser-, Wind- und Solarenergie, ob lokal erzeugt oder über das Stromnetz übertragen, muss effizient in Gleichstrom umgewandelt werden, um Wasser zu elektrolysieren. Bei der Systementwicklung ist es eine Herausforderung, hohe und stabile Gleichstrompegel mit geringer harmonischer Verzerrung, hoher Stromdichte und guten Leistungsfaktoren (PFs) bereitzustellen.

In diesem Artikel wird das Prinzip des grünen Wasserstoffs erläutert. Anschließend werden Leistungskomponenten von Infineon Technologies vorgestellt und gezeigt, wie sie eingesetzt werden können, um den Input aus umweltfreundlichen Energiequellen in stabile elektrische Leistung mit den für die Erzeugung von grünem Wasserstoff erforderlichen Eigenschaften umzuwandeln.

Wasserstofferzeugung durch die Elektrolyse von Wasser

Wasserstoff kann durch das Verfahren der Elektrolyse von Wasser getrennt werden. Das Nebenprodukt dieses Prozesses ist Sauerstoff. Der Elektrolyseprozess erfordert die Anwendung einer gleichmäßigen, hohen Gleichspannung. Dieser Prozess findet in einer Elektrolysezelle statt, die in der Regel eine Anode (positive Elektrode) und eine Kathode (negative Elektrode) enthält, an denen die elektrochemischen Reaktionen stattfinden. Ein flüssiger oder fester Elektrolyt umschließt die Elektroden und leitet die Ionen zwischen ihnen. Je nach Verfahren kann ein Katalysator erforderlich sein, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen. Die Zelle wird von einer konstanten Gleichstromquelle mit hoher Leistung versorgt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Eine einfache Elektrolysezelle trennt die Elemente Wasserstoff und Sauerstoff aus dem Wasser. (Bildquelle: Art Pini)

Die Zelle enthält zudem einen Separator (in diesem Diagramm nicht dargestellt), der verhindert, dass sich der an den Elektroden erzeugte Wasserstoff und Sauerstoff vermischen.

Der Prozess erfordert eine hohe Gleichspannung. Unter idealen Bedingungen und ohne Energieverlust werden mindestens 32,9 Kilowattstunden (kWh) elektrische Energie benötigt, um genügend Wassermoleküle zu elektrolysieren, um 1 Kilogramm (kg) Wasserstoff zu erzeugen. Dies hängt von der Effizienz des verwendeten Elektrolyseverfahrens ab.

Derzeit sind drei verschiedene Verfahren im Einsatz: die alkalische Elektrolyse (AEL), die Protonenaustauschmembran (PEM) und die Festoxidelektrolyse.

Die am weitesten verbreitete Methode verwendet AEL-Elektrolyszellen, die eine alkalische Lösung wie Kaliumhydroxid zwischen den Metallelektroden verwenden. Sie sind allerdings weniger effizient als die anderen Arten von Elektrolyszellen.

PEM-Elektrolyszellen verwenden einen festen Polymerelektrolyten, der mit Edelmetallkatalysatoren angereichert ist. Sie zeichnen sich durch einen höheren Wirkungsgrad, schnellere Reaktionszeiten und eine kompakte Bauweise aus.

Festoxid-Elektrolysezellen (SOECs) verwenden ein festes keramisches Material als Elektrolyt. Sie können sehr effizient sein, erfordern aber hohe Betriebstemperaturen. Ihre Reaktionszeiten sind langsamer als die der PEM-Elektrolysezellen.

Ein Vergleich der Merkmale der drei Techniken ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Ein Vergleich der Eigenschaften der AEL-, PEM- und SOEC-Verfahren verdeutlicht die verbesserten Wirkungsgrade der neueren Elektrolysezellen. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Die Erzeugung von grünem Wasserstoff ist derzeit teurer als die von Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen. Dies kann jedoch durch die Verbesserung der Effizienz der einzelnen Komponenten, einschließlich der Elektrolysezellen und Stromversorgungssysteme, und durch die Vergrößerung der Umwandlungsanlagen geändert werden.

Energiesystemkonfigurationen für Netz- und Ökostromquellen

Gegenwärtig werden die meisten Anlagen zur Erzeugung von Wasserstoff außerhalb des Stromnetzes betrieben. Die Stromquelle für eine Elektrolysezelle ist ein Wechselstrom-Gleichrichter, der von einem Netztransformator gespeist wird. Elektrolyseanlagen, die aus dem Netz gespeist werden, müssen alle Netznormen und -vorschriften erfüllen, wie z. B. die Erzielung eines Einheits-PF und die Beibehaltung einer geringen harmonischen Verzerrung. Durch die Einbeziehung grüner Energiequellen in den Wasserstofftrennungsprozess werden unterschiedliche Energiesysteme benötigt (Abbildung 3).

Abbildung 3: Elektrolyseanlagen müssen den Strom aus der Quelle in Gleichstrom für die Elektrolysezellen umwandeln. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Wie das Stromnetz sind auch windbasierte Stromquellen Wechselstromquellen, und für die Stromversorgung von Elektrolysezellen ist ein Gleichrichter erforderlich, der den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Solarenergie und hybride Energiequellen, die Batterien verwenden, sind auf DC/DC-Wandler angewiesen, um die Gleichstrompegel zu steuern, die die Elektrolysezellen antreiben. Die Elektrolysezelle kann unabhängig von der Stromquelle auch einen lokalen DC/DC-Wandler verwenden. Die Elektrolysezelle stellt eine konstante Gleichstromlast dar. Aufgrund von Alterungserwägungen innerhalb der Elektrolysezelle muss die angelegte Spannung während der Lebensdauer der Zelle ansteigen, so dass das Energieumwandlungssystem (PCS) in der Lage sein sollte, diesen Prozess zu unterstützen. PCS haben unabhängig davon, ob sie an eine Wechsel- oder eine Gleichstromquelle angeschlossen sind, einige gemeinsame Spezifikationen.

Ihre Ausgangsspannung sollte im Bereich von 400 V_DC bis 1500 V_DC liegen). Alkalische Zellen haben einen maximalen Spannungsbereich von etwa 800 V. PEM-Zellen sind nicht so eingeschränkt und bewegen sich auf das obere Ende des Spannungsbereichs zu, um die Verluste zu verringern und die Kosten zu senken. Die Ausgangsleistung kann zwischen 20 Kilowatt (kW) und 30 Megawatt (MW) betragen. Die Stromwelligkeit des PCS sollte weniger als 5 % betragen, eine Spezifikation, deren Auswirkungen auf die Lebensdauer und Effizienz der Zelle noch untersucht werden. PCS-Gleichrichter für Stromnetzquellen, insbesondere für höhere Lasten, müssen die Anforderungen der Energieversorgungsunternehmen an große Lasten und einen hohen Wirkungsgrad erfüllen.

Energieumwandlung für AC-Quellen

Wasserstoffanlagen, die mit Wechselstrom betrieben werden, benötigen einen Gleichrichter, der eine Elektrolysezelle direkt oder ein an mehrere Zellen angeschlossenes Gleichstromnetz ansteuern kann.

Ein Mehrpulsgleichrichter ist eine gängige Wahl (Abbildung 4). Dieser Gleichrichter auf Thyristorbasis hat einen hohen Wirkungsgrad, ist zuverlässig, unterstützt hohe Stromdichten und verwendet kostengünstige Halbleiter.

Abbildung 4: Ein auf Thyristoren basierender Mehrpulsgleichrichter hat einen hohen Wirkungsgrad, ist zuverlässig, unterstützt hohe Stromdichten und verwendet kostengünstige Halbleiter. Abgebildet ist eine 12-Puls-Implementierung. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Mehrpulsige Thyristorwandler sind eine etablierte und bekannte Technologie. Der in Abbildung 4 dargestellte 12-Puls-Thyristor-Gleichrichter besteht aus einem Stern-Dreieck-Stern-Netzfrequenztransformator mit zwei Niederspannungs-Sekundärwicklungen. Die Sekundärwicklungen treiben zwei 6-Puls-Thyristor-Gleichrichter, deren Ausgänge parallel geschaltet sind. Wenn dieser Gleichrichter eine Elektrolysezelle direkt ansteuert, steuert der Zündwinkel des Thyristors die Ausgangsspannung und den in ihn fließenden Strom. Der Zündwinkel kann auch verwendet werden, um den Strom im System aufrechtzuerhalten, wenn die Elektrolysezelle altert und die für den Zellstapel erforderliche Spannung steigt. Der Transformator kann auch einen Laststufenschalter (OLTC) enthalten. Der OLTC ändert das Übersetzungsverhältnis des Transformators, indem er zwischen mehreren Zugangspunkten oder Anzapfungen an einer der Wicklungen umschaltet, um die an den Gleichrichter gelieferte Spannung zu erhöhen oder zu senken.

Infineon Technologies bietet für die PCS-Entwicklung eine breite Palette von Halbleiterbauelementen an. Thyristor-Gleichrichter werden üblicherweise für diese AC-Quellenanwendungen verwendet. Der T3800N18TOFVTXPSA1 zum Beispiel ist ein diskreter Thyristor in einem TO-200AE-Scheibengehäuse, der für 1800 V bei 5970 Ampere Effektivstrom (A_eff) im eingeschalteten Zustand ausgelegt ist. Das scheibenförmige Gehäuse bietet eine erhöhte Leistungsdichte aufgrund seines doppelseitigen Kühlungsdesigns.

Der Grundaufbau des Gleichrichters kann durch Hinzufügen von Abwärtswandlern als Nachgleichrichter am Ausgang des Gleichrichters verbessert werden. Durch Hinzufügen der Chopper-Stufe wird die Steuerung des Prozesses verbessert, indem das Tastverhältnis des Choppers und nicht der Zündwinkel des Thyristors eingestellt wird (Abbildung 5). Dadurch wird der für den Thyristor erforderliche Dynamikbereich verringert, was eine Optimierung des Prozesses ermöglicht.

Abbildung 5: Ein Nachentzerrungs-Chopper reduziert Stromverzerrungen und verbessert den PF. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Durch den Einsatz des Nachgleichrichter-Choppers unter Verwendung von Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) wird der OLTC-Transformator überflüssig, die Stromverzerrungen werden reduziert und der PF verbessert.

Das FD450R12KE4PHOSA1 von Infineon Technologies ist ein IGBT-Chopper-Modul für diese Anwendungen. Er ist für eine maximale Spannung von 1200 V und einen maximalen Kollektorstrom von 450 A ausgelegt und wird in einem 62 Millimeter (mm) großen Standardmodul der C-Serie geliefert.

Zu den moderneren Gleichrichterschaltungen gehören aktive Gleichrichter auf IGBT-Basis. Aktive Gleichrichter ersetzen Dioden oder Thyristoren durch IGBTs, die ein Controller über einen Gate-Treiber zu geeigneten Zeiten ein- und ausschaltet (Abbildung 6).

Abbildung 6: Ein aktiver Gleichrichter ersetzt die Dioden oder Thyristoren in der Gleichrichterschaltung durch IGBTs, die von einem Gate-Treibercontroller geschaltet werden. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Gleichrichter, der nicht sinusförmige Netzströme erzeugt, ist bei einem aktiven Gleichrichter eine Drossel in Reihe mit den IGBTs geschaltet, die den Netzstrom sinusförmig hält und Oberschwingungen reduziert. Die Impedanz des IGBT ist im leitenden Zustand sehr niedrig, was die Leitungsverluste verringert und den Wirkungsgrad im Vergleich zu einem Standardgleichrichter verbessert. Ein aktiver Gleichrichter-Controller sorgt für einen einheitlichen PF, so dass externe Komponenten zur Leistungsfaktorkorrektur (PFC) überflüssig sind. Außerdem arbeitet er mit höheren Schaltfrequenzen, was zu kleineren passiven Komponenten und Filtern führt.

Der FF1700XTR17IE5DBPSA1 kombiniert zwei IGBTs in einer Halbbrücken-Konfiguration in einem modularen PrimePACK-3+-Gehäuse. Er ist für eine Spannung von 1700 V und einen maximalen Kollektorstrom von 1700 A ausgelegt. Die in Abbildung 6 dargestellte Schaltung würde drei solcher Module verwenden.

Ein IGBT-Gate-Treiber wie der 1ED3124MU12HXUMA1 schaltet ein einzelnes IGBT-Paar ein und aus. Der Gate-Treiber ist durch die kernlose Transformatortechnologie galvanisch isoliert. Er ist mit IGBTs mit Spannungswerten von 600 bis 2300 V kompatibel und hat einen typischen Ausgangsstrom von 14 A an separaten Source- und Sink-Pins. Die Eingangslogikpins arbeiten mit einem weiten Eingangsspannungsbereich von 3 bis 15 V unter Verwendung von CMOS-Schwellenwerten zur Unterstützung von 3,3-V-Mikrocontrollern.

Energieumwandlung für DC-Quellen

Die Abtrennung von Wasserstoff mit Hilfe von Gleichstromquellen wie Photovoltaik und batteriegestützten Hybridsystemen erfordert DC/DC-Wandler. Wie bereits erwähnt, können diese Wandler die Performance von Dioden/Thyristor-Gleichrichtern verbessern. Sie ermöglichen auch die Optimierung lokaler Gleichstromnetze für die Flexibilität der Anlagen.

Der verschachtelte Abwärtswandler verwendet parallel geschaltete Halbbrücken-Chopper-Module, um den Gleichstrompegel vom Eingang zum Ausgang zu verändern (Abbildung 7).

Abbildung 7: Ein verschachtelter Abwärtswandler reduziert den Eingangsgleichstrompegel V_DC1 auf den Ausgangspegel V_DC2. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Mit der richtigen Interleave-Steuerung reduziert diese DC/DC-Wandlertopologie die DC-Welligkeit erheblich, ohne die Größe der Induktivitäten oder die Schaltfrequenz zu erhöhen. Jede Phase der Implementierung kann mit einem entsprechenden Modul realisiert werden. Das FF800R12KE7HPSA1 ist ein 62mm-Halbbrücken-IGBT-Modul, das sich für DC/DC-Wandler mit abwärtswandelnder Topologie eignet. Er ist für eine maximale Spannung von 1200 V ausgelegt und unterstützt einen maximalen Kollektorstrom von 800 A.

Der DAB-Wandler (Dual Active Bridge) ist eine Alternative zum Abwärtswandler (Abbildung 8).

Abbildung 8: Ein DAB-Wandler führt eine Abwärtswandlung der Spannung durch und sorgt für eine galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang. (Bildquelle: Infineon Technologies)

Der DAB-Wandler verwendet einen Hochfrequenztransformator zur Kopplung der Eingangs- und Ausgangs-Vollbrückenschaltungen, um eine galvanische Trennung zu gewährleisten. Eine solche Isolierung ist oft hilfreich, um die Korrosion des Tanks und der Elektroden der Elektrolysezelle zu minimieren. Identische Vollbrückenschaltungen werden mit komplementären Rechteckwellen angesteuert. Die Phasenlage der Ansteuersignale zwischen der Primärseite und der Sekundärseite bestimmt die Richtung des Leistungsflusses. Darüber hinaus minimiert der DAB-Wandler die Schaltverluste, indem er die IGBTs im Null-Volt-Modus schaltet. Die Schaltung kann mit Halbbrücken-IGBT- oder Siliziumkarbid (SiC)-MOSFET-Modulen aufgebaut werden.

Fazit

Da die weltweite Nachfrage nach sauberen Energiequellen weiter steigt, wird die Abscheidung von grünem Wasserstoff auf der Grundlage erneuerbarer Energiequellen an Bedeutung gewinnen. Solche Quellen erfordern eine effiziente, zuverlässige und hochstabile Gleichstromversorgung. Für die Entwicklung kann auf das breite Portfolio an Halbleitern für hohe Spannungen und Ströme von Infineon Technologies zurückgegriffen werden, um die erforderlichen Leistungswandlungskomponenten zu finden.