วิธีการรับรองกระแส DC ที่มีประสิทธิภาพและเสถียรสำหรับไฮโดรเจนสีเขียว

การเปลี่ยนไปใช้ไฮโดรเจนสีเขียวจะช่วยลดระดับก๊าซเรือนกระจก พลังงานจากแหล่งพลักงานหมุนเวียน เช่น ไฟฟ้าพลังน้ำ ลม และพลังงานแสงอาทิตย์ ไม่ว่าจะผลิตในท้องถิ่นหรือส่งผ่านโครงข่ายไฟฟ้า จะต้องถูกแปลงเป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC) อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อแยกองค์ประกอบของน้ำ สำหรับนักออกแบบระบบ การให้ไฟฟ้ากระแสตรงที่มีค่าสูงและเสถียรโดยมีความบิดเบือนฮาร์มอนิกต่ำ ความหนาแน่นกระแสสูง และตัวประกอบกำลังที่ดี (PF) ถือเป็นความท้าทาย

บทความนี้จะกล่าวถึงหลักการของไฮโดรเจนสีเขียว จากนั้นจะแนะนำส่วนประกอบด้านพลังงานจาก Infineon Technologies และแสดงให้เห็นว่าสามารถใช้เพื่อแปลงอินพุตจากแหล่งพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมให้เป็นพลังงานไฟฟ้าที่เสถียรโดยมีคุณสมบัติที่จำเป็นในการสร้างไฮโดรเจนสีเขียว

การสร้างไฮโดรเจนโดยการอิเล็กโทรไลซิสน้ำ

ไฮโดรเจนสามารถแยกออกจากน้ำได้โดยกระบวนการอิเล็กโทรไลซิส ผลิตภัณฑ์ร่วมของกระบวนการนี้คือออกซิเจน กระบวนการอิเล็กโทรลิซิสต้องใช้ ไฟฟ้ากระแสตรงในระดับสูงอย่างต่อเนื่อง กระบวนการนี้เกิดขึ้นในเซลล์อิเล็กโทรไลซิสหรืออิเล็กโทรไลเซอร์ที่โดยทั่วไปประกอบด้วยแอโนด (อิเล็กโทรดบวก) และแคโทด (อิเล็กโทรดลบ) ซึ่งเกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า โดยอิเล็กโทรไลต์ของเหลวหรือของแข็งจะห่อหุ้มอิเล็กโทรดและนำไอออนระหว่างอิเล็กโทรดเหล่านั้น อาจจำเป็นต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับกระบวนการที่ใช้ เซลล์ได้รับพลังงานจากแหล่งจ่ายไฟกระแสตรงหรือแหล่งจ่ายไฟระดับสูงที่เสถียร (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: เซลล์อิเล็กโทรลิซิสพื้นฐานแยกองค์ประกอบไฮโดรเจนและออกซิเจนของน้ำ (แหล่งที่มาภาพ: Art Pini)

เซลล์ยังมีตัวแยก (ไม่แสดงในแผนภาพนี้) เพื่อป้องกันไม่ให้ไฮโดรเจนและออกซิเจนที่ผลิตที่อิเล็กโทรดกลับมาผสมกัน

กระบวนการนี้ต้องใช้ไฟฟ้ากระแสตรงในระดับสูง ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมโดยไม่มีการสูญเสียพลังงาน จะต้องใช้พลังงานไฟฟ้าอย่างน้อย 32.9 กิโลวัตต์ชั่วโมง (kWh) เพื่ออิเล็กโทรไลต์โมเลกุลของน้ำให้เพียงพอเพื่อผลิตไฮโดรเจน 1 กิโลกรัม (กก.) ซึ่งจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสที่ใช้

ปัจจุบันมีการใช้กระบวนการที่แตกต่างกันสามกระบวนการ: อัลคาไลน์อิเล็กโทรไลซิส (AEL), เมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) และอิเล็กโทรไลซิสโซลิดออกไซด์

อิเล็กโทรไลเซอร์ที่ได้รับการยอมรับมากที่สุดคืออิเล็กโทรไลเซอร์ AEL ซึ่งใช้สารละลายอัลคาไลน์ เช่น โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ระหว่างอิเล็กโทรดโลหะ มีประสิทธิภาพน้อยกว่าอิเล็กโทรไลเซอร์ประเภทอื่น

อิเล็กโทรไลเซอร์ PEM ใช้อิเล็กโทรไลต์โพลีเมอร์ชนิดแข็งเสริมด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีค่า โดดเด่นด้วยประสิทธิภาพที่สูงกว่า เวลาตอบสนองที่เร็วขึ้น และการออกแบบที่กะทัดรัด

เซลล์อิเล็กโทรไลเซอร์โซลิดออกไซด์ (SOEC) ใช้วัสดุเซรามิกที่เป็นของแข็งเป็นอิเล็กโทรไลต์ อาจมีประสิทธิภาพสูง แต่ต้องใช้อุณหภูมิในการทำงานสูง เวลาตอบสนองช้ากว่าอิเล็กโทรไลเซอร์ PEM

การเปรียบเทียบคุณลักษณะของทั้งสามเทคนิคแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2: การเปรียบเทียบคุณลักษณะของกระบวนการ AEL, PEM และ SOEC เน้นย้ำถึงประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นของอิเล็กโทรไลเซอร์รุ่นใหม่ (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies)

ปัจจุบันการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวมีค่าใช้จ่ายในการผลิตมากกว่าไฮโดรเจนจากเชื้อเพลิงฟอสซิล ซึ่งสามารถย้อนกลับได้โดยการปรับปรุงประสิทธิภาพของส่วนประกอบที่แยกจากกัน รวมถึงอิเล็กโทรไลเซอร์และระบบไฟฟ้า และขยายขนาดโรงงานแปลง

รูปแบบระบบไฟฟ้าสำหรับแหล่งพลังงานกริดและพลังงานสีเขียว

ปัจจุบัน โรงงานผลิตไฮโดรเจนส่วนใหญ่ดำเนินงานนอกโครงข่ายไฟฟ้า แหล่งพลังงานสำหรับอิเล็กโทรไลเซอร์คือวงจรเรียงกระแส AC เป็น DC ที่ป้อนจากหม้อแปลง โรงงานอิเล็กโทรไลซิสที่ขับเคลื่อนจากกริดจะต้องเป็นไปตามมาตรฐานและรหัสของกริดทั้งหมด เช่น การบรรลุค่า PF ที่เป็นเอกภาพ และการรักษาความผิดเพี้ยนของฮาร์มอนิกต่ำ จำเป็นต้องมีระบบพลังงานที่แตกต่างกันเนื่องจากมีแหล่งพลังงานสีเขียวรวมอยู่ในกระบวนการแยกไฮโดรเจน (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: โรงงานอิเล็กโทรไลซิสจะต้องแปลงพลังงานจากแหล่งกำเนิดเป็นไฟฟ้ากระแสตรงสำหรับเซลล์อิเล็กโทรไลซิส (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies)

แหล่งพลังงานลมคือไฟฟ้ากระแสสลับเช่นเดียวกับโครงข่ายไฟฟ้า และการจ่ายไฟให้กับเซลล์อิเล็กโทรไลซิสจากแหล่งพลังงานเหล่านี้จำเป็นต้องใช้วงจรเรียงกระแสเพื่อแปลงไฟฟ้ากระแสสลับเป็นไฟฟ้ากระแสตรง พลังงานแสงอาทิตย์และแหล่งไฮบริดที่ใช้แบตเตอรี่อาศัยตัวแปลง DC/DC เพื่อควบคุมระดับ DC ที่ขับเคลื่อนเซลล์อิเล็กโทรไลซิส โดยเซลล์อิเล็กโทรไลซิสอาจใช้ตัวแปลง DC/DC ภายในเครื่องโดยไม่คำนึงถึงแหล่งพลังงาน เซลล์อิเล็กโทรลิซิสแสดงถึงโหลดกระแสตรงคงที่ เนื่องจากการพิจารณาอายุภายในเซลล์อิเล็กโทรไลเซอร์ แรงดันไฟฟ้าที่ใช้จึงจำเป็นต้องเพิ่มขึ้นตลอดอายุการใช้งานของเซลล์ ดังนั้นระบบแปลงกำลัง (PCS) ควรสามารถรองรับกระบวนการดังกล่าวได้ PCS ไม่ว่าจะเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ AC หรือ DC จะมีข้อกำหนดทั่วไปบางประการ

โดยแรงดันไฟขาออกควรอยู่ในช่วง 400 V_DC ถึง 1,500 V_DC ซึ่งเซลล์อัลคาไลน์มีช่วงแรงดันไฟฟ้าสูงสุดประมาณ 800 V เซลล์ PEM ไม่ได้มีข้อจำกัดมากนัก และกำลังเคลื่อนไปสู่จุดสูงสุดของช่วงแรงดันไฟฟ้าเพื่อลดการสูญเสียและลดต้นทุน ช่วงกำลังไฟฟ้าเอาท์พุตอาจอยู่ระหว่าง 20 กิโลวัตต์ (kW) ถึง 30 เมกะวัตต์ (MW) และกระแสกระเพื่อมจาก PCS ควรน้อยกว่า 5% ซึ่งเป็นข้อกำหนดที่ยังคงอยู่ในระหว่างการศึกษาเกี่ยวกับผลกระทบต่ออายุการใช้งานและประสิทธิภาพของเซลล์ โดยการออกแบบวงจรเรียงกระแส PCS สำหรับแหล่งโครงข่ายไฟฟ้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโหลดพลังงานที่สูงขึ้น จะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดโหลดขนาดใหญ่และข้อกำหนด PF ของบริษัทพลังงาน

การแปลงพลังงานสำหรับแหล่งจ่ายไฟ AC

โรงงานผลิตไฮโดรเจนที่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับจำเป็นต้องมีวงจรเรียงกระแสที่อาจขับเคลื่อนเซลล์อิเล็กโทรไลซิสโดยตรง หรือขับเคลื่อนกริดไฟฟ้ากระแสตรงที่ติดอยู่กับเซลล์หลายเซลล์

วงจรเรียงกระแสแบบหลายพัลส์เป็นตัวเลือกทั่วไป (รูปที่ 4) การออกแบบวงจรเรียงกระแสที่ใช้ไทริสเตอร์นี้มีประสิทธิภาพสูง เชื่อถือได้ รองรับความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสูง และใช้เซมิคอนดักเตอร์ราคาประหยัด

รูปที่ 4: วงจรเรียงกระแสแบบหลายพัลส์ที่ใช้ไทริสเตอร์มีประสิทธิภาพสูง เชื่อถือได้ รองรับความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสูง และใช้เซมิคอนดักเตอร์ราคาประหยัด แสดงให้เห็นการใช้งานแบบ 12 พัลส์ (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies)

คอนเวอร์เตอร์แบบไทริสเตอร์แบบหลายพัลส์เป็นเทคโนโลยีที่ได้รับการยอมรับและเป็นที่รู้จัก วงจรเรียงกระแสไทริสเตอร์แบบ 12 พัลส์ที่แสดงในรูปที่ 4 ประกอบด้วยหม้อแปลงความถี่กำลังแบบไวย์-เดลต้า-ไวย์ที่มีขดลวดทุติยภูมิแรงดันต่ำสองตัว ขดลวดทุติยภูมิขับเคลื่อนตัวเรียงกระแสไทริสเตอร์หกพัลส์สองตัวโดยที่เอาต์พุตเชื่อมต่อแบบขนาน หากวงจรเรียงกระแสนี้ขับเคลื่อนอิเล็กโทรไลเซอร์โดยตรง มุมเฟสของไทริสเตอร์จะควบคุมแรงดันเอาต์พุตและกระแสที่ไหลเข้าไป นอกจากนั้นยังสามารถใช้มุมเฟสเพื่อรักษากระแสในระบบเมื่อเซลล์อิเล็กโตรไลเซอร์มีอายุมากขึ้น และแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นสำหรับสแต็กเซลล์จะเพิ่มขึ้น หม้อแปลงอาจรวมถึงตัวเปลี่ยนแทปแบบออนโหลด (OLTC) โดย OLTC จะเปลี่ยนอัตราส่วนขดลวดของหม้อแปลงโดยการสลับระหว่างจุดเชื่อมต่อหลายจุดหรือแตะบนขดลวดอันใดอันหนึ่งเพื่อเพิ่มหรือลดแรงดันไฟฟ้าที่จ่ายให้กับวงจรเรียงกระแส

Infineon Technologies นำเสนอตัวเลือกส่วนประกอบเซมิคอนดักเตอร์ที่หลากหลายแก่นักออกแบบ PCS วงจรเรียงกระแสไทริสเตอร์มักใช้สำหรับแหล่งไฟฟ้ากระแสสลับเหล่านี้ ตัวอย่างเช่น T3800N18TOFVTXPSA1 เป็นไทริสเตอร์แบบแยกในแพ็คเกจดิสก์ TO-200AE ที่ติดที่ตัวเครื่อง ซึ่งได้รับการจัดอันดับให้รองรับ 1800 V ที่ 5970 แอมแปร์รูตค่าเฉลี่ยกำลังสอง (A_RMS) กระแสไฟฟ้าในสถานะ แพ็คเกจแผ่นดิสก์ให้ความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากการออกแบบการระบายความร้อนแบบสองด้าน

การออกแบบวงจรเรียงกระแสพื้นฐานสามารถปรับปรุงได้โดยการเพิ่มตัวแปลงบั๊กเป็นตัวสับหลังการแก้ไขที่เอาต์พุตของวงจรเรียงกระแส การเพิ่มระยะตัวสับจะช่วยเพิ่มการควบคุมกระบวนการโดยการปรับรอบการทำงานของชอปเปอร์แทนมุมเฟสของไทริสเตอร์ (รูปที่ 5) ซึ่งจะช่วยลดช่วงไดนามิกที่จำเป็นสำหรับไทริสเตอร์ ทำให้กระบวนการมีความเหมาะสมที่สุด

รูปที่ 5: ชอปเปอร์หลังการแก้ไขช่วยลดความผิดเพี้ยนของกระแสไฟฟ้าและปรับปรุง PF (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies)

การใช้ชอปเปอร์หลังการแก้ไขโดยใช้ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เกตแบบหุ้มฉนวน (IGBT) ช่วยลดความจำเป็นในการใช้หม้อแปลง OLTC ลดการบิดเบือนกระแสไฟฟ้า และปรับปรุง PF

FD450R12KE4PHOSA1 ของ Infineon Technologies เป็นโมดูลชอปเปอร์ IGBT ที่มีไว้สำหรับการใช้งานเหล่านี้ ซึ่งมีพิกัดแรงดันไฟฟ้าสูงสุด 1200 V และกระแสไฟสะสมสูงสุด 450 A และมาในโมดูล C-series มาตรฐาน 62 มิลลิเมตร (มม.)

วงจรเรียงกระแสขั้นสูงเพิ่มเติม ได้แก่ วงจรเรียงกระแสแบบแอคทีฟที่ใช้ IGBT วงจรเรียงกระแสแบบแอคทีฟจะแทนที่ไดโอดหรือไทริสเตอร์ด้วย IGBT ซึ่งตัวควบคุมจะเปิดและปิดในเวลาที่เหมาะสมผ่านไดรเวอร์เกต (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: วงจรเรียงกระแสแบบแอคทีฟจะแทนที่ไดโอดหรือไทริสเตอร์ในวงจรเรียงกระแสด้วย IGBT ซึ่งถูกสวิตช์โดยตัวควบคุมเกตไดรเวอร์ (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies)

มีการสร้างกระแสที่ไม่ใช่ไซนูซอยด์ ซึ่งต่างจากวงจรเรียงกระแสแบบดั้งเดิม โดยวงจรเรียงกระแสแบบแอคทีฟมีตัวเหนี่ยวนำแบบอนุกรมพร้อมกับ IGBT ที่จะเก็บกระแสในเส้นไซน์ซอยด์และลดฮาร์โมนิก ความต้านทานของ IGBT เมื่อดำเนินการต่ำมาก ซึ่งช่วยลดการสูญเสียการนำไฟฟ้าและปรับปรุงประสิทธิภาพเมื่อเปรียบเทียบกับวงจรเรียงกระแสมาตรฐาน ตัวควบคุมวงจรเรียงกระแสที่ทำงานอยู่จะรักษา PF ที่เป็นเอกภาพ ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์แก้ไขตัวประกอบกำลังภายนอก (PFC) นอกจากนี้ยังทำงานที่ความถี่สวิตชิ่งที่สูงขึ้น ส่งผลให้ส่วนประกอบและตัวกรองแบบพาสซีฟมีขนาดเล็กลง

FF1700XTR17IE5DBPSA1 รวม IGBT คู่ในการกำหนดค่าฮาล์ฟบริดจ์ในแพ็คเกจโมดูลาร์ PrimePACK 3+ สามารถรองรับ 1700 V โดยมีกระแสไฟสะสมสูงสุด 1700 A วงจรที่แสดงในรูปที่ 6 จะใช้โมดูลดังกล่าวสามโมดูล

ไดรเวอร์เกต IGBT เช่น 1ED3124MU12HXUMA1 เปลี่ยนคู่ IGBT คู่เดียวเปิดหรือปิด ไดรเวอร์เกตถูกแยกออกทางไฟฟ้าโดยใช้เทคโนโลยีหม้อแปลงไร้คอร์ สามารถใช้งานร่วมกับ IGBT ที่มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 600 ถึง 2300 V และมีกระแสเอาต์พุตทั่วไปที่ 14 A บนแหล่งจ่ายไฟแยกและพินซิงก์ พินลอจิกอินพุตทำงานบนช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตกว้างตั้งแต่ 3 ถึง 15 V โดยใช้ระดับเกณฑ์ CMOS เพื่อรองรับไมโครคอนโทรลเลอร์ 3.3 V

การแปลงพลังงานสำหรับแหล่งจ่ายกระแสตรง

การแยกไฮโดรเจนโดยใช้แหล่งพลังงาน DC เช่น พลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์และระบบไฮบริดที่ใช้แบตเตอรี่ ต้องใช้ตัวแปลง DC/DC ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ คอนเวอร์เตอร์เหล่านี้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของไดโอด/ไทริสเตอร์เรกติไฟเออร์ได้ นอกจากนี้ยังอนุญาตให้ปรับกริด DC ในพื้นที่ให้เหมาะสมเพื่อความยืดหยุ่นของโรงงาน

ตัวแปลงบั๊กแบบอินเทอร์ลีฟใช้โมดูลตัวสับแบบฮาล์ฟบริดจ์ขนานกันเพื่อเปลี่ยนระดับ DC จากอินพุตเป็นเอาต์พุต (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: ตัวแปลงบั๊กแบบอินเทอร์ลีฟจะช่วยลดระดับ DC อินพุต, V_DC1, ถึงระดับเอาต์พุต V_DC2 (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies)

ด้วยการควบคุมอินเทอร์ลีฟที่เหมาะสม โทโพโลยีตัวแปลง DC/DC นี้ลดการกระเพื่อม DC ลงอย่างมาก โดยไม่ต้องเพิ่มขนาดตัวเหนี่ยวนำหรือความถี่ในการเปลี่ยน แต่ละขั้นตอนของการดำเนินการสามารถเกิดขึ้นได้ด้วยโมดูลที่เหมาะสม FF800R12KE7HPSA1 เป็นโมดูล IGBT แบบฮาล์ฟบริดจ์ขนาด 62 มม. เหมาะสำหรับตัวแปลง DC/DC โทโพโลยีบั๊ก สำหรับแรงดันไฟฟ้าสูงสุด 1200 V และรองรับกระแสสะสมสูงสุด 800 A

ตัวแปลง Dual Active Bridge (DAB) เป็นทางเลือกแทนตัวแปลงบั๊ก (รูปที่ 8)

รูปที่ 8: ตัวแปลง DAB ดำเนินการลดแรงดันไฟฟ้าและให้การแยกกระแสไฟฟ้าระหว่างอินพุตและเอาต์พุต (แหล่งที่มาภาพ: Infineon Technologies)

ตัวแปลง DAB ใช้หม้อแปลงความถี่สูงเพื่อเชื่อมต่อวงจรฟูลบริดจ์อินพุตและเอาต์พุตเพื่อให้มีการแยกกระแสไฟฟ้า การแยกดังกล่าวมักมีประโยชน์ในการลดการกัดกร่อนของถังและอิเล็กโทรดของเซลล์อิเล็กโทรไลเซอร์ โดยวงจรฟูลบริดจ์ที่เหมือนกันจะถูกขับเคลื่อนด้วยคลื่นสี่เหลี่ยม ซึ่งการวางเฟสของสัญญาณขับเคลื่อนระหว่างด้านปฐมภูมิและด้านทุติยภูมิจะกำหนดทิศทางการไหลของกำลังไฟฟ้า นอกจากนี้ ตัวแปลง DAB ยังลดการสูญเสียการสลับให้เหลือน้อยที่สุดโดยใช้การสลับ IGBT เป็นศูนย์โวลต์ วงจรนี้สามารถประดิษฐ์ด้วยโมดูล IGBT แบบฮาล์ฟบริดจ์หรือโมดูล มอสเฟตซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC)

สรุป

เนื่องจากความต้องการแหล่งพลังงานสะอาดทั่วโลกยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง การแยกไฮโดรเจนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนจึงมีความสำคัญเพิ่มมากขึ้น แหล่งดังกล่าวต้องการพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงที่มีประสิทธิภาพ เชื่อถือได้ และมีเสถียรภาพสูง นักออกแบบสามารถเลือกใช้กลุ่มผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์กระแสไฟฟ้าและแรงดังไฟฟ้าแรงสูงของ Infineon Technologies เพื่อหาส่วนประกอบการแปลงพลังงานที่จำเป็น