การออกแบบแหล่งจ่ายไฟสำหรับ 'อิเล็กโทรไลเซอร์ไฮโดรเจน': ข้อกำหนดเรื่องสัญญาณรบกวนกระแสไฟฟ้า (current ripple) และการควบคุมแรงดันไฟฟ้า

จุดตัดระหว่างพลังงานแสงอาทิตย์กับไฮโดรเจนสีเขียว

ไฮโดรเจนสีเขียวได้ก้าวขึ้นมาเป็นองค์ประกอบหลักของการเปลี่ยนผ่านสู่เศรษฐกิจต่ำคาร์บอนทั่วโลก โดยให้แหล่งเชื้อเพลิงที่สะอาดและหลากหลายสำหรับภาคส่วนที่ลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้ยาก เช่น อุตสาหกรรมหนัก การบิน การขนส่งทางทะเล และการผลิตสารเคมี ต่างจากไฮโดรเจนสีเทา ซึ่งผลิตจากก๊าซธรรมชาติด้วยกระบวนการเปลี่ยนก๊าซมีเทนด้วยไอน้ำ (steam methane reforming) ไฮโดรเจนสีเขียวเกิดจากการแยกน้ำออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจนโดยใช้ไฟฟ้าจากแหล่งพลังงานหมุนเวียนผ่านกระบวนการที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลซิส (electrolysis) กระบวนการนี้ดำเนินการภายในอุปกรณ์ทางกายภาพที่เรียกว่าอิเล็กโทรไลเซอร์ (electrolyzer) เนื่องจากระบบผลิตไฟฟ้าจากแผงโซลาร์เซลล์ (solar photovoltaic: PV) และระบบกักเก็บพลังงานด้วยแบตเตอรี่ (battery energy storage systems) เป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่มีต้นทุนต่ำที่สำคัญ การผสานรวมฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่เข้ากับโรงงานอิเล็กโทรไลเซอร์ระดับอุตสาหกรรมจึงกลายเป็นตลาดธุรกิจถึงธุรกิจ (B2B) ที่เติบโตอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม การเชื่อมต่อระหว่างระบบพลังงานแสงอาทิตย์กับอิเล็กโทรไลเซอร์ไม่ใช่เพียงการเดินสายไฟแบบง่ายๆ เท่านั้น เพราะอิเล็กโทรไลเซอร์ต้องการแหล่งจ่ายไฟกระแสตรง (Direct Current: DC) ที่มีความเฉพาะทางสูง สำหรับวิศวกรไฟฟ้า ผู้ออกแบบระบบไฟฟ้า และผู้บริหารฝ่ายจัดซื้อธุรกิจถึงธุรกิจ การเข้าใจข้อกำหนดที่เข้มงวดเกี่ยวกับคลื่นรบกวนของกระแสไฟฟ้า (current ripple) และการควบคุมแรงดันไฟฟ้า (voltage regulation) ของอิเล็กโทรไลเซอร์เพื่อผลิตไฮโดรเจนจึงมีความสำคัญยิ่งต่อการออกแบบโรงงานผลิตที่มีประสิทธิภาพสูงและทนทาน คู่มือนี้จะสำรวจข้อกำหนดเชิงเทคนิคเหล่านี้ รวมทั้งวิธีที่เทคโนโลยีการแปลงพลังงานสมัยใหม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดเหล่านั้นได้

ปฏิกิริยาอิเล็กโตรเคมีของการแยกน้ำด้วยไฟฟ้า

เพื่อทำความเข้าใจข้อกำหนดด้านแหล่งจ่ายพลังงาน เราต้องพิจารณาปฏิกิริยาอิเล็กโตรเคมีที่เกิดขึ้นภายในเซลล์แยกน้ำด้วยไฟฟ้าเสียก่อน มีเซลล์แยกน้ำด้วยไฟฟ้าเชิงพาณิชย์สองประเภทหลักที่ใช้ในการผลิตไฮโดรเจนสีเขียวในระดับใหญ่ ได้แก่

• เซลล์แยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบด่าง: เทคโนโลยีที่มีความพร้อมใช้งานสูงซึ่งใช้สารละลายด่างของเหลว (เช่น โพแทสเซียมไฮดรอกไซด์) เป็นสารอิเล็กโทรไลต์ แม้มีต้นทุนต่ำ แต่ทำงานที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าต่ำกว่า และมีการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของกำลังไฟฟ้าได้ช้ากว่า
• เซลล์แยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM): เทคโนโลยีรุ่นใหม่ที่มีขนาดกะทัดรัดกว่า ซึ่งใช้เมมเบรนพอลิเมอร์แข็งเป็นตัวนำไฟฟ้า เซลล์แยกน้ำด้วยไฟฟ้าแบบ PEM สามารถทำงานที่ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสูง มีประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่เหนือกว่า และมีการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของกำลังไฟฟ้าได้อย่างรวดเร็วมาก จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการเชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่ไม่สม่ำเสมอ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม

ไม่ว่าจะใช้เทคโนโลยีใด อิเล็กโทรไลเซอร์ก็เป็นภาระไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ที่มีแรงดันต่ำแต่กระแสสูงโดยพื้นฐาน เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้ากระแสตรงผ่านขั้วไฟฟ้า โมเลกุลของน้ำจะแยกตัวออก อัตราการผลิตไฮโดรเจนสัมพันธ์โดยตรงกับขนาดของกระแสไฟฟ้ากระแสตรงที่ไหลผ่านชุดเซลล์ (cell stack) อย่างไรก็ตาม คุณสมบัติทางไฟฟ้าของชุดเซลล์มีลักษณะไม่เป็นเชิงเส้นอย่างมาก โดยคล้ายกับไดโอดเคมีขนาดใหญ่ เมื่อแรงดันเซลล์เกินค่าเกณฑ์ปฏิกิริยาทางไฟฟ้าเคมี (โดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 1.4–1.8 โวลต์ต่อเซลล์) การเพิ่มแรงดันเพียงเล็กน้อยจะทำให้กระแสเพิ่มขึ้นอย่างมาก การควบคุมความสัมพันธ์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลงนี้จำเป็นต้องออกแบบแหล่งจ่ายไฟที่แม่นยำเป็นพิเศษ

อันตรายจากสัญญาณรบกวนของกระแสไฟฟ้าต่ออายุการใช้งานของอิเล็กโทรไลเซอร์

เมื่อแปลงกระแสสลับ (AC) จากอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์หรือจากโครงข่ายไฟฟ้าให้เป็นกระแสตรง (DC) ที่มีค่าสูงซึ่งจำเป็นสำหรับเซลล์แยกน้ำอิเล็กโทรไลซิส กระแสตรงที่ได้รับจะไม่เรียบสม่ำเสมออย่างสมบูรณ์แบบ แต่จะมีองค์ประกอบของกระแสสลับความถี่สูงที่เหลืออยู่ซึ่งเรียกว่า ริปเปิลของกระแส (current ripple) สำหรับแหล่งจ่ายไฟฟ้าอุตสาหกรรมทั่วไป ริปเปิลของกระแสในระดับปานกลางถือว่ายอมรับได้ อย่างไรก็ตาม สำหรับเซลล์แยกน้ำอิเล็กโทรไลซิส ริปเปิลของกระแสที่มากเกินไปถือเป็นอันตรายร้ายแรงต่อการปฏิบัติงาน

• การเสื่อมสภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างรวดเร็ว: เซลล์แยกน้ำอิเล็กโทรไลซิสใช้โลหะมีค่า เช่น พลาตินัมและอิริเดียม เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาบนขั้วไฟฟ้า ริปเปิลของกระแสความถี่สูงก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแรงดันแบบจังหวะย่อย (micro-cycles) บนขั้วไฟฟ้าเหล่านี้ การเปลี่ยนแปลงแรงดันอย่างรวดเร็วนี้เร่งกระบวนการละลายเชิงเคมีและการหลุดลอกทางกายภาพของชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา ส่งผลให้ประสิทธิภาพของเซลล์แยกน้ำอิเล็กโทรไลซิสและกำลังการผลิตไฮโดรเจนลดลงอย่างรวดเร็ว
• การเสื่อมสภาพของเมมเบรน: ในอิเล็กโทรไลเซอร์แบบ PEM เมมเบรนพอลิเมอร์มีความไวสูงต่อแรงเครียดจากความร้อนและแรงกล คลื่นกระแสไฟฟ้าที่แปรผัน (current ripple) ก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในระดับความถี่สูงอย่างเฉพาะจุด (hotspots) ภายในเมมเบรน แรงเครียดจากความร้อนนี้ทำให้โครงสร้างพอลิเมอร์เสื่อมสภาพ ส่งผลให้เกิดรอยฉีกขาดขนาดเล็กในบริเวณท้องถิ่น และเกิดปรากฏการณ์ก๊าซรั่วข้าม (gas crossover) คือ ไฮโดรเจนกับออกซิเจนปนกันภายในเซลล์ ซึ่งอาจก่อให้เกิดภาวะอันตรายจากการระเบิด
• ประสิทธิภาพฟาราเดย์ลดลง: ประสิทธิภาพฟาราเดย์ของอิเล็กโทรไลเซอร์คือการวัดว่ากระแสไฟฟ้าถูกแปลงเป็นก๊าซไฮโดรเจนได้มีประสิทธิภาพเพียงใด กระแสไฟฟ้าสลับความถี่สูง (AC ripple current) ไม่มีส่วนร่วมในการแยกโมเลกุลน้ำผ่านปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี แต่จะสูญเสียไปในรูปของความร้อนแทน จึงทำให้ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบลดลง และเพิ่มความต้องการน้ำสำหรับระบบระบายความร้อน

เพื่อปกป้องการลงทุนในอุปกรณ์อิเล็กโทรไลเซอร์ ผู้ผลิตกำหนดข้อจำกัดที่เข้มงวดต่อคลื่นรบกวนของกระแสไฟฟ้า (current ripple) โดยทั่วไป ค่าความผิดเพี้ยนจากฮาร์โมนิกโดยรวม (THD) ของกระแสตรง (DC) ต้องควบคุมให้อยู่ต่ำกว่า 2% ถึง 5% ตลอดช่วงการใช้งานทั้งหมด และมีข้อจำกัดที่เข้มงวดยิ่งกว่านั้น (ต่ำกว่า 1%) ในแถบความถี่สูง การจัดหาแหล่งจ่ายไฟและอินเวอร์เตอร์แปลงกระแสแบบเรียงลำดับหลายเฟส (multiphase interleaved topologies) ที่มีประสิทธิภาพสูง พร้อมตัวกรองแบบพาสซีฟระดับสูง เป็นวิธีเดียวที่จะตอบสนองความต้องการเหล่านี้

การควบคุมแรงดันไฟฟ้าและช่วงการใช้งานที่กว้าง

นอกเหนือจากกระแสไฟฟ้าที่มีคลื่นรบกวนต่ำแล้ว แหล่งจ่ายไฟสำหรับอุปกรณ์อิเล็กโทรไลเซอร์ยังต้องสามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำยิ่ง ซึ่งข้อกำหนดนี้เกิดจากปัจจัยการใช้งานหลายประการ:

• ช่วงแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ที่กว้าง: สแต็กอิเล็กโทรไลเซอร์แบบเดี่ยวประกอบด้วยเซลล์จำนวนร้อยตัวที่เชื่อมต่อกันแบบอนุกรม เพื่อให้ได้แรงดันระบบในระดับที่ใช้งานได้จริง (โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 100 โวลต์ ถึงมากกว่า 800 โวลต์ แบบกระแสตรง) ขณะที่สแต็กทำงาน ความต้านทานภายในจะเปลี่ยนแปลงไปตามปัจจัยต่าง ๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ การสะสมของฟองก๊าซบนขั้วไฟฟ้า และการเสื่อมสภาพของส่วนประกอบเซลล์เมื่อใช้งานเป็นเวลานาน แหล่งจ่ายไฟจึงจำเป็นต้องสามารถปรับแรงดันขาออกได้แบบพลวัตในช่วงที่กว้าง เพื่อรักษากระแสไฟฟ้าให้คงที่
• การตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงโหลดแบบไดนามิกอย่างรวดเร็ว: พลังงานแสงอาทิตย์มีลักษณะแปรผันโดยธรรมชาติ ขณะที่เมฆเคลื่อนผ่านแผงโซลาร์เซลล์ กำลังไฟฟ้าที่สามารถใช้งานได้อาจลดลงหรือเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วภายในไม่กี่วินาที แหล่งจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้า (electrolyzer) จึงจำเป็นต้องติดตามการเปลี่ยนแปลงของพลังงานแสงอาทิตย์ที่แปรผันนี้ โดยปรับระดับการจ่ายพลังงานขึ้นและลงแบบเรียลไทม์ ในช่วงการเปลี่ยนแปลงพลังงานอย่างรวดเร็วนี้ วงจรควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะต้องป้องกันไม่ให้เกิดภาวะแรงดันสูงเกินหรือต่ำเกินค่าที่กำหนด เนื่องจากแรงดันไฟฟ้ากระชากอย่างฉับพลันอาจทำให้เยื่อบาง (membrane) เสียหาย ในขณะที่แรงดันไฟฟ้าลดต่ำกว่าเกณฑ์ขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาเคมี จะทำให้การผลิตไฮโดรเจนหยุดชะงักทั้งหมด
• โหมดเริ่มต้นอย่างนุ่มนวล (Soft-Start) และโหมดพร้อมใช้งานแบบร้อน (Hot-Standby): การเริ่มต้นอุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้า (electrolyzer) จากสถานะหยุดนิ่งแบบเย็น จำเป็นต้องมีการเพิ่มกระแสไฟฟ้าอย่างค่อยเป็นค่อยไปภายใต้การควบคุมอย่างเข้มงวด (soft-start) เพื่อป้องกันความเครียดจากการขยายตัวทางความร้อนแบบเฉพาะจุด นอกจากนี้ เมื่อพลังงานแสงอาทิตย์มีระดับต่ำมาก แหล่งจ่ายพลังงานจะต้องเปลี่ยนอุปกรณ์แยกน้ำด้วยไฟฟ้าเข้าสู่โหมดพร้อมใช้งานที่ใช้กระแสไฟฟ้าต่ำ โดยรักษาอุณหภูมิและความดันของเซลล์ไว้โดยไม่ผลิตก๊าซ เพื่อให้พร้อมทำงานทันทีเมื่อมีพลังงานแสงอาทิตย์เพิ่มขึ้นอีกครั้ง

เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ ระบบแปลงพลังงานของ JYINS ใช้ขั้นตอนวิธีควบคุมดิจิทัลความเร็วสูง (ตัวควบคุมแบบสัดส่วน-อินทิกรัล-ดิฟเฟอเรนเชียล หรือ PID) ที่ทำงานบนโปรเซสเซอร์สัญญาณดิจิทัลแบบสองคอร์ (DSP) โปรเซสเซอร์เหล่านี้ทำการสุ่มตัวอย่างแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่ขาออกด้วยความถี่สูง (สูงสุดถึง 100 กิโลเฮิร์ตซ์) ทำให้ระบบสามารถปรับรูปแบบการสลับสัญญาณแบบพัลส์-วิดท์โมดูเลชัน (PWM) ภายในไม่กี่ไมโครวินาที ซึ่งรับประกันการควบคุมแรงดันไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำและเสถียรภาพเชิงพลวัตภายใต้สภาวะการใช้งานทั้งหมด

การจัดหาแหล่งจ่ายไฟกระแสตรงกำลังสูงสำหรับการผสานระบบไฮโดรเจน

สำหรับผู้จัดการฝ่ายจัดซื้อแบบ B2B และผู้บูรณาการระบบซึ่งออกแบบสถาน facility ผลิตไฮโดรเจนสีเขียว การเลือกผู้ให้บริการแหล่งจ่ายไฟที่เหมาะสมถือเป็นการตัดสินใจเชิงกลยุทธ์ที่สำคัญยิ่ง ระบบแปลงพลังงานมีสัดส่วนค่าใช้จ่ายลงทุนส่วนใหญ่ของโรงงาน และยังเป็นปัจจัยเดียวที่สำคัญที่สุดในการกำหนดประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยรวมของโรงงานและอายุการใช้งานของอุปกรณ์แยกน้ำอิเล็กโทรไลซิส

พารามิเตอร์หลักที่ควรให้ความสำคัญในการจัดหา:

• โครงสร้างแบบหลายเฟสที่สลับกัน: ต้องมั่นใจว่าแหล่งจ่ายไฟใช้เครื่องแปลงแรงดันแบบบัค (buck converter) แบบหลายเฟสที่สลับกัน หรือระบบการปรับกระแสแบบแอคทีฟ (active rectification) ซึ่งการออกแบบนี้จะแบ่งกระแสขาออกไปยังเส้นทางการสลับสัญญาณแบบขนานหลายเส้นทางที่ทำงานไม่ตรงเฟสกัน ทำให้คลื่นรบกวนของกระแส (current ripple) ลดลงอย่างมากโดยธรรมชาติ ก่อนที่กระแสจะเข้าสู่ขั้นตอนการกรองแบบพาสซีฟ
• ตัวกรอง LC ระดับสูง: แหล่งจ่ายไฟควรมีตัวกรองแบบอินดักเตอร์-แคปซิเตอร์ (LC) ที่มีประสิทธิภาพสูงบนขาออกกระแสตรง (DC) เพื่อลดเสียงรบกวนจากความถี่สูงที่เกิดจากการสลับสัญญาณให้มากยิ่งขึ้น ส่งผลให้ได้กระแสตรงที่สะอาดและบริสุทธิ์สำหรับเซลล์อิเล็กโทรไลเซอร์
• การผสานระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว: แหล่งจ่ายไฟสำหรับอิเล็กโทรไลเซอร์กำลังสูงสร้างความร้อนจำนวนมาก ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวให้สมรรถนะด้านความร้อนที่เหนือกว่าระบบระบายความร้อนด้วยอากาศ ช่วยให้สามารถติดตั้งได้ในพื้นที่ที่กะทัดรัดยิ่งขึ้น ยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนให้นานขึ้น และป้องกันอุปกรณ์ได้อย่างสมบูรณ์จากสภาพแวดล้อมที่มีความชื้นสูงและมีสารเคมี ซึ่งพบได้ทั่วไปในโรงงานผลิตไฮโดรเจน

JYINS เป็นผู้บุกเบิกในการพัฒนาระบบแปลงพลังงานขั้นสูงและระบบจ่ายไฟกระแสตรง (DC) ที่มีกระแสสูงสำหรับการใช้งานด้านพลังงานสะอาดในภาคอุตสาหกรรม ระบบของเราได้รับการออกแบบตามมาตรฐานความปลอดภัยและประสิทธิภาพระดับสากลอย่างเคร่งครัด ซึ่งให้ประสิทธิภาพสูงเป็นอันดับต้นของอุตสาหกรรม คลื่นรบกวนกระแสไฟฟ้าต่ำมาก และการควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่มีความมั่นคงสูง โดยการเลือกใช้ผลิตภัณฑ์ของ JYINS ผู้พัฒนาไฮโดรเจนสีเขียวจะสามารถเพิ่มปริมาณการผลิตก๊าซให้สูงสุด ปกป้องแผ่นเซลล์อิเล็กโทรไลเซอร์อันมีค่าของตน และเร่งกระบวนการเปลี่ยนผ่านสู่อนาคตที่ยั่งยืนและปราศจากคาร์บอน