Vihreässä vedyntuotannossa tarvittavan tehokkaan ja stabiilin DC-virran varmistaminen

Siirtymällä kohti vihreää vedyntuotantoa pyritään laskemaan kasvihuonekaasupäästöjä. Veden elektrolyysiä varten uusiutuvista energialähteistä (kuten vesi-, tuuli- tai aurinkovoima) saatu paikallisesti tuotettu tai sähköverkon kautta siirretty energia täytyy muuntaa tehokkaasti tasavirraksi (Direct Current, DC). Järjestelmäsuunnittelijoiden haasteena on saavuttaa korkea ja stabiili DC-virransyöttö alhaisilla harmonisilla häiriöillä, korkealla virtatiheydellä ja hyvällä tehokertoimella (Power Factor, PF).

Tässä artikkelissa käsitellään vihreän vedyntuotannon periaatteita. Sitten siinä esitellään Infineon Technologies -yrityksen tehokomponentteja sekä niiden käyttöä ympäristöystävällisistä lähteistä saadun energian muuntamiseksi vakaiksi sähkövirtasyötöiksi, joiden ominaisuudet sopivat vihreään vedyntuotantoon.

Vedyntuotanto käyttäen veden elektrolyysiä

Vetyä voidaan erottaa vedestä elektrolyysiprosessilla. Tämän prosessin sivutuotteena syntyy happea. Elektrolyysiprosessi vaatii tasaista ja korkeaa DC-virtaa. Tämä prosessi tapahtuu sähkökemiallisten reaktioiden myötä elektrolyysikennossa tai elektrolysaattorissa, jossa on tyypillisesti anodi (positiivinen elektrodi) ja katodi (negatiivinen elektrodi). Elektrodit ympäröidään nestemäisellä tai kiinteällä elektrolyytillä, joka johtaa ioneja niiden välillä. Käytetystä prosessista riippuen voidaan tarvita katalyytti reaktionopeuden lisäämiseksi. Kenno käyttää vakaata korkeatehoista DC-virtalähdettä (kuva 1).

Kuva 1: Yksinkertainen elektrolyysikenno erottaa vedestä vetyä ja happea. (Kuvan lähde: Art Pini)

Kennossa on myös erotin (ei näytetä kaaviossa), joka estää elektrodeista saatua vetyä ja happea sekoittumasta.

Tämä prosessi vaatii korkean DC-tehon. Ihanteellisissa olosuhteissa, joissa energiaa ei häviä, tarvitaan vähintään 32,9 kilowattituntia (kWh) sähköenergiaa elektrolysoimaan tarpeeksi vettä yhden vetykilogramman tuottamiseksi. Tämä vaihtelee käytettävän elektrolyysiprosessin tehokkuuden mukaan.

Nykyään käytetään kolmea erilaista prosessia: alkalielektrolyysiä (AEL), polymeerielektrolyyttikalvoa (PEM) ja kiinteäoksidielektrolyysiä (SOEC).

Kaikista vakiintuneimpia elektrolysaattoreita ovat AEL-laitteet, joissa käytetään metallielektrodien välillä emäksistä liuosta, kuten kaliumhydroksidia. Ne eivät ole yhtä energiatehokkaita kuin muut elektrolysaattorit.

PEM-elektrolysaattorit käyttävät kiinteää polymeerielektrolyyttiä, jota on tehostettu jalometallikatalyytillä. Niiden hyötyihin kuuluvat korkeampi energiatehokkuus, nopeampi vasteaika ja kompakti rakenne.

Kiinteäoksidielektrolyysikennot (SOEC) käyttävät elektrolyyttinä kiinteää keraamista materiaalia. Ne voivat olla erittäin tehokkaita, mutta ne vaativat korkean käyttölämpötilan. Vasteajaltaan ne ovat hitaampia kuin PEM-elektrolysaattorit.

Kuvassa 2 esitetään vertailu näiden kolmen tekniikan ominaisuuksista.

Kuva 2: AEL-, PEM- ja SOEC-prosessien vertailussa korostuu uudempien elektrolysaattoreiden parempi tehokkuus. (Kuvan lähde: Infineon Technologies)

Vihreä vedyntuotanto on tällä hetkellä kalliimpaa kuin fossiilisilla polttoaineilla tuotettava vety. Tilannetta voidaan muuttaa parantamalla erillisten komponenttien, kuten elektrolysaattoreiden ja virransyöttöjärjestelmien, energiatehokkuutta sekä kasvattamalla muuntolaitosten kokoa.

Virransyöttöjärjestelmien konfigurointi sähköverkkoja ja vihreitä energianlähteitä varten

Useimmat vedyntuotantolaitokset käyttävät tällä hetkellä sähköverkosta saatavaa energiaa. Elektrolysaattorin virtalähde on AC–DC-tasasuuntaaja, joka saa virtansa linjamuuntajasta. Sähköverkosta tehonsa saavien elektrolyysilaitosten pitää täyttää kaikki sähköverkon standardit ja säännöt, kuten tehokertoimen tulee olla yksi ja harmonisten häiriöiden on pysyttävä alhaisina. Kun vedyn erotusprosessiin lisätään vihreitä energianlähteitä, tarvitaan erilaiset virransyöttöjärjestelmät (kuva 3).

Kuva 3: Elektrolyysilaitosten pitää muuntaa energialähteestä saatava teho DC-virraksi elektrolyysikennoja varten. (Kuvan lähde: Infineon Technologies)

Kuten sähköverkkokin, tuulienergialähteet tuottavat AC-virtaa, joten elektrolyysikennojen käyttäminen niiden kanssa vaatii tasasuuntaajan AC-virran muuntamiseksi DC-virraksi. Aurinkoenergia ja akkuihin perustuvat hybridilähteet käyttävät DC/DC-muuntimia elektrolyysikennoihin syötettävän DC-virran säätöön. Elektrolyysikenno voi myös käyttää paikallista DC/DC-muunninta energialähteestä riippumatta. Elektrolyysikenno toimii vakioarvoisena DC-kuormana. Elektrolyysikennon ikääntyessä se vaatii ajan myötä korkeamman syöttöjännitteen, joten tehonmuuntojärjestelmän (Power Conversion System, PCS) täytyisi tukea tällaista prosessia. Sekä AC- että DC-lähteeseen kytketyillä PCS-järjestelmillä on tiettyjä yhteisiä teknisiä tietoja.

Niiden lähtöjännitteen on oltava 400 V_DC – 1500 V_DC). Alkalikennojen enimmäisjännite on noin 800 V. PEM-kennoilla ei ole vastaavia rajoituksia ja ne ovat jännitealueen yläpäässä häviöiden ja kustannusten vähentämiseksi. Niiden lähtöteho voi olla 20 kilowatista (kW) 30 megawattiin (MW). PCS-järjestelmän virran aaltoilun on oltava alle 5 %. Tämän vaikutusta kennon käyttöikään ja tehokkuuteen tutkitaan edelleen. Erityisesti korkeammilla kuormituksilla, kun energialähteenä käytetään sähköverkkoa, PCS-tasasuuntaajien täytyy noudattaa sähköyritysten korkeita kuormia ja PF-arvoa koskevia vaatimuksia.

Tehomuunnos, kun energialähteenä on AC

Kun energialähteenä on AC, vetylaitokset tarvitsevat tasasuuntaajia, jotka voivat syöttää virtaa suoraan elektrolyysikennoon tai DC-verkkoon, johon on kytketty useita kennoja.

Usean pulssin tasasuuntaaja on yleinen valinta (kuva 4). Tyristoripohjaisessa tasasuuntaajaratkaisussa yhdistyvät korkea tehokkuus ja luotettavuus, tuki korkeille virtatiheyksille sekä edulliset puolijohteet.

Kuva 4: Usean pulssin tyristoripohjaisessa tasasuuntaajassa yhdistyvät korkea tehokkuus ja luotettavuus, tuki korkeille virtatiheyksille sekä edulliset puolijohteet. Kuvassa esitetään 12-pulssinen toteutus. (Kuvan lähde: Infineon Technologies)

Usean pulssin tyristoripohjaiset muuntimet ovat vakiintunutta ja hyvin tunnettua teknologiaa. Kuvassa 4 esitetty 12-pulssinen tasasuuntaaja koostuu tähti–kolmio–tähti-rakennetta käyttävästä taajuusmuuntajasta, jossa on kaksi matalan jännitteen toisiokäämiä. Toisiokäämit ohjaavat kahta 6-pulssista tyristoritasasuuntaajaa, joiden lähdöt on kytketty rinnakkain. Jos tällä tasasuuntaajalla ohjataan elektrolysaattoria suoraan, tyristorin syttymiskulma ohjaa elektrolysaattorin syöttöjännitettä ja virtaa. Syttymiskulman avulla voidaan myös ylläpitää järjestelmän virtaa elektrolysaattorin ikääntyessä, jolloin kennoston tarvitsema jännite kasvaa. Muuntajassa voi olla myös käämikytkin (On-Load Tap Changer, OLTC). OLTC muokkaa muuntosuhdetta mahdollistamalla vaihdon yhden käämin väliotosta toiseen, jolloin tasasuuntaajalle syötettävä jännite nousee tai laskee.

Infineon Technologies tarjoaa laajan valikoiman puolijohdekomponentteja PCS-suunnittelijoille. Tyristoritasasuuntaajia käytetään yleisesti näissä AC-energialähteeseen perustuvissa sovelluksissa. Esimerkiksi T3800N18TOFVTXPSA1 on runkokiinnitettävää levymallista TO-200AE-koteloa käyttävä erillinen tyristori, jonka teholuokitus on johtotilassa 1800 V ja 5970 ampeeria (A_rms). Levymallisen kotelon kaksipuolinen jäähdytysrakenne mahdollistaa korkeamman tehotiheyden.

Tasasuuntaajan perusrakennetta voidaan parantaa lisäämällä jännitteenalennusmuuntimet tasasuuntauksen jälkeisiksi hakkureiksi tasasuuntaajan lähtöön. Hakkurivaiheen lisääminen tehostaa prosessin ohjausta, sillä se mahdollistaa hakkurin käyttöjakson säätämisen tyristorin syttymiskulman sijaan (kuva 5). Tämä pienentää tyristorilta vaadittavaa dynaamista aluetta, mikä mahdollistaa prosessin optimoinnin.

Kuva 5: Tasasuuntauksen jälkeinen hakkuri vähentää virtavääristymiä ja parantaa tehokerrointa. (Kuvan lähde: Infineon Technologies)

Kun tasasuuntauksen perään lisätään eristebipolaaritransistoreita (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) käyttävä hakkuri, OLTC-muuntajaa ei tarvita, virtavääristymät vähenevät ja tehokerroin paranee.

Infineon Technologies FD450R12KE4PHOSA1 on tällaiseen käyttöön tarkoitettu IGBT-hakkurimoduuli. Sen jänniteluokitus on 1200 V ja kollektorivirtaluokitus 450 A. Se käyttää vakiomallista C-sarjan moduulia (62 mm).

Edistyneemmissä tasasuuntaajapiireissä on IGBT-pohjaiset aktiiviset tasasuuntaajat. Aktiivisissa tasasuuntaajissa diodit tai tyristorit on korvattu IGBT-transistoreilla, joita ohjain kytkee päälle ja pois oikeaan aikaan hilaohjaimen kautta (kuva 6).

Kuva 6: Aktiivisessa tasasuuntaajassa tasasuuntaajapiirin diodit tai tyristorit on korvattu IGBT-transistoreilla, joiden kytkentä toteutetaan hilaohjaimella. (Kuvan lähde: Infineon Technologies)

Toisin kuin perinteinen tasasuuntaaja, joka tuottaa ei-sinimuotoisia linjavirtoja, aktiivinen tasasuuntaaja sisältää IGBT-transistoreiden kanssa sarjaan kytketyn induktorin, joka pitää linjavirran sinimuotoisena ja vähentää harmonisia yliaaltoja. IGBT-transistorin impedanssi on johtamisen aikana hyvin alhainen, mikä vähentää johtumishäviöitä ja parantaa tehokkuutta tavalliseen tasasuuntaajaan verrattuna. Aktiivinen tasasuuntaajaohjain pitää tehokerroinarvon yhdessä, joten ulkoisia tehokertoimen korjauslaitteita (Power Factor Correction, PFC) ei tarvita. Se myös toimii korkeammilla kytkentätaajuuksilla, mikä mahdollistaa pienemmät passiiviset komponentit ja suodattimet.

FF1700XTR17IE5DBPSA1 sisältää kaksi IGBT-transistoria puolisiltakonfiguraatiossa ja käyttää modulaarista PrimePACK 3+ -koteloa. Sen jänniteluokitus on 1700 V ja kollektorivirtaluokitus 1700 A. Kuvassa 6 näytetyssä piirissä käytettäisiin kolmea tällaista moduulia.

IGBT-hilaohjain, kuten 1ED3124MU12HXUMA1, kytkee yksittäisen IGBT-parin päälle ja pois. Hilaohjain on galvaanisesti eristetty ytimettömällä muuntajateknologialla. Se on yhteensopiva jänniteluokitukseltaan 600 – 2300 V:n IGBT-transistoreiden kanssa, ja sen tyypillinen lähtövirta on 14 A erillisillä lähde- ja nielunastoilla. Tulologiikan nastat toimivat laajalla 3–15 V:n tulojännitealueella. CMOS-raja-arvot mahdollistavat 3,3 V:n mikrokontrollereiden käytön.

Tehomuunnos, kun energialähteenä on DC

Kun vedyn erottamiseen käytetään DC-energialähteitä, kuten aurinkosähköä tai akkupohjaisia hybridijärjestelmiä, se vaatii DC/DC-muuntimia. Kuten aiemmin todettiin, nämä muuntimet voivat parantaa diodi-/tyristoritasasuuntaajien suorituskykyä. Ne myös mahdollistavat paikallisten DC-verkkojen optimoinnin laitoksen monipuolista käyttöä varten.

Lomitettu jännitteenalennusmuunnin käyttää rinnakkaisia puolisiltahakkurimoduuleita DC-tason muuttamiseksi tulon ja lähdön välillä (kuva 7).

Kuva 7: Lomitettu jännitteenalennusmuunnin laskee DC-syöttöjännitteen V_DC1 lähtöjännitteeksi V_DC2. (Kuvan lähde: Infineon Technologies)

Sopivalla lomituksen ohjauksella tämä DC/DC-muunnintopologia vähentää DC-aaltoilua merkittävästi kasvattamatta induktorin kokoa tai kytkentäjännitettä. Toteutuksen kukin vaihe voidaan toteuttaa sopivalla moduulilla. FF800R12KE7HPSA1 on 62 mm:n IGBT-puolisiltamoduuli, joka sopii jännitteenalennustopologiaa käyttävään DC/DC-muuntimeen. Sen jänniteluokitus on 1200 V ja kollektorivirtaluokitus 800 A.

Kahden aktiivisen sillan (Dual Active Bridge, DAB) muuntaja on vaihtoehto jännitteenalennusmuuntimelle (kuva 8).

Kuva 8: DAB-muunnin suorittaa jännitteenalennuksen ja tarjoaa galvaanisen erotuksen tulon ja lähdön välille. (Kuvan lähde: Infineon Technologies)

DAB-muuntaja käyttää korkean taajuuden muuntajaa tulon ja lähdön kokosiltapiirien kytkemiseksi ja galvaanisen erotuksen luomiseksi. Tällainen erotus auttaa usein minimoimaan elektrolyysikennon elektrodien ja säiliön korroosiota. Identtisiä kokosiltapiirejä ohjataan komplementaarisilla kanttiaalloilla. Ohjaussignaalien vaiheistus ensiö- ja toisiopuolen välillä määrittää virran kulkusuunnan. Lisäksi DAB-muuntaja minimoi kytkentähäviöt käyttämällä IGBT-transistoreiden nollajännitekytkentää. Piirin voi valmistaa käyttämällä IGBT-puolisiltatransistoria tai piikarbidista (SiC) valmistettuja MOSFET-moduuleita.

Yhteenveto

Puhtaiden energianlähteiden maailmanlaajuinen kysyntä kasvaa, minkä myötä vihreät vedyn erottelutavat uusiutuvalla energialla muuttuvat tärkeämmiksi. Nämä lähteet tarvitsevat tehokasta, luotettavaa ja erittäin vakaata DC-virtaa. Suunnittelijat voivat käyttää Infineon Technologies -yrityksen laajaa korkean jännitteen ja virran puolijohdevalikoimaa tarvittavien tehomuunnosten toteuttamiseksi.