Maitinimo šaltinių projektavimas „vandenilio elektrolizeriams“: reikalavimai dėl srovės svyravimų ir įtampų reguliavimo.

Saulės energijos ir žaliosios vandenilio sąveika

Žaliasis vandenilis tapo vienu iš pagrindinių pasaulinio perėjimo prie mažo anglies dioksido emisijų ekonomikos stulpų, siūlydamas švarų ir universalų kuro šaltinį sunkiai dekarbonizuojamoms sektoriams, tokiems kaip sunkioji gamyba, aviacija, jūrų transportas ir cheminė gamyba. Skirtingai nuo pilkojo vandenilio, kuris gaminamas iš gamtinių dujų naudojant garų metano reformavimą, žalis vandenilis gaunamas elektrolizuojant vandenį – tai procesas, kuriuo vanduo skaidomas į vandenilį ir deguonį naudojant atsinaujinančią elektros energiją. Šis procesas vyksta specialiame įrenginyje, vadinamame elektrolizatoriumi. Kadangi saulės fotovoltinės (PV) energijos gamyba ir akumuliatorių energijos kaupimo sistemos yra pagrindiniai pigios atsinaujinančios elektros energijos šaltiniai, saulės elektrinės su didelės galios saulės laukais, integruotos su didelės galios pramoniniais elektrolizatoriais, sudaro sparčiai augantį B2B rinką. Tačiau saulės energijos sistemos ir elektrolizatoriaus jungtis nėra paprastas laidų prijungimas. Elektrolizatoriai reikalauja labai specializuotų nuolatinės srovės (DC) maitinimo šaltinių. Elektros inžinieriams, energijos sistemų projektuotojams ir B2B pirkimų direktoriams yra būtina suprasti vandenilio elektrolizatorių griežtus srovės svyravimų ir įtampų reguliavimo reikalavimus, kad būtų sukurtas aukšto naudingumo ir ilgaamžiškas gamybos objektas. Šiame vadove aptariami šie techniniai reikalavimai ir tai, kaip šiuolaikinės energijos konvertavimo technologijos juos tenkina.

Vandens elektrolizės elektrochemija

Norėdami suprasti maitinimo šaltinio reikalavimus, pirmiausia turime pažvelgti į elektrolizeryje vykstančią elektrochemiją. Didelėse žaliosios vandenilio gamybos sistemose naudojamos dvi pagrindinės komercinės elektrolizerių rūšys:

• Šarmaliniai elektrolizeriai: subrendusi technologija, kurioje kaip elektrolitas naudojama skystoji šarminė tirpalo (pvz., kalio hidroksido) mišinys. Šie elektrolizeriai yra ekonomiški, tačiau veikia mažesnėmis srovės tankio reikšmėmis ir lėčiau reaguoja į maitinimo šaltinio svyravimus.
• Protonų mainų membraniniai (PEM) elektrolizeriai: naujesnė, kompaktiškesnė technologija, kurioje naudojama kietoji polimerinė membrana. PEM elektrolizeriai veikia aukštais srovės tankiais, pasižymi geresne energijos naudingumo rodikliais ir labai greitai reaguoja į maitinimo šaltinio svyravimus, todėl jie puikiai tinka susiejimui su periodiškai veikiančiais saulės ir vėjo energijos šaltiniais.

Nepaisant technologijos, elektrolizatorius pagrindiniu požiūriu yra žemo įtampos ir didelės nuolatinės srovės apkrova. Kai per elektrodus pratekėja nuolatinė srovė, vandens molekulės suskyla. Vandenilio gamybos greitis tiesiogiai proporcingas per elementų paketą tekėjančios nuolatinės srovės dydžiui. Tačiau paketo elektrinės charakteristikos yra labai netiesinės ir primena milžinišką cheminį diodą. Kai elemento įtampa viršija elektrocheminės reakcijos slenkstį (paprastai 1,4–1,8 V vienam elementui), net nedidelis įtampos padidėjimas sukelia milžinišką srovės padidėjimą. Šios jautrios priklausomybės valdymas reikalauja ypatingai tikslaus maitinimo šaltinio projektavimo.

Srovės svyravimų grėsmė elektrolizatoriaus tarnavimo laikui

Kai kintamąjį srovės (AC) iš saulės inversijos įrenginio ar tinklo konvertuojama į aukštos srovės nuolatinę srovę (DC), reikiamą elektrolizatoriui, gauta nuolatinės srovės išvestis niekada nebūna visiškai lygi. Ji visada turi likutinę aukšto dažnio kintamosios srovės dedamąją, vadinamą srovės banga. Standartinėse pramoninėse maitinimo sistemose vidutinė srovės bangos amplitudė yra priimtina. Tačiau vandenilio elektrolizatoriams pernelyg didelė srovės bangos amplitudė yra rimta eksploatacijos rizika:

• Pagreitėjęs katalizatoriaus degradavimas: elektrolizatoriaus elementai naudoja brangiuosius metalus, tokius kaip platina ir iridis, kaip katalizatorių elektroduose. Aukšto dažnio srovės bangos sukuria mikrociklus įtampų svyravimų šiuose elektroduose. Šie greiti ciklai pagreitina cheminį katalizatoriaus sluoksnių ištirpimą ir fizinį jų atsiskilimą, dėl ko elektrolizatoriaus naudingumo koeficientas ir vandenilio gamybos galia staigiai mažėja.
• Membranos degradacija: PEM elektrolizatoriuose polimerinė membrana yra labai jautri šiluminėms ir mechaninėms apkrovoms. Srovės svyravimai sukelia lokalizuotus aukšto dažnio temperatūros svyravimus (karščio taškus) membranoje. Šis šiluminis stresas suardo polimerinę struktūrą, sukeldamas lokalizuotas mikroplyšes ir dujų perleidimą (kai vandenilis ir deguonis sumiša viduje ląstelės, kurdami sprogimo pavojų).
• Sumažėjusi Faradėjaus naudingumo koeficientas: Elektrolizatoriaus Faradėjaus naudingumo koeficientas matuoja, kiek veiksmingai elektrinė srovė konvertuojama į vandenilio dujas. Aukšto dažnio kintamosios srovės (AC) svyravimai nedalyvauja elektrocheminėje vandens skilimo reakcijoje; vietoj to jie išsisklaido kaip šiluma, sumažindami bendrą sistemos naudingumą ir padidindami aušinimo vandens poreikį.

Elektrolizatoriaus investicijos apsaugai gamintojai taiko griežtus nuolatinės srovės banguotumo ribojimus. Paprastai nuolatinės srovės bendroji harmoninė iškraipymo koeficientas (THD) visame veikimo diapazone turi būti palaikomas žemiau 2–5 %, o aukštos dažnio juostoje – net griežtesniuose ribojimuose (žemiau 1 %). Šiems reikalavimams atitikti galima tik tiekiant maitinimo šaltinius ir lyginamuosius inverterius su pažangiomis daugiapakopėmis persidengiančiomis topologijomis bei aukštos eilės pasyviais filtrais.

Įtampų reguliavimas ir plačios veikimo sritys

Be mažo srovės banguotumo elektrolizatoriaus maitinimo šaltinis taip pat turi užtikrinti puikų įtampų reguliavimą. Šį reikalavimą lemia keletas eksploatacijos veiksnių:

• Platus nuolatinės srovės įtampos veikimo diapazonas: vienas elektrolizatoriaus stakas sudarytas iš šimtų elementų, sujungtų nuosekliai, kad būtų pasiektas praktinis sistemos įtampos lygis (paprastai nuo 100 V iki daugiau kaip 800 V nuolatinės srovės). Veikiant stakui jo vidinė varža kinta dėl temperatūros svyravimų, elektrodų paviršiuje susidarančių dujų burbuliukų ir elementų komponentų ilgalaikio senėjimo. Maitinimo šaltinis turi gebėti dinamiškai reguliuoti savo išėjimo įtampą per plačią įtampų ribą, kad palaikytų pastovią srovės jėgą.
• Greitas dinaminis apkrovos atsakas: Saulės energija yra savo prigimtimi kintama. Kai debesys praeina virš saulės baterijų masyvo, prieinama galia gali per kelias sekundes staigiai sumažėti arba padidėti. Elektrolizatoriaus maitinimo šaltinis turi sekti šią kintamą saulės energijos išvestį, realiuoju laiku keisdamas savo tiekiamą galią į viršų ir žemyn. Šiose greitose galios svyravimuose įtampos reguliavimo kontūras turi užkirsti kelią bet kokiam viršukyčiui arba nepakankamai įtampai, nes staigus įtampos šuolis gali pažeisti membraną, o įtampa, nukritusi žemiau reakcijos slenksčio, visiškai sustabdys vandenilio gamybą.
• Švelnus paleidimas ir karštojo rezervinio režimo veiksena: Elektrolizatoriaus paleidimas iš šalto sustojimo būsenos reikalauja labai tikslaus, lėto srovės padidinimo (švelnaus paleidimo), kad būtų išvengta vietinės šiluminės plėtimosi įtempimų. Be to, kai saulės energija yra labai maža, maitinimo šaltinis turi perjungti elektrolizatorių į mažos srovės rezervinį režimą, palaikydamas ląsteles šiltas ir slėgyje, tačiau be dujų gamybos, kad jis būtų pasiruošęs kitam saulės spinduliavimo pokyčiui.

Šioms reikalavimams patenkinti JYINS galios keitimo sistemos integruoja didelės našumo skaitmeninius valdymo algoritmus (proporcionalinis-integralinis-diferencialinis, arba PID, reguliatoriai), įdiegtus dviejų branduolių skaitmeniniuose signalų procesoriuose (DSP). Šie procesoriai matuoja išėjimo įtampą ir srovę labai aukšta dažnumu (iki 100 kHz), leisdami sistemai per mikrosekundes koreguoti savo impulsinio platumos moduliavimo (PWM) jungimo schemas, užtikrindami beklaidę įtampos reguliaciją ir dinaminę stabilumą visomis eksploatacijos sąlygomis.

Didelės galios nuolatinės srovės sistemų įsigijimas vandenilio integravimui

B2B pirkimų vadovams ir sistemų integratoriams, kurie projektuoja žaliuosius vandenilio gamybos objektus, tinkamo maitinimo šaltinio partnerio pasirinkimas yra strateginės reikšmės sprendimas. Galios keitimo sistema sudaro reikšmingą dalį gamyklos kapitalinių išlaidų ir yra vienintelis svarbiausias veiksnys, lemiantis bendrą gamyklos energijos naudingumo koeficientą ir elektrolizatoriaus tarnavimo trukmę.

Pagrindiniai parametrai, kuriuos reikėtų pirmiausia įvertinti renkantis:

• Daugiafazė perklojimo topologija: Įsitikinkite, kad maitinimo šaltinis naudoja daugiafazį perklojinį buck konvertorių arba aktyvią tiesinę keitimo sistemą. Ši konstrukcija išsklaido išvesties srovę į kelias lygiagrečias jungiamąsias grandines, kurios veikia ne sinchroniškai, dėl ko natūraliai pašalinama didžioji dalis srovės svyravimų dar prieš jų patenkant į pasyvių filtrų etapą.
• Aukštojo rango LC filtravimas: Maitinimo šaltinyje turi būti naudojami stiprūs induktyvumo ir talpos (LC) filtrai nuolatinės srovės išvestyje, kad dar labiau sumažintų bet kokį aukštos dažnio jungimo triukšmą ir tiektų švarią, gryną nuolatinės srovės energiją elektrolizatoriaus blokui.
• Skystojo aušinimo integravimas: Aukštos galios elektrolizatoriaus maitinimo šaltiniai sukuria reikšmingą šilumą. Skystuoju aušinimu grindžiamos sistemos užtikrina geresnį šiluminį našumą nei oru aušinamos sistemos, leidžiant kompaktiškesnę įrengimo schemą, ilgesnį komponentų tarnavimo laiką ir visišką apsaugą nuo drėgno bei cheminio aplinkos, būdingos vandenilio gamybos gamyklose.

JYINS yra pradininkė kurdama pažangius energijos konvertavimo ir didelės srovės nuolatinės srovės maitinimo sistemas pramoninėms švarios energijos programoms. Mūsų sistemos sukurtos griežtai laikantis tarptautinių saugos ir našumo standartų, užtikrindamos pramonėje lyderišką efektyvumą, itin žemą srovės svyravimą ir patikimą įtampos reguliavimą. Pasirinkdami JYINS žaliųjų vandenilio gamintojai gali maksimaliai padidinti dujų gamybos našumą, apsaugoti brangius elektrolizatoriaus blokus ir pagreitinti perėjimą prie tvaraus, anglies neįtraukiančio ateities.