الزامات منبع تغذیه برای سیستم انرژی هیدروژنی

1.مقدمه

باتوجه گرمایش زمین و پدیده‌های شدید اقلیمی، مسئله کاهش انتشار کربن به صفر (net-zero carbon emissions) مورد توجه بسیار از کشورها قرار گرفته است و یک هدف برای آنها تلقی میشود. انرژی هیدروژنی در میان راه‌حل‌های جایگزین با انرژی فسیلی، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. دلیل اصلی این توجه این است که انرژی هیدروژنی سبز، هیچ گاز کربنی منتشر نمیکند. این امر سبب ایجاد فرصت‌های کاربردی زیادی در زمینه انرژی‌های تجدید پذیر، صنعت و حمل و نقل میشود. انرژی هیدروژنی، یکی از راه‌حل های اصلی و کلیدی مسائل مربوط به انرژی محسوب میشود.

2.معرفی انواع هیدروژن

اتم‌های هیدروژن در ترکیبات معمولی مانند آب، متان و اتانول میتوان یافت. در حال حاضر، برای تولید هیدروژن از دو فناوری استفاده میکنند: الکترولیز و ریفرمینگ بخار. با در نظر گرفتن روش تولید هیدروژن و میزان انتشار کربن، میتوان هیدروژن را به سه دسته هیدروژن خاکستری، آبی و سبز تقسیم کرد.

• هیدروژن خاکستری: رایج‌ترین روش تولید هیدروژن، به روش هیدروژن خاکستری است. مواد اولیه تولید این روش، شامل سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی هستند. این روش هزینه پایینی دارد اما میزان قابل توجهی دی‌اکسید کربن تولید می‌کند.
• هیدروژن آبی: مشابه هیدروژن خاکستری از سوخت‌های فسیلی برای تولید هیدروژن استفاده می‌کند اما با فرآیندهای جذب کربن که دی‌اکسید کربن تولید شده را جذب و ذخیره می‌کند، میزان انتشار کربن را کاهش می‌دهد.
• هیدروژن سبز: از انرژی تجدیدپذیر برای الکترولیز آب استفاده می‌کند و هیدروژن با تقریباً هیچ انتشار کربنی تولید می‌شود. بنابراین، این روش زیست‌محیطی‌ترین روش تولید هیدروژن است.

۳. معرفی الکترولیز هیدروژن و سلول سوختی

رشته انرژی هیدروژنی به دو دسته

• تولید هیدروژن از طریق الکترولیز و
• کاربردهای سلول سوختی

تقسیم می‌شود. در ادامه به بررسی تکنولوژی‌های رایجی که برای تولید هیدروژن از طریق الکترولیز بکار میرود را برسی میکنیم:

1. الکترولیز غشاء الکترولیت پلیمری (PEM-EL): از یک غشاء پلیمری اسیدی جامد به عنوان الکترولیت استفاده می‌کند. آب در آند به یون‌های هیدروژن و اکسیژن الکترولیز می‌شود و الکترون‌ها را آزاد می‌کند. یون‌های هیدروژن از طریق غشاء تبادل پروتون به کاتد مهاجرت کرده و با الکترون‌ها ترکیب می‌شوند تا گاز هیدروژن تولید شود. این فناوری به دلیل ویژگی چگالی جریان بالا دارای بازده خوبی در قسمت الکترولیز است. محدوده ولتاژ سلول PEM الکترولیز بین 1.8 ولت و 2.5 ولت است.
2. الکترولیز قلیایی (A-EL): از هیدروکسید پتاسیم به عنوان الکترولیت استفاده می‌کند. یون‌های هیدروکسید از طریق غشای رسانا متخلخل به سمت آند حرکت می‌کنند؛ سپس در آنجا واکنش اکسیداسیون شکل میگیرد؛ در نتیجه الکترون آزاد شده و اکسیژن تولید شود. در کاتد، آب به یون‌های هیدروژن و هیدروکسید الکترولیز شده و با الکترون های آزاد شده واکنش میدهند تا هیدروژن تولید شود. در حال حاضر، این روش عمدتاً در سیستم‌های بزرگ تولید هیدروژن الکترولیزی استفاده می‌شود. محدوده ولتاژ سلول AEL الکترولیز بین 1.4 ولت و 3.0 ولت است.
3. الکترولیز غشاء تبادل آنیونی (AEM-EL): این واکنش مزیت‌ هزینه پایین AEL و سادگی و کارایی PEM را در بر میگیرد. از کاتالیزورهای غیر نجیب و قطعات بدون تیتانیوم استفاده می‌شود و می‌تواند تحت اختلاف فشار مانند PEM کار کند. از ویژگی‌های منفی AEM می‌توان به هدایت پایین، سرعت کاتالیز کند و ساختار الکترود ضعیف آن اشاره کرد که عملکرد AEM را تحت تاثیر قرار می‌دهد. محدوده ولتاژ سلول AEM الکترولیز بین 1.4 ولت و 2.0 ولت است.
4. الکترولیز اکسید جامد (HT-EL): از مواد سرامیکی که یون‌های اکسیژن را هدایت می‌کنند به عنوان الکترولیت استفاده می‌کند. آب به شکل بخار وارد الکترولیز می‌شود و در کاتد به یون‌های هیدروژن و یون‌های اکسیژن الکترولیز می‌شود. یون‌های هیدروژن الکترون‌های هدایت شده توسط مدار خارجی را قبول می‌کنند و سپس هیدروژن تولید می‌شود. این روش الکترولیز در محیطی با دمای بالا (700 تا 1000 درجه سانتی‌گراد) عمل می‌کند. محدوده ولتاژ سلول HT-EL بین 1.0 ولت و 1.5 ولت است.

در حال حاضر، ماژول‌های پشته الکترولیتی بیشتر سفارشی شده‌اند و به سمت توسعه توان‌های بیشتر حرکت می‌کنند. شکل ۱ نمودار ساختاری یک پشته الکترولیتی را نشان می‌دهد. به عنوان مثال، ولتاژ هر سلول ۲ ولت است و ۴۸ سلول به صورت سری به هم متصل شده‌اند تا یک پشته ۹۶ ولتی ایجاد کنند که به این معنی است که برای الکترولیز به یک منبع تغذیه DC 96 ولت نیاز است. بنابراین، هرچه طول پشته بیشتر باشد، ولتاژ بالاتری نیاز است. تعداد بیشتری از پشته‌ها به صورت موازی و سطح مقطع بزرگتر نشان می‌دهد که الکترولیز هیدروژن به جریان الکتریکی بالاتری نیاز دارد.

نمودار ساختار یک پشته الکترولیت

هیدروژن تولید شده از طریق الکترولیز یا از طریق مخازن ذخیره هیدروژن یا خطوط لوله به سایت‌های مختلف کاربردی منتقل می‌شود. در حال حاضر، بیشترین کاربرد هیدروژن، در سلول‌های سوختی است. پشته سلول سوختی از صفحات و غشاهای متعددی تشکیل شده است. پس از افزودن هیدروژن و اکسیژن به سلول سوختی، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. سلول سوختی معمولاً ولتاژی در حدود 1 ولت تولید می‌کند. قرار دادن این سلول‌ها به صورت سری، ولتاژ قابل بالاتری ایجاد می‌کند. در حال حاضر، پشته‌های سلول سوختی گوناگونی متناسب با کاربردهای مختلف تولید شده‌اند. سلول‌های سوختی دارای انواع زیادی نظیر سلول سوختی اسید فسفریک (PAFC)، سلول سوختی کربنات مذاب (MCFC)، سلول سوختی قلیایی (AFC) و سلول غشاء تبادل پروتون (PEM) هستند.

شکل ۲ نمودار پلاریزاسیون سلول سوختی را نشان می‌دهد. با افزایش جریان، اولین افت ولتاژ نشان‌دهنده عبور از قسمت فعال‌سازی سلول است. قسمت دوم نشان‌دهنده افت ولتاژ ناشی از مقاومت داخلی است. قسمت سوم نشان‌دهنده افت ولتاژ به دلیل تحویل گاز یا کاهش غلظت است. جدول ۱ مقایسه‌ای از مشخصات پشته‌های سلول سوختی از تولیدکنندگان مختلف را نشان می‌دهد. ویژگی یک پشته سلول سوختی این است که ولتاژ با افزایش جریان عملیاتی کاهش می‌یابد. تعداد بیشتر پشته‌ها در یک سلول سوختی به معنای خروجی توان بالاتر سلول سوختی است.

نمودار بررسی ولتاژ و جریان کارایی یک پشته الکترولیتی تولید هیدروژن

۴. سیستم‌های انرژی هیدروژنی و الزامات منابع تغذیه

شکل 3 یک سیستم هیدروژنی و الزامات تغذیه آن را نشان میدهد که میتوان آن را به دو بخش تقسیم کرد : منابع تغذیه الکترولیز و منابع تغذیه سلول سوختی. منابع تغذیه الکترولیز انرژی الکتریکی را توسط مبدل‌های AC-DC متصل به شبکه، مبدل‌های AC-DC توربین بادی، مبدل‌های DC-DC خورشیدی و مبدل‌های DC-DC  باتری برای الکترولیز هیدروژن تبدیل میکنند. پس از تولید برق توسط سلول سوختی، آن می‌تواند از طریق مبدل DC-DC یا اینورتر DC-AC به بار انتقال داد

در انتخاب منابع تغذیه الکترولیز، نیاز به عملکرد جریان ثابت و کنترل جریان برنامه‌ریزی شده است. در انتخاب منابع تغذیه سلول سوختی، محدوده ولتاژ ورودی وسیع و توان خروجی بالا مورد نیاز است و باید توجه داشت که ولتاژ سلول سوختی به مرور و افزایش عمر سلول، افزایش می‌یابد.

سیستم انرژی هیدروژنی و الزامات منابع تغذیه

شرکت MEAN WELL با بهره‌گیری از فناوری‌های پیشرفته خود، منابع تغذیه‌ای را طراحی کرده است که می‌توانند در سیستم‌های انرژی هیدروژنی به کار گرفته شوند. ویژگی منابع تغذیه MEAN WELL این است که تنها با تهیه یک مدل میتوان به سطوح مختلف ولتاژ متعدد در بازه وسیع دسترسی یافت. این ویژگی سبب تطبیق با بسیاری از کاربردهای بازار می‌شود. کاربران از طریق قابلیت های برنامه ریزی ولتاژ خروجی (PV) و برنامه ریزی جریان خروجی (PC) ولتاژ و جریان منبع تغذیه را از طرق پروتکل‌های ارتباطی و ولتاژ خارجی برنامه ریزی کنند. برای انتخاب منابع تغذیه تولید هیدروژن الکترولیتی می‌توان به دو دسته منابع تغذیه ماژولار و منابع تغذیه سیستم مرکزی مراجعه کرد. شکل ۴ منابع تغذیه ماژولار مورد استفاده در تولید هیدروژن الکترولیزی را نشان می‌دهد. با استفاده از محصولات منابع تغذیه سری DPU-3200 و سری PHP-3500 شرکت MEAN WELL به عنوان مثال، میتوان از یک منبع تغذیه واحد برای یک مخزن الکترولیتی استفاده کرد تا یک ماژول تشکیل شود. منابع تغذیه ماژولار انعطاف‌پذیری بیشتری را فراهم می‌کنند و به کاربران این امکان را می‌دهند که بر اساس نیازهای توان سیستم یا پیکربندی، چندین ماژول مستقل یا چندین ماژول موازی برای تولید هیدروژن الکترولیزی با توان بالا انتخاب کنند.

استفاده از منابع تغذیه ماژولار برای الکرولیزه کردن هیدروژن

شکل ۵ کاربردهای منابع تغذیه سیستم مرکزی برای تولید هیدروژن الکترولیزی را نشان می‌دهد. به عنوان مثال میتوان  از منابع تغذیه سری NCP-3200 و سری SHP-30K ،به عنوان دو راه حل جداگانه برای این کار انتخاب کرد:

ورودی AC تک‌فاز و ورودی AC سه‌فاز:

1) ورودی AC تک‌فاز ← سری NCP-3200 + قفسه DHP-1UT-B(HV) + کنترلر CMU2 + کابینت رک.

2) ورودی AC سه‌فاز ← سری SHP-30K + کنترلر CMU2 + کابینت رک.

پیکربندی سیستم مرکزی (3+N) شرکت MEAN WELL می‌تواند تا 300 کیلووات توان ارائه دهد. همچنین می‌توان چندین منبع تغذیه سیستم مرکزی را بر اساس نیاز کارخانه‌ها پیکربندی کرد تا تولید هیدروژن الکترولیزی با توان بالا محقق شود. جدول ۲ راه‌حل‌های منابع تغذیه AC-DC شرکت MEAN WELL برای تولید هیدروژن الکترولیزی را نشان می‌دهد.

کاربرد منبع تغذیه های مرکزی در الکترولیزه کردن هیدروژن

ایده ها و راحل های مین ول برای منبع تغذیه الکترولایز هیدزوژن

شکل ۶ مثالی از کنترل منابع تغذیه برای الکترولیز هیدروژن را نشان می‌دهد. منابع تغذیه سیستم مرکزی (3+N) شرکت MEAN WELL برای انجام الکترولیز هیدروژن با پشته‌ها استفاده می‌شوند. در طول فرآیند اولیه الکترولیز، جریان منابع تغذیه سیستم بر اساس مقاومت داخلی و واکنش گاز مخزن الکترولیتی تنظیم می‌شود. جریان منابع تغذیه از جریان کم به جریان بالا در طول زمان تغییر می‌کند تا الکترولیز انجام شود.

مزیت منابع تغذیه سیستم شرکت MEAN WELL این است که جریان خروجی قابل تنظیم (PC) در بازه وسیع، از ۲۰٪ تا ۱۰۰٪ جریان نامی قابل تنظیم است. بنابراین، کنترلر سیستم می‌تواند از طریق پروتکل، منابع تغذیه سیستم MEAN WELL را برای انجام الکترولیز در سطح جریان پایین کنترل کند. در طول فرآیند الکترولیز، کنترلر سیستم هر زمان پارامترهای گاز و جریان خروجی و ولتاژ خروجی منابع تغذیه را در حلقه کنترل سیستم تشخیص می‌دهد و سپس کنترلر سیستم می‌تواند از طریق پروتکل ارتباطی، جریان و ولتاژ منابع تغذیه سیستم MEAN WELL را کنترل کند تا به بهترین بازدهی الکترولیز دست برسد.

مثالی از کنترل منبع تغذیه الکترولایز هیدروژن

در شکل ۷ یک مثال از منابع تغذیه سلول سوختی نشان داده شده است. پشته سلول سوختی دارای محدوده ولتاژ وسیعی اند و محدوده ولتاژ پشته‌های سلول سوختی بین طراحی‌های مختلف تولیدکنندگان متفاوت است. بنابراین، با استفاده از سری کانورترهای DC-DC با محدوده ولتاژ وسیع MEAN WELL، مانند سری DDRH، انرژی تولید شده توسط سلول سوختی از طریق مبدل DC-DC با ولتاژ ورودی بالا سری DDRH به ولتاژ پایین تبدیل می‌شود و به بارهای مختلفی از جمله فن‌ها، موتورها DC، کنترلرها و کاربردهای نمایشگر LCD انتقال داده می‌شود.

معمولاً درکنار سیستم‌های سلول سوختی درکنار یک کانورتر DC-DC قرار میگیرند تا انرژی سلول سوختی را در سیستم ذخیره باتری پشتیبان برای بارهای DC دیگر ذخیره کنند. محصول جدید شرکت MEAN WELL که در حال آماده سازی برای راه اندازی است، خانواده NTN-5K  با طراحی ۲ در ۱ اینورتر و شارژر AC-DC دوطرفه توان بالاست. از آنجایی که از دامنه ولتاژ ورودی DC گسترده پشتیبانی میکند، اینورتر DC-AC می‌تواند با برنامه‌های سلول‌های سوختی هماهنگ شود. اینورتر توان DC را به توان AC تبدیل می‌کند، همچنین می‌تواند برنامه‌های سیستم ۲۲۰ کیلووات AC تک فاز یا سه فاز را از طریق اتصال سری-موازی در سمت DC و اتصال موازی در سمت AC خروجی پشتیبانی کند. جدول ۳ مبدل‌های برق DC-DC و DC-AC دوطرفه MEAN WELL برای راهکارهای سلول سوختی را نشان می‌دهد.

مثالی از منبع تغذیه سلول سوختی

کانورتر و منابع تغذیه دو طرفه مین ول برای کاربردهای سلول سوختی

5.نتیجه‌گیری

یکی از ویژگی‌های منحصربه‌فرد منابع تغذیه MEAN WELL این است که هر خانواده آن، دارای تمامی سطوح ولتاژی پرکاربرد با بازه وسیع ولتاژی است که متناسب با تمامی کاربرد های بازار روز است. کاربران می‌توانند از قابلیت برنامه ریزی ولتاژ خروجی (PV) و جریان خروجی (PC) را برای منابع تغذیه بهره ببرند. از طریق پروتکل ارتباطی یا سطح ولتاژ خارجی میتوان ولتاژ و جریان را برنامه ریزی نمود. شکل ۸ ترکیبی از برنامه‌های کاربردی سیستم انرژی هیدروژن و منابع تغذیه MEAN WELL را نشان می‌دهد. با استفاده از محصولات مین ول MEAN WELL، یعنی اینورتر AC-DC ماژولار و سیستمی ۳+N را در زمینه هیدروژن الکترولیتیک با ظرفیت حداکثر تا ۵۱۰ کیلووات پیاده‌سازی کرده‌اند. حداکثر ظرفیت توان منابع تغذیه DC-DC ۲ کیلووات، حداکثر توان منابع تغذیه دوطرفه AC-DC ۲۲۰ کیلووات و حداکثر ظرفیت توان منابع تغذیه DC-AC اینورتر ۹۰ کیلووات متناسب برای برنامه‌های سلول سوختی فراهم کند. در حال حاضر، MEAN WELL می‌تواند بر اساس نیازهای برنامه کاربران، راه حل‌های بیشتری از منابع تغذیه فراهم کند در زمینه الکترولیز هیدروژن، سلول‌های سوختی و انرژی‌های تجدیدپذیر ارائه دهد.

برای دریافت مشاوره و اطلاعات بیشتر در مورد محصولات مرتبط و نیازهای کاربردی، می‌توانید به‌طور مستقیم با کارشناسان فروش یا فنی MEAN WELL تماس بگیرید.

ترکیب کاربردی از منبع تغذیه های مین ول و سیستم انرژی هیدروژنی

مراجع :

[1] https://www.re.org.tw/knowledge/more.aspx?cid=201&id=4654

[2] https://km.twenergy.org.tw/Knowledge/knowledge_more?id=4551

[3] H. E. A, A. C, C. S, A. P. N and E. G.”Thermal and Electrical Parameter Identification of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell Using Genetic Algorithm”, 2018.

[4] Hydrogen Technology Expo Europe 2023