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Um Elektrolyseure im industriellen Maßstab kosteneffizient zu betreiben, ist eine zuverlässige Stromversorgung unverzichtbar. Die Versorgung muss jederzeit stabil sein. Gleichzeitig müssen spezifische Erfordernisse des Betreibers erfüllt werden. Hierzu zählen etwa der verfügbare Platz und die Einbindung in bestehende Automatisierungs- und Steuerungssysteme, aber auch Anforderungen auf der Netzseite wie die Begrenzung von Verlustleistungen oder Oberschwingungen. Ob öffentliches Stromnetz, erneuerbare Energiequellen wie Solarenergie und Windkraft oder Energiespeichersysteme: Strom aus jeder Quelle muss zur Versorgung von Elektrolyseuren in die von der Anlage benötigte Form umgewandelt werden. Für diese Aufgabe kommen Stromrichter zum Einsatz. Sich mit der richtigen Auswahl des Stromrichters zu beschäftigen, lohnt sich. Denn das größte Sparpotenzial bei der Wasserstoffproduktion liegt für Betreiber in der Stromversorgung. ABB ist mit umfangreicher Expertise und einem breiten Produktportfolio in der Lage, projektindividuelle Lösungen anzubieten, die Transformator, Gleichrichter sowie Kompensations- und Filtereinrichtungen umfassen. Mit den Systemlösungen für die Wasserstoffwirtschaft erhalten Betreiber bei der Elektrolyse ein Rundum-sorglos-Paket, das über den gesamten Lebenszyklus der Anlage hinweg sicherstellt, dass Dekarbonisierung und Kosteneffizienz Hand in Hand gehen.
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Stromversorgung für Elektrolyseure
Grundsätzlich stehen für die Stromversorgung von Elektrolyseuren drei verschiedene Stromrichtertechnologien zur Verfügung:
- Dioden-basierte Stromrichter nutzen Halbleiterdioden, um den Stromfluss in eine Richtung zu lenken. Die DC-Spannung ist aber ohne zusätzliche Maßnahmen nicht steuerbar.
- Stromrichter auf IGBT-Basis (Insulated Gate Bipolar Transistor) sind steuerbar. Von den drei Varianten haben sie die höchste Verlustleistung. In Hinblick auf Oberschwingungen (Total Harmonic Distortions, THDi) und Leistungsfaktor sind sie jedoch eine sehr gute Lösung.
- Thyristor-basierte Stromrichter zeichnen sich neben ihrer Robustheit und Verfügbarkeit durch hohe Effizienz aus. Ihre Verlustleistung ist von allen Stromrichter-Varianten am geringsten, auch ihr Platzbedarf ist klein. Ihre im Vergleich schlechteren THDi-Werte und der ungünstigere Leistungsfaktor können sehr gut in der Anlagenkonfiguration ausgeglichen werden.
Faktoren bei der Auswahl
Welche Stromrichtertechnologie für die gewünschte Anwendung geeignet ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Folgende Aspekte müssen Betreiber berücksichtigen:
- Blindleistung ist die elektrische Leistung, die bei Stromnetzsystemen ins Netz zurückfließt. Sie verrichtet keine nutzbare Arbeit, verbraucht aber Kapazität des elektrischen Systems.
- Verlustleistung bezieht sich auf die elektrische Leistung, die innerhalb des Stromrichters verloren geht. Sie entsteht vor allem durch Leitungsverluste, Schaltverluste und Durchlassverluste.
- Oberschwingungen entstehen durch nicht-lineare Lasten bei der Modellierung der Frequenz durch den Stromrichter. Netzbetreiber legen oft tolerierbare Oberschwingungspegel fest, bei deren Überschreitung eine Anlage unter Umständen nicht weiter betrieben werden darf.
Auch der Platzbedarf kann ein Kriterium für die Wahl der eingesetzten Leistungselektronik sein. Thyristor-Systeme benötigen typischerweise weniger Platz für den Aufbau als IGBT-Stromrichter. Die Auslegung der Anlage sollte möglichst exakt auf die geforderte Leistung und den erwarteten Lebenszyklus abgestimmt werden. Besonders den EOL-Betriebspunkt sollten Betreiber sorgfältig wählen. Für die nahtlose Einbindung in den Gesamtbetrieb sollten Anwender Systeme wählen, die die hohen Anforderungen der chemischen Industrie an Kommunikation, Steuerung und Überwachung erfüllen. Und nicht zuletzt muss zu jeder Zeit ein sicherer Betrieb gewährleistet sein, da ungeplante Stillstände hohe Kosten nach sich ziehen können.
Unterschiede der Technologien
Die Unterschiede der verschiedenen zur Verfügung stehenden Technologien für die Stromversorgung in der Wasserstofferzeugung lassen sich am besten an einem beispielhaften Vergleich zwischen Thyristor- und IGBT-Anlagen illustrieren. Thyristor-Systeme bieten hohe Wirkungsgrade. IGBT-Stromrichter lassen sich einfach installieren, benötigen aber mehr Platz.
Der Vorteil von Stromrichtern auf Thyristor-Basis kommt besonders dann zum Tragen, wenn bestehende Produktionsstandorte mit einem Elektrolyseur zur lokalen Wasserstoffproduktion ausgerüstet werden sollen. Dort ist die Installation einer Thyristor-Anlage im geschlossenen Gebäude typischerweise problemlos machbar. Mit entsprechender Konfiguration können diese auf die geforderten THDi-Werte abgestimmt werden.
IGBT-Stromrichter weisen im Vergleich höhere Leistungsfaktoren von bis zu 1,0 auf. Nachteilig wirkt sich ihr Wirkungsgrad von etwa 98 % aus. Werden Dioden plus DC/DC-Wandler eingesetzt, kann der Wirkungsgrad auf 97 % sinken. IGBT-Systeme punkten dagegen mit sehr niedrigen THDi-Werten von 3 % ohne weitere Installationsmaßnahmen. Die Höhe der AC-Spannung wird zunächst von der DC-Spannungskurve (BOL/EOL) des Elektrolyse-Stacks definiert. Die DC-Spannungskurve ergibt sich aus der Anzahl der Zellen. Durch die Abnutzung von Anode und Kathode im Verlauf des Lebenszyklus (BOL/EOL) kann mithilfe eines Tap Changers die erforderliche höhere primäre Spannung angelegt werden.
Hybride Lösung hat Vorteile
Aufgrund der vielfältigen Variablen und Bedürfnisse der Betreiber ist es unmöglich, die eine Lösung zu entwickeln, die die Bedarfe jedes Betreibers gleichermaßen deckt. Vielmehr geht es bei der Stromversorgung für Elektrolyseure zur Wasserstofferzeugung darum, für jeden Anwendungsfall die richtige Balance zu finden. Diese Balance lässt sich oft am einfachsten erreichen, indem sich Betreiber nicht für eine der verfügbaren Technologien entscheiden, sondern für beide. Ein hybrides Lösungskonzept besteht dabei aus einer Kombination aus IGBT- und Thyristor-basierten Stromrichtermodulen. Mit diesem Aufbau erreichen Anwender hohe Leistungsfaktoren, eine verbesserte Systemeffizienz und erhebliche Optimierungspotenziale.
Eine Simulationsstudie von ABB für einen Aufbau mit 200 MW Leistung hat reine Thyristor- und IGBT-Stromrichter mit einer Hybridlösung verglichen. Dabei wurden die energiebezogenen Lebenszykluskosten jeder Variante berechnet – mit eindeutigem Ergebnis: Während die Kosten des IGBT-Stromrichters jene der Thyristor-Lösung übertrafen, erwies sich die Hybridlösung mit Abstand als kosteneffizienteste Variante. Die Kombination beider Technologien ermöglicht es Betreibern, die bestmögliche Balance zwischen Investitions- und Betriebskosten zu erzielen. Sie bietet eine effektive Reduzierung von Oberschwingungen, einen hohen Leistungsfaktor und eine sehr gute Gesamteffizienz.
ABB AG, Ladenburg
Halle 11.1, Stand E62
Autor: Frank Jüngst
Sales & Business Development Manager, Global Hydrogen Product Group,
ABB Motion
