Проектиране на захранващи устройства за „електролизери за водород“: изисквания към пулсиращия ток и регулирането на напрежението.

Пресичането на слънчевата енергия и зеления водород

Зеленият водород се е превърнал в основен елемент на глобалния преход към икономика с ниски въглеродни емисии, предлагайки чист и универсален горивен източник за сектори, които са трудни за декарбонизиране – като тежката промишленост, авиацията, морските превози и химическото производство. За разлика от сивия водород, който се произвежда от природен газ чрез парова реформация на метан, зеленият водород се получава чрез разделяне на вода на водород и кислород с помощта на възобновяема електрическа енергия чрез процес, наречен електролиза. Този процес се извършва вътре в физическо устройство, известно като електролизер. Тъй като фотоволтаичната (PV) генерация от слънчева енергия и системите за съхранение на енергия в батерии са основните източници на евтина възобновяема електрическа енергия, интегрирането на слънчеви ферми с висока мощност с големи промишлени електролизерни заводи представлява бързо растящ пазар B2B. Въпреки това връзката между слънчевата енергийна система и електролизера не е проста задача по електрическо свързване. Електролизерите изискват изключително специализирани източници на постояннотокова (DC) електрическа енергия. За електроинженери, проектиращи енергийни системи, и директори по B2B набавяния разбирането на строгите изисквания към пулсирането на тока и регулирането на напрежението за водородните електролизери е от решаващо значение за проектирането на производствени обекти с висока ефективност и дълъг експлоатационен живот. Това ръководство разглежда тези технически изисквания и начина, по който съвременните технологии за преобразуване на електрическа енергия ги удовлетворяват.

Електрохимията на електролизата на вода

За да разберем изискванията към захранващото устройство, първо трябва да разгледаме електрохимичните процеси, протичащи в електролизера. Има два основни типа търговски електролизери, използвани при производството на зелен водород в големи мащаби:

• Щелочни електролизери: Зряла технология, която използва течност с алкално решение (например калиев хидроксид) като електролит. Те са икономични, но работят при по-ниски плътности на тока и имат по-бавен динамичен отговор на промени в захранващата мощност.
• Електролизери с протоннообменна мембрана (PEM): По-нова и по-компактна технология, която използва твърда полимерна мембрана. Електролизерите с PEM работят при високи плътности на тока, осигуряват по-висока енергийна ефективност и имат много бърз динамичен отговор, което ги прави изключително подходящи за свързване с променливата слънчева и вятърна енергия.

Независимо от технологията, електролизерът е по същество товар с ниско напрежение и висок ток в режим на постояннотокова (DC) работа. Когато през електродите протича постоянен ток, молекулите вода се разделят. Скоростта на производство на водород е директно пропорционална на големината на постояннотоковия ток, протичащ през стека от клетки. Електрическите характеристики на стека обаче са силно нелинейни и наподобяват гигантски химически диод. Веднъж щом напрежението на клетката премине прага на електрохимичната реакция (обикновено 1,4 V до 1,8 V на клетка), дори незначително увеличение на напрежението води до рязко увеличение на тока. Управлението на тази чувствителна зависимост изисква изключително прецизно проектиране на захранващото устройство.

Заплахата от пулсиращ ток за живота на електролизера

При преобразуване на променливия ток (AC) от слънчевия инвертор или мрежата в високотоковия постоянен ток (DC), необходим за електролизера, получената DC изходна мощност никога не е напълно равномерна. Тя съдържа остатъчен високочестотен AC компонент, известен като пулсиране на тока. При стандартните индустриални захранващи устройства умереното пулсиране на тока е приемливо. Обаче за водородните електролизери излишното пулсиране на тока представлява сериозна експлоатационна опасност:

• Ускорено остаряване на катализатора: Електролизерните клетки използват скъпи метали, като платина и иридий, като катализатори върху своите електроди. Високочестотното пулсиране на тока предизвиква микропулсации на напрежението върху тези електроди. Това бързо циклиране ускорява химичното разтваряне и физическото отделяне на катализаторните слоеве, което води до бързо намаляване на ефективността на електролизера и неговата способност за производство на водород.
• Деградация на мембраната: В PEM електролизаторите полимерната мембрана е изключително чувствителна към термични и механични напрежения. Променливият ток предизвиква локални високочестотни температурни колебания (горещи точки) в мембраната. Това термично напрежение деградира полимерната структура, водейки до локални микропукнатини и преминаване на газове (когато водородът и кислородът се смесват вътре в клетката, създавайки експлозивна опасност).
• Намалена Фарадеева ефективност: Фарадеевата ефективност на един електролизатор измерва колко ефективно електрическият ток се преобразува в водороден газ. Високочестотният променлив ток не участва в електрохимичното разделяне на водата; вместо това той се разсейва като топлина, което намалява общата ефективност на системата и увеличава необходимостта от охладителна вода.

За да се защити инвестициите в електролизер, производителите налагат строги ограничения за пулсирането на тока. Обикновено общото хармонично изкривяване (THD) на постояннотоковия ток трябва да се поддържа под 2 % до 5 % в целия работен диапазон, като при високочестотните диапазони са зададени още по-строги ограничения (под 1 %). Единственият начин да се изпълнят тези изисквания е чрез използване на захранващи устройства и изправителни инвертори с напреднали многовъзлови интерлийв (interleaved) топологии и пасивни филтри от висок ред.

Регулиране на напрежението и широки работни диапазони

Освен ниското пулсиране на тока захранващото устройство за електролизер трябва да осигурява изключително добро регулиране на напрежението. Това изискване се дължи на няколко операционни фактора:

• Широк диапазон на работно постоянно напрежение: Един електролизен стек се състои от стотици клетки, свързани последователно, за да се постигне практически приложимо системно напрежение (обикновено в диапазона от 100 V до над 800 V постояннотоково напрежение). По време на работа на стека неговото вътрешно съпротивление се променя поради температурни колебания, натрупване на газови мехурчета върху електродите и стареене на компонентите на клетките с течение на времето. Източникът на захранване трябва да е способен динамично да регулира изходното си напрежение в широк диапазон, за да поддържа постоянен ток.
• Бърз динамичен отговор на товара: Слънчевата енергия по своята същност е променлива. Когато облаци преминават над слънчевата архитектура, наличната мощност може да спадне или да се увеличи рязко за секунди. Захранването на електролизера трябва да следи тази променлива слънчева мощност, регулирайки в реално време подаваната мощност нагоре и надолу. По време на тези бързи промени в мощността регулационният контур за напрежение трябва да предотвратява всякакво надвишаване или недовишение на напрежението, тъй като внезапен връх в напрежението може да повреди мембраната, докато падане на напрежението под прага на реакцията изцяло ще спре производството на водород.
• Режими на плавно стартиране и горещо резервно състояние: Стартирането на електролизер от студено състояние изисква строго контролирано, бавно увеличаване на тока (плавно стартиране), за да се предотвратят локални термични напрежения поради разширение. Освен това, когато слънчевата мощност е изключително ниска, захранването трябва да превключи електролизера в режим на резервно състояние с нисък ток, при който клетките се поддържат топли и под налягане, без да се произвежда газ, готови за следващия слънчев „импулс“.

За да отговори на тези изисквания, системите за преобразуване на мощността на JYINS интегрират високоскоростни цифрови алгоритми за управление (пропорционално-интегрално-диференциални, или PID контролери), реализирани върху цифрови сигнали процесори (DSP) с двойно ядро. Тези процесори извършват проби на изходното напрежение и ток с висока честота (до 100 kHz), което позволява на системата да коригира своите шаблони за широчинно-импулсна модулация (PWM) в рамките на микросекунди, гарантирайки безупречно регулиране на напрежението и динамична стабилност при всички работни условия.

Доставка на високомощни DC системи за интеграция на водород

За мениджъри по набавки B2B и системни интегратори, които проектират обекти за производство на зелен водород, изборът на подходящ партньор за доставка на електрозахранване е критично стратегическо решение. Системата за преобразуване на мощността представлява значителна част от капитала на обекта и е единственият най-важен фактор, определящ общата енергийна ефективност на обекта и срока на експлоатация на електролизера.

Основни параметри, които трябва да имат приоритет при набавката:

• Многофазна интерливирана топология: Осигурете, че захранващото устройство използва многофазен интерливиран понижаващ преобразувател или система за активно изправяне. Тази конструкция разделя изходния ток между множество паралелни превключвателни пътища, които работят в различни фази, като по този начин естествено компенсира голяма част от токовия пулсации, преди да достигне стадията на пасивна филтрация.
• Филтриране с висок ред LC: Захранващото устройство трябва да е оборудвано с мощни индукторно-кондензаторни (LC) филтри на постояннотоковия изход, за да се намали допълнително високочестотният шум от превключване и да се достави чиста и стабилна постоянна мощност на електролизния стек.
• Интегрирана течностна охладителна система: Захранващите устройства за електролизери с висока мощност генерират значително количество топлина. Системите с течностно охлаждане осигуряват по-висока термична ефективност в сравнение с въздушното охлаждане, което позволява по-компактна инсталация, по-дълъг срок на служба на компонентите и пълна защита от влажната и химически агресивна среда, типична за водородните производствени обекти.

JYINS е пионер в разработването на напреднали системи за преобразуване на електрическа мощност и високотокови постояннотокови източници на електрозахранване за индустриални приложения в областта на чистата енергия. Системите ни са проектирани в строго съответствие с международните стандарти за безопасност и производителност и предлагат водеща в отрасъла ефективност, изключително ниско пулсиране на тока и устойчива регулация на напрежението. Като изберат JYINS, разработчиците на зелен водород могат да максимизират добива си от газ, да защитят ценни електролизни струи и да ускорят прехода към устойчиво и безвъглеродно бъдеще.