Neuartige Gleichrichtersysteme für die Wasserelektrolyse

Abstract

Die Wasserelektrolyse stellt als Speichertechnologie einen wichtigen Baustein zur Verstetigung volatiler regenerativer elektrischer Energiequellen wie Photovoltaik oder Windenergie dar. Großes Potential bringt die Erzeugung von Wasserstoff für eine Sektorenkopplung verschiedener Wirtschafts- bzw. Industriezweige bezüglich deren Bedarf chemischer Energieträger, der bisher aus fossilen Quellen bedient wird. Unter Voraussetzung einer angestrebten Integration von Wasserelektrolysesystemen in bestehende Infrastruktur, werden geeignete Gleichrichtersysteme benötigt, welche eine effiziente Elektrolyse-Prozessführung ermöglichen und sich günstig in das bestehende Wechsel- bzw. Drehspannungsnetz einfügen und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Die Anforderungen des Netzes für Gleichrichter ergeben sich aus Richtlinien zum Betrieb von Bezugs- bzw. Erzeugungsanlagen an das Mittelspannungsnetz und deren zu erwartende Entwicklung. Neben Anforderungen, welche für alle betrachteten Gleichrichtervarianten als konstruktiv und regelungstechnisch erfüllbar einzustufen sind, wie z.B. kurzzeitige Spannungseinbrüche oder Flicker, ergeben sich als Topologie-spezifische Eigenschaften der Grundschwingungsleistungsfaktor und die harmonische Stromverzerrung, mit denen die Netzbelastung bewertet werden kann. Bezüglich des Elektrolyse-Prozesses muss zunächst die Wechselwirkung von Prozess und Gleichrichter abgebildet werden. Dazu wird ausgehend von der chemischen Reaktion zur Aufspaltung von Wassermolekülen und dessen Nutzbarmachung im Elektrolyseur das elektrische Verhalten abgeleitet. Eine hierfür ausreichende Beschreibung ist durch ein RC-Doppelschichtmodell mit serieller Spannungsquelle gegeben, aus dessen ohmsch-kapazitivem Verhalten auf eine hohe Sensitivität gegenüber Spannungsschwankungen geschlossen werden kann. Darauf aufbauend werden Anforderungen an Qualität bzw. Welligkeit des dem Elektrolyseur zuzuführenden Gleichstroms abgeleitet. Durch Auswertung von Prozessuntersuchungen wird eine anzustrebende maximale Welligkeit definiert, welche geringen Energiebedarf und hohe Gasqualität bzw. Reinheit des produzierten Wasserstoffs gewährleistet. Um Gleichrichtersysteme auf Eignung zur Erfüllung der abgeleiteten Anforderungen untersuchen zu können, wird der Stand der Technik steuerbarer Hochstromgleichrichter, ausgehend von der sechspulsigen Thyristor-basierten Brückenschaltung als einfachstem Gleichrichter mit symmetrischer Netzbelastung, analysiert. Darauf aufbauend werden Varianten mit erhöhter Pulszahl, sowie zusätzlichen seriellen Wechsel- und Gleichspannungsstellern betrachtet. Im Kontext volatiler Energiequellen wird für Elektrolysesysteme ein Teillastbetrieb gefordert, bei dem die konventionellen Hochstromgleichrichter Netz- und Prozessanforderungen nicht ohne Zusatzaufwand erfüllen können. Entsprechend werden zusätzlich selbstgeführte Gleichrichter und bestehende Hybridkonzepte zur Kombination von Thyristor-basierten netzgeführten Gleichrichtern mit selbstgeführten Gleichrichtern vorgestellt. Diese versprechen aufgrund der Eigenschaft von selbstgeführten Gleichrichtern, Netz- und Ausgangsstrom weitestgehend frei einstellen zu können, bessere Ergebnisse bei der Erfüllung von Netz- und Prozessanforderungen. Da bestehende Gleichrichtersysteme nur bedingt in der Lage sind, Netz- und Prozessanforderungen über einen weiten Betriebsbereich bei hohem Wirkungsgrad in der angestrebten Anwendung zu erfüllen, werden neue Hybridgleichrichterkonzepte vorgestellt, welche auf die Elektrolyse-Anwendung mit ihren hohen Strömen bei vergleichsweise geringen Spannungen angepasst sind. Kern bildet hier die parallele Anordnung sechs- oder höherpulsiger Thyristor-basierter Gleichrichter mit gleichstromseitig parallelgeschalteten ein- oder mehrstufigen selbstgeführten Gleichrichtern, wodurch eine konstante Momentanleistungsübertragung erreicht werden kann. Die wechselspannungsseitige Kopplung erfolgt über zusätzliche Wicklungsgruppen im aus Sicherheitsgründen geforderten Trenntransformator. Ergänzt ist eine Hybrid-Gleichrichtervariante, welche die Sicherheitsanforderungen einer Wasserstoffprozessierung auf Erd-Potential ohne Trenntransformator ermöglicht. Zum Vergleich verschiedener Gleichrichtersysteme ist eine Simulationsmethodik entwickelt worden, die mit Hilfe von Datenblattwerten einzusetzender Komponenten parametrierbar ist und damit bereits im Entwurfsprozess von Gleichrichtersystemen zum Einsatz kommen kann. Die Genauigkeit der mit der Simulationsmethodik gewonnenen Ergebnisse wird anhand der zur Funktionsüberprüfung der neuen Hybridgleichrichter entworfenen 10 kW-Gleichrichter-Demonstratoren nachgewiesen. Im Ergebnis zeigt sich, dass Hybrid-Gleichrichter netz- und prozessseitige Anforderungen über weite Betriebsbereiche im Gegensatz zu nur thyristorbasierten Gleichrichtern erfüllen; der Wirkungsgrad dabei jedoch im Gegensatz zu vollständig selbstgeführten Gleichrichtersystemen nur geringfügig abfällt.