כיצד להבטיח זרם DC יעיל ויציב‏ עבור מימן ירוק

המעבר למימן ירוק מבטיח להפחית את רמת גזי החממה. אנרגיה ממקורות מתחדשים כמו מקור הידרואלקטרי, רוח ואנרגיה סולארית, בין אם מופקת מקומית או מועברת באמצעות רשת החשמל, חייבת להיות מומרת ביעילות לזרם ישר (DC) כדי לבצע אלקטרוליזה של מים. עבור מתכנני מערכת, אספקת רמות DC גבוהות ויציבות עם עיוותים הרמוניים נמוכים, צפיפות זרם גבוהה וגורמי הספק (PFs) טובים מהווה אתגר.

מאמר זה דן בעקרונות של מימן ירוק. אחר כך הוא מציג רכיבי הספק מבית Infineon Technologies‏ ומראה כיצד ניתן להשתמש בהם להמרת הכניסה ממקורות אנרגיה ידידותיים לסביבה ליציאות מתח חשמלי יציב עם המאפיינים הדרושים ליצירת מימן ירוק.

יצירת מימן על ידי אלקטרוליזה של מים

ניתן להפריד מימן ממים בתהליך של אלקטרוליזה. תוצר הלוואי של תהליך זה הוא חמצן. תהליך האלקטרוליזה דורש יישום של רמות גבוהות ויציבות של DC. תהליך זה מתרחש בתא אלקטרוליזה או מתקן אלקטרוליזה המכיל בדרך כלל אנודה (אלקטרודה חיובית) וקתודה (אלקטרודה שלילית) היכן שהראקציות האלקטרוכימית מתרחשות. אלקטרוליט נוזלי או מוצק עוטף את האלקטרודות ומוליך את היונים ביניהן. יתכן שיהיה צורך בזרז כדי להגדיל את קצב התגובה בהתאם לתהליך שבו נעשה שימוש. התא מופעל על ידי מקור DC רמה-גבוהה, יציב, או ספק-כוח (איור 1‏).

איור 1: תא אלקטרוליזה בסיסי מפריד את יסודות המימן והחמצן של המים. (מקור תמונה: Art Pini)

התא כולל גם מפריד (אינו מוצג בתרשים זה) כדי למנוע מהמימן והחמצן המיוצרים באלקטרודות להתערבב.

התהליך דורש רמות גבוהות של DC. בתנאים אידיאליים ללא אובדן אנרגיה, דרושה אנרגיה חשמלית מינימלית של 32.9 קילוואט שעה (kWh) כדי לבצע אלקטרוליזה של מספיק מולקולות מים ליצירת 1 קילוגרם (kg) מימן. זה ישתנה בהתאם ליעילות של תהליך האלקטרוליזה בה משתמשים.

שלושה תהליכים שונים נמצאים כיום בשימוש: אלקטרוליזת אלקליין (AEL), ממברנת החלפת פרוטונים (PEM) ואלקטרוליזה של תחמוצת מוצקה.

מתקני האלקטרוליזה המבוססים ביותר הם מתקני AEL, שמשתמשים בתמיסה בסיסית כגון אשלגן הידרוקסידי בין אלקטרודות המתכת. הם פחות יעילים מסוגים אחרים של מתקני אלקטרוליזה.

מתקני אלקטרוליזה PEM משתמשים באלקטרוליט פולימרי מוצק המשופר בזרזים של מתכת יקרה. הם מאופיינים ביעילות גבוהה יותר, זמני תגובה מהירים יותר ותכנים קומפקטיים.

תאי מתקן אלקטרוליזה תחמוצת מוצקה (SOECs) משתמשים בחומר קרמי‏ מוצק כאלקטרוליט. הם יכולים להיות יעילים מאוד אבל הם דורשים טמפרטורות עבודה גבוהות. זמני התגובה שלהם איטיים יותר משל מתקני אלקטרוליזה PEM.

השוואה בין המאפיינים של שלוש הטכניקות מוצגת באיור 2‏.

איור 2: השוואת המאפיינים של תהליכי ‏ה-AEL,‏ PEM ו-SOEC מדגישה את היעילות המשופרת של מתקני האלקטרוליזה החדשים יותר. (מקור תמונה: Infineon Technologies)

ייצור מימן ירוק עולה כיום יותר מאשר מימן מדלקים מאובנים. זה ניתן להיפוך על ידי שיפור הנצילות של הרכיבים הבדידים, כולל מתקני האלקטרוליזה ומערכות אספקת הכוח, והגדלת מפעלי ההמרה.

תצורות מערכות אספקת כוח עבור רשת חשמל ומקורות אספקת כוח ירוקים

כיום רוב המפעלים המייצרים מימן פועלים במנותק מרשת החשמל. מקור המתח של מתקן אלקטרוליזה הוא מיישר AC ל-DC המוזן משנאי קו. מפעלי אלקטרוליזה המופעלים מהרשת חייבים לעמוד בכל התקנים והקודים של הרשת, כגון השגת גורם הספק (PF) יחידה ושמירה על עיוותים הרמוניים נמוכים. מערכות אספקת כוח שונות נדרשות מכיוון שמקורות חשמל ירוקים משולבים בתהליך הפרדת המימן (איור 3‏).

איור 3: מפעלי אלקטרוליזה חייבים להמיר מתח מהמקור ל-DC עבור תאי האלקטרוליזה. (מקור תמונה: Infineon Technologies)

כמו רשת החשמל, מקורות חשמל מבוססי רוח הם AC‏, והפעלת תאי אלקטרוליזה מהם דורשת מיישר כדי להמיר את ה-AC ל-DC. אנרגיה סולארית ומקורות היברידיים המשתמשים בסוללות מסתמכים על ממירי DC/DC‏ כדי לשלוט על רמות ה-DC המפעילות את תאי האלקטרוליזה. תא האלקטרוליזה יכול גם להשתמש בממיר DC/DC מקומי ללא קשר למקור החשמל. תא האלקטרוליזה מייצג עומס DC קבוע. בשל שיקולי התיישנות בתוך תא האלקטרוליזה, על המתח המיושם לגדול לאורך חיי התא, כך שעל מערכת המרת המתח (PCS) להיות מסוגלת להתאים את עצמה לאותו תהליך. למערכות PCS, בין אם מחוברות למקור‏ AC‏ או‏ DC, יהיו כמה מפרטים משותפים.

על מתח היציאה שלהם להיות בתחום של 400‎ V_DC עד 1,500‎ V_DC. תאי אלקליין הם בעלי תחום מתח‏ מקסימלי של בערך ‎800 V‏. תאי PEM אינם מוגבלים כל כך ונעים בכיוון הקצה העליון של תחום המתח כדי להנמיך הפסדים ולהקטין עלויות. תחום הספק היציאה יכול להיות ‏20‏ קילו-וואט (kW‏‏) עד 30‏ מגה-וואט (MW‏). על אדוות הזרם מה-PCS להיות מתחת ל-5%, מפרט שעדיין השפעתו נחקרת על אורך חיי התא ויעילותו. תכני מיישרי PCS עבור מקורות רשת החשמל, במיוחד עבור עומסי הספק גבוהים יותר, חייבים לעמוד בדרישות העומסים הגדולים וה-PF של חברות החשמל.

המרת מתח עבור מקורות AC

מפעלי מימן המופעלים על ידי AC דורשים מיישר שעשוי להפעיל תא אלקטרוליזה באופן ישיר או עשוי להניע רשת DC המחוברת לתאים מרובים.

מיישר‏ מרובה-פולסים הוא בחירה נפוצה (איור 4‏). תכן מיישר זה, המבוסס על תיריסטור, הוא בעל נצילות גבוהה, אמין‏ ותומך בצפיפויות זרם גבוהות, ומשתמש במוליכים-למחצה בעלות נמוכה.

איור 4: מיישר‏ מרובה-פולסים מבוסס על תיריסטורים הוא בעל נצילות גבוהה, אמין, תומך בצפיפויות זרם גבוהות, ומשתמש במוליכים-למחצה בעלות נמוכה. מוצג יישום של 12 פולסים. (מקור תמונה: Infineon Technologies)

ממירים מבוססים על תיריסטור, מרובי-פולסים, הם טכנולוגיה מבוססת ידועה היטב. מיישר תיריסטור 12‏ פולסים המוצג באיור 4‏ מורכב משנאי תדר הספק Wye-Delta-Wye עם שני ליפופים שניוניים מתח-נמוך. הליפופים השניוניים דוחפים שני מיישרי תיריסטור שישה-פולסים עם היציאות שלהם מחוברות במקביל. אם מיישר זה מפעיל מכשיר אלקטרוליזה באופן ישיר, זווית הירי של התיריסטור שולטת במתח היציאה ובזרם הזורם לתוכו. זווית הירי יכולה לשמש גם לשמירה על הזרם במערכת עם התיישנות מכשיר האלקטרוליזה והגידול במתח הדרוש עבור אוסף התאים. השנאי עשוי לכלול גם on-load tap changer‏ (OLTC). ה-OLTC משנה את יחס ליפופי השנאי על ידי מיתוג בין נקודות גישה מרובות או מסעפים על אחד הליפופים, כדי להעלות או להנמיך את המתח המסופק למיישר.

Infineon Technologies‏ מציעה‏ מגוון רחב של‏ אפשרויות רכיבי מוליכים-למחצה למתכנני PCS. מיישרי תיריסטור משמשים בדרך כלל עבור יישומי מקור AC אלה. לדוגמה, ה-T3800N18TOFVTXPSA1‏ הוא‏ תיריסטור בדיד באריזת דיסק TO-200AE להרכבה על שלדה המדורג לטפל ב-‎1800 V בזרם מצב-מופעל של ‎5970 A_rms. מארז הדיסק מציע צפיפות הספק מוגדלת הודות לתכנון הקירור הדו-צדדי שלו.

ניתן לשפר את תכן המיישר הבסיסי על ידי הוספת ממירי Buck כקוצצים לאחר יישור ביציאת המיישר. הוספת דרגת הקוצץ משפרת את השליטה בתהליך על ידי התאמת מחזור הפעולה (duty cycle) של הקוצץ במקום זווית היריה של התיריסטור (איור 5‏). זה מקטין את התחום הדינמי הדרוש עבור התיריסטור, מאפשר מיטוב של התהליך.

איור 5‏: קוצץ אחר-יישור מקטין עיוותי זרם ומשפר את ה-PF. (מקור תמונה: Infineon Technologies)

יישום קוצץ אחר-יישור תוך שימוש בטרנזיסטורים ביפולריים שער מבודד‏ (IGBTs) מונע את הצורך בשנאי OLTC, מקטין עיוותי זרם ומשפר את ה-PF.

ה-FD450R12KE4PHOSA1 של Infineon Technologies הוא מודול קוצץ‏‏ IGBT‏ המיועד עבור יישומים אלו. הוא מדורג למתח מקסימלי של ‎1200 V וזרם קולקטור מקסימלי של 450‎ A‏, ומגיע‏ במודול סטנדרטי מסדרת-C של 62 מילימטר (mm).

מעגלי יישור מתקדמים יותר כוללים מיישרים אקטיביים מבוססי-IGBT. מיישרים אקטיביים מחליפים דיודות או תיריסטורים עם רכיבי IGBT, שהבקר מדליק ומכבה בזמנים מתאימים דרך דוחף שער (איור 6‏).

איור 6: מיישר אקטיבי מחליף את הדיודות או התיריסטורים במעגל המיישר ברכיבי IGBT, שממותגים על ידי בקר דוחף שער. (מקור תמונה: Infineon Technologies)

שלא כמו מיישר מסורתי, שמייצר זרמי קו לא סינוסואידליים, למיישר אקטיבי יש משרן בטור עם רכיבי ה-IGBT השומר על זרם הקו סינוסואידלי ומקטין הרמוניות. האימפדנס‏ של ה-IGBT‏ כשהוא מוליך הוא‏ נמוך מאוד, דבר שמפחית הפסדי הולכה ומשפר נצילות בהשוואה למיישר‏ סטנדרטי. בקר‏ מיישר אקטיבי שומר על PF יחידה, כך שאין צורך בהתקני תיקון גורם הספק (PFC) חיצוניים.‏ הוא גם פועל בתדרי מיתוג גבוהים יותר, והתוצאה היא רכיבים פסיביים ומסננים קטנים יותר.

ה-FF1700XTR17IE5DBPSA1 משלב רכיבי IGBT כפולים בתצורה של‏ חצי-גשר במארז מודולרי +‏PrimePACK 3. הוא מדורג לטפל ב-‎1700 V עם זרם קולקטור מקסימלי של ‏‎1700 A. המעגל המוצג באיור 6 ישתמש בשלושה מודולים כאלה.

דוחף שער‏ IGBT‏ כמו ה-1ED3124MU12HXUMA1 מפעיל ומכבה זוג IGBT‏ יחיד. דוחף השער מבודד גלוונית תוך שימוש בטכנולוגיית שנאי ללא-ליבה. הוא‏ תואם עם רכיבי IGBT בעלי דירוגי מתח מ-600 עד ‎2300 V, ויש לו זרם יציאה אופייני של ‎14 A בפיני Source ו-Sink נפרדים. פיני הכניסה הלוגיים פועלים בתחום מתחי כניסה רחב מ-3 עד ‎15 V‏ תוך שימוש ברמות סף CMOS‏ כדי לתמוך במיקרו-בקרי ‎3.3 V.

המרת מתח עבור מקורות DC‏

הפרדת מימן על ידי שימוש במקורות מתח DC כגון אנרגיה פוטו-וולטאית ומערכות היברידיות מבוססות-סוללה דורשת ממירי DC/DC. כמצוין מקודם, ממירים אלה יכולים לשפר את הביצועים של מיישרי‏ דיודות/תיריסטורים. הם גם מאפשרים את המיטוב של רשתות DC‏ מקומיות עבור גמישות מפעל.

ממיר ה-Buck‏ מרובה הפאזות (Interleaved) משתמש במודולי קוצץ חצי-גשר במקביל לשינוי רמת ה-DC‏ מהכניסה ליציאה (איור 7‏).

איור 7: ממיר Buck‏ מרובה פאזות (Interleaved)‏ מקטין את רמת הכניסה DC,‏ V_DC1, לרמת היציאה V_DC2. (מקור תמונה: Infineon Technologies)

עם בקרת Interleave מתאימה, טופולוגיית ממיר DC/DC‏ זו מפחיתה באופן משמעותי אדוות DC מבלי להגדיל את גודל המשרנים או את תדר המיתוג. כל שלב ביישום ניתן למימוש עם מודול מתאים. ה-FF800R12KE7HPSA1‏ הוא מודול‏ IGBT‏ 62 מ"מ חצי-גשר המתאים לממיר DC/DC בטופולוגיית Buck‏. הוא מדורג למתח מקסימלי של ‎1200 V ותומך בזרם קולקטור מקסימלי של ‎800 A.

ממיר הגשר האקטיבי הכפול (DAB) הוא‏ חלופה לממיר ה-Buck‏ (איור 8‏).

איור 8‏: ממיר DAB מבצע ירידת מתח ומספק בידוד גלווני בין כניסה ליציאה. (מקור תמונה: Infineon Technologies)

ממיר ה-DAB משתמש בשנאי תדר-גבוה לצימוד מעגלי הגשר-המלא כניסה ויציאה כדי לספק בידוד גלווני. בידוד כזה מועיל לעתים קרובות כדי למזער קורוזיה של המיכל והאלקטרודות של תא מתקן אלקטרוליזה. מעגלים זהים של גשר-מלא נדחפים באמצעות גלים מרובעים משלימים. יחסי הפאזות של‏ אותות הדחיפה בין הצד הראשוני והשניוני קובע את כיוון זרימת החשמל. נוסף לכך, ממיר ה-DAB ממזער הפסדי מיתוג על ידי שימוש במיתוג מתח-אפס של רכיבי ה-IGBT. המעגל יכול להיות מיוצר עם חצי-גשר IGBT או מודולי סיליקון קרביד (SiC) ‏MOSFET.

סיכום

ככל שהביקוש העולמי למקורות אנרגיה נקייה ממשיך לגדול, חשיבותה של הפרדת מימן ירוק המבוססת על מקורות אנרגיה מתחדשים תגדל. מקורות כאלה דורשים מתח DC יעיל, אמין ויציב במיוחד. מתכננים יכולים לפנות אל סל המוצרים הנרחב של מוליכים-למחצה מתח-גבוה וזרם-גבוה מבית Infineon Technologies‏ עבור רכיבי המרת המתח הדרושים.