Technische Entwicklung und zugehörige Lösungen für Wasserstoff-Elektrolyseursysteme
Wasserelektrolyseure sind dafür ausgelegt, Wasserstoff durch die Elektrolyse von Wasser unter Nutzung verschiedener Energiequellen (Netz, Solar, Wind oder Batteriespeichersysteme) zu erzeugen. Bei Versorgung mit erneuerbarer Energie zielen diese Systeme darauf ab, Wasserstoff auf umweltfreundliche Weise zu erzeugen, wodurch die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringert und die Kohlenstoffemissionen minimiert werden. Dieser Artikel bietet einen Überblick über Anwendungen von Wasserelektrolyseuren und Technologietrends und hebt die umfassenden und hocheffizienten, auf diesen Sektor zugeschnittenen Leistungslösungen von onsemi hervor.
Wichtige technische Aspekte der Wasserstoffproduktion durch Elektrolyse und Arten von Elektrolyse-Technologien
Durch Elektrolyse erzeugter Wasserstoff kann in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, darunter Brennstoffzellen für den Transport, industrielle Prozesse und Energiespeicherung. Mit zunehmender Durchdringung erneuerbarer Energien leisten grüne Wasserstoff-Elektrolyseursysteme einen wesentlichen Beitrag zum Übergang in eine nachhaltige, CO2-arme Energieinfrastruktur der Zukunft. Die Branche verzeichnet aufgrund mehrerer Faktoren ein rasantes Wachstum, darunter technologische Fortschritte, die Integration mit erneuerbaren Energien, politische und investive Unterstützung sowie dezentrale Produktion.
Die Leistungsumwandlung ist ein entscheidender Aspekt von Wasserstoff-Elektrolyseursystemen und umfasst die Umwandlung elektrischer Energie aus Stromquellen in die für die Elektrolyse erforderliche Form. Zu den Schlüsselkomponenten zählen Gleichrichter und DC-DC-Wandler, die elektrische Energie effizient steuern und umwandeln. Leistungsmodule integrieren diese Komponenten in kohärente Systeme, mit modularen Designs zur Skalierbarkeit, effektivem Thermomanagement zur Wärmeabfuhr und anspruchsvollen Steuerungssystemen für optimale Leistung und Sicherheit.
Der Elektrolyseprozess ist darauf ausgelegt, mit stabiler und effizienter DC-Leistung zu arbeiten, die über eine präzise elektrische Umwandlung bereitgestellt wird. Dies ermöglicht dem Elektrolyseur, Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) zu spalten, wodurch keine Kohlenstoffemissionen entstehen und die Betriebs- und Investitionsausgaben (OPEX/CAPEX) in Kraftwerken reduziert werden. Die Leistung der Leistungsumwandlung wirkt sich direkt auf die Effizienz der Wasserstoffproduktion, die Systemsicherheit und die gesamte Kosteneffizienz aus. Das System besteht typischerweise aus Leistungsmodulen, Steuereinheiten (zur Echtzeit-Regelung von Spannung/Strom), Kühlsystemen und Schutzschaltungen.
Derzeit gibt es vier primäre Elektrolysetechnologien: Alkaline, Proton Exchange Membrane (PEM), Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC) und Anion Exchange Membrane (AEM). Die alkalische Elektrolyse ist die etablierteste und kosteneffektivste und verwendet einen flüssigen Elektrolyten. Die PEM-Elektrolyse nutzt eine feste Polymermembran und bietet hohe Effizienz sowie schnelle Dynamik. SOEC arbeitet bei hohen Temperaturen und erreicht eine überlegene Effizienz durch Wärme- und elektrische Energie. AEM ist eine neuere Technologie, die die Vorteile von alkalischen und PEM-Systemen kombiniert.
Mehrere vollständige Lösungen für Wasserstoff-Elektrolyseursysteme verfügbar
onsemi bietet mehrere vollständige Lösungen für Wasserstoff-Elektrolyseur-Systeme an, die empfohlene Produkte von onsemi enthalten. Diese Lösungen integrieren onsemis intelligente Leistungs- und Sensortechnologien. Die meisten Geräte der Funktionsmodule sind enthalten und decken Leistungsmodule und diskrete Bauelemente, Gate-Treiber sowie Standard-ICs und Signalprodukte ab.
Das QDual3 IGBT-Modul ist onsemis High Power Integrated Module (PIM), das in bestimmten Topologien eine höhere Leistungsdichte und bis zu 10% mehr Ausgangsleistung als vergleichbare Produkte bietet. Die intern eingesetzte FS7 IGBT-Technologie liefert branchenführende Effizienz, senkt Kosten und vereinfacht das Design. In Energiesystemen im Megawatt-Maßstab werden typischerweise 3x QDual3 Halbbrückenmodule verwendet, um eine Drei-Level-Topologie zu bilden. Durch Parallelschaltung mehrerer QDual3-Module kann jedes System 1.2MW (mit 18x QDual3-Modulen) oder 1.8MW (mit 27x QDual3-Modulen) ausgeben. Im Vergleich zu traditionellen Lösungen mit 600A-Modulen reduziert dieser Ansatz die Modulanzahl um 30%, vereinfacht das Design erheblich und senkt die Systemkosten.
Zu den Schlüsselprodukten gehört das Qdual3 IGBT Module – NXH800H120L7QDSG, das FS7 IGBTs und Gen 7-Dioden integriert, um geringere Leitungs- und Schaltverluste zu erzielen und es Entwicklern zu ermöglichen, hohe Effizienz und überragende Zuverlässigkeit zu erreichen. Es ist ein 1200V, 800A 2-in-1 Halbbrücken-IGBT-PIM mit isolierter Grundplatte, NTC-Thermistor, lötbaren Pins, niederinduktivem Layout und im Qdual3-Format verpackt.
Ein weiteres Produkt, das F5BP Hybrid PIM – NXH500B100H7F5SHG, ist ein zweikanaliges Flying-Capacitor-Boost-Modul. Jeder Kanal enthält zwei 1000V, 500A IGBTs und zwei 1200V, 120A SiC-Dioden. Das F5BP-PIM-Gehäuse bietet eine überlegene thermische Leistung mit einem um 9% niedrigeren Wärmewiderstand im Vergleich zum F5-PIM-Gehäuse, unterstützt 1500VDC-Systeme und ist damit ideal für Anwendungen im Versorgungsmaßstab. Dieses Produkt unterstützt 1000V Field Stop 7 IGBTs und 1200V SiC-Dioden, verfügt über ein niederinduktives Layout, Lötpins, einen integrierten NTC-Thermistor und ist ein Pb-Free- und Halide-Free-Bauelement.
onsemis Full SiC Power Modules umfassen die M3S EliteSiC F1 und F2 Power Integrated Modules (PIMs), die mit überlegener thermischer Leistung, hoher Leistungsdichte und erhöhter Zuverlässigkeit erhebliche Vorteile bieten. Diese PIMs sind darauf ausgelegt, kosteneffiziente und hocheffiziente Lösungen für fortschrittliche Energieinfrastrukturen bereitzustellen. Darüber hinaus können diese Module gestapelt werden, um Leistungsniveaus von über mehreren hundert Kilowatt zu erreichen.
Das F2 Full Bridge PIM – NXH007F120M3F2PTHG ist ein 7 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET Vollbrücke, nutzt ein HPS DBC (Direct Bonded Copper)-Substrat, unterstützt eine Gate-Treiberspannung von 15V bis 18V, wird mit voraufgebrachtem Thermal Interface Material (TIM) geliefert, ist mit negativen Gate-Spannungen einfach anzusteuern und verfügt über Press-Fit-Pins. Ein weiteres Modell, das F1 Half Bridge PIM – NXH008P120M3F1PTG, ist ein 8 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET Halbbrücke, bietet ein ausgezeichnetes FOM [ = RDS(on) * Eoss ], nutzt die M3S-Technologie für optimierte Schaltleistung, unterstützt eine Gate-Treiberspannung von 15V bis 18V, ist mit negativen Gate-Spannungen einfach anzusteuern, ist in Optionen mit oder ohne voraufgebrachtes TIM verfügbar und verfügt über Press-Fit-Pins.
Siliziumkarbid-Lösungen, die die Anforderungen von Anwendungen der Energieinfrastruktur erfüllen
onsemi ist ein erstklassiger langfristiger Partner im Silicon-Carbide-(SiC)-Bereich und bietet eine zuverlässige End-to-End-Lieferkette, umfassende Anwendungsexpertise sowie ein breites EliteSiC-Portfolio mit verschiedenen marktspezifischen Lösungen. EliteSiC MOSFETs und die neuen SiC Cascode JFETs liefern eine erstklassige Schaltgeschwindigkeit, einen extrem niedrigen Durchlasswiderstand (RDS(on)) und eine höhere Effizienz und erfüllen damit strenge Anforderungen an Systemleistung und Zuverlässigkeit für Energieinfrastruktur-Anwendungen.
Die 650 - 1700 V Discrete SiC EliteSiC MOSFETs sind für schnelle Reaktion und Robustheit ausgelegt und bieten Systemvorteile wie hohe Effizienz, reduzierte Systemgröße und geringere Kosten. Diese Produkte zeichnen sich durch ein ausgezeichnetes FOM [ = RDS(on) * Eoss ], eine extrem niedrige Gate-Ladung, eine niedrige Kapazität für schnelles Schalten, überlegene Leistung bei hoher Leistungsdichte, Unterstützung für 15V bis 18V Gate-Ansteuerspannung, 100% Avalanche-Tests, eine hohe maximale Sperrschichttemperatur Tj= 175°C aus und sind in Mustergehäusen einschließlich TO-247-3L/4L, D2PAK-7L und Top cool SMD verfügbar.
Die SiC Cascode JFETs sind Hochgeschwindigkeits-JFETs für die Schaltnetzteil-Leistungswandlung, insbesondere hervorragend geeignet für Soft-Switching-Wandler mit extrem niedrigem Durchlasswiderstand (RDS(ON)) und Unterstützung hoher Pulsströme. Sie verfügen über ein 2-Chip-Co-Packaged-Cascode-Design, bieten einen Pick-and-Place-Ersatz für standardmäßige Normally-off MOSFETs, mit einem Durchlasswiderstand (RDS(on)) von 10mΩ für 1700V, im Bereich von 9mΩ bis 410mΩ für 1200V und von 5.4mΩ bis 58mΩ für 750V. Zu den Zielanwendungen zählen Netzteile, Solarwechselrichter und DC-DC-Wandler.
Die neu optimierten und innovativen 1200V FS7 Discrete IGBTs von onsemi sind darauf ausgelegt, sowohl Schalt- als auch Leitverluste deutlich zu reduzieren und so eine überlegene Schaltleistung sicherzustellen. Diese Bauelemente weisen geringe Schaltverluste auf und ermöglichen dadurch höhere Schaltfrequenzen. Diese Eigenschaft ermöglicht eine Verringerung der Größe magnetischer Komponenten, wodurch die Leistungsdichte erhöht und die Systemkosten gesenkt werden. FS7 IGBTs sind eine ausgezeichnete Wahl für Anwendungen, die effiziente und kostengünstige Leistungslösungen erfordern. Das Produkt nutzt ein Trench Narrow Mesa-Design für eine niedrige Sättigungsspannung (Vce(sat)) und hohe Leistungsdichte sowie Proton Implant Multiple Buffer zur Verbesserung der Schaltrobustheit und des weichen Schaltverhaltens.
Der 1200V, Field Stop VII (FS7) Discrete IGBT – FGY4L160T120SWD hat eine maximale Sperrschichttemperatur TJ = 175°C. Es handelt sich um eine Gen7-Diode im Co-Packaging in einem TO-247-plus-4L-Gehäuse, verfügt über einen positiven Temperaturkoeffizienten für eine einfache Parallelschaltung, bietet eine hohe Strombelastbarkeit mit weichen und optimierten Schaltcharakteristiken, hat geringe Schaltverluste, ist RoHS-konform und zielt auf Anwendungen wie Energieinfrastruktur, EV-Ladegeräte, Solarwechselrichter, USV und Energy Storage Systems (ESS) ab.
Fortschrittliche Gate-Treiber, Strommessverstärker und Operationsverstärker
onsemi's Gate-Treiber ermöglichen Wasserstoff-Elektrolyseur-Systeme mit hocheffizientem, verlustarmem Schalten und robuster Isolation. Ihre Unterstützung für SiC / Si / IGBT-Bauelemente ermöglicht skalierbare, modulare Designs. Funktionen wie aktive Miller-Clamps, Unterspannungsabschaltung (UVLO) und hohe Störfestigkeit gegenüber Gleichtakttransienten (CMTI) gewährleisten eine sichere und präzise Ansteuerung selbst unter anspruchsvollen Netzbedingungen. Diese Fähigkeiten machen sie unverzichtbar, um Leistung und Zuverlässigkeit in der Produktion von grünem Wasserstoff zu maximieren.
Der NCP51563 ist ein dualer isolierter Gate-Treiber, der 4.5A / 9A Source-/Sink-Spitzenstrom unterstützt, mit einer typischen Ausbreitungsverzögerung von 36 ns und einer maximalen Verzögerungsanpassung von 5ns. Er bietet Einzel- oder Dual-Input-Modi über den ANB-Pin, stellt 5 kV galvanische Isolation mit CMTI ≥ 200 kV/µs bereit, ist in einem SOIC-16WB-Gehäuse mit 8mm Kriechstrecke erhältlich.
Ein weiterer Gate-Treiber, der NCP51752, ist ein einkanaliger isolierter Gate-Treiber, der 4.5 A/9 A Source-/Sink-Spitzenstrom und einen 30V-Ausgangshub unterstützt. Er hat eine Ausbreitungsverzögerung von 36 ns mit einer maximalen Verzögerungsanpassung von 5 ns, bietet 3.75 kV galvanische Isolation mit CMTI ≥ 200 V/ns, ist ein Einkanal-Bauelement, integriert einen Negativvorspannungsgenerator zur Vereinfachung der Ansteuerung und zur Reduzierung der Systemkosten und ist im SOIC-8-Gehäuse verpackt.
onsemi's Strommessverstärker und Operationsverstärker sind entscheidende Komponenten für die Weiterentwicklung von Energieinfrastruktur-Systemen. Sie ermöglichen eine präzise, Echtzeit-Stromüberwachung, die für Sicherheit, Effizienz und Regelung essenziell ist. Diese Verstärker verfügen über hohe Gleichtaktspannungsbereiche und bidirektionale Messfunktionen, wodurch sie sich ideal für High-Side- und Low-Side-Strommessungen in komplexen Leistungsumwandlungsstufen wie DC/DC-Wandlern und Hilfsstromversorgungsmodulen eignen. In Wasserstoff-Elektrolyseur-Systemen, in denen eine genaue Stromrückführung für die Regelung elektrochemischer Reaktionen und die Sicherstellung der Systemstabilität entscheidend ist, tragen onsemi's Zero-Drift- und Low-Offset-Verstärker dazu bei, eine optimale Leistung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig Energieverluste zu minimieren.
Der Strommessverstärker NCS21673/4 bietet Verstärkungen von 20, 50, 100 und 200 V/V und kann die Spannung über Shunts bei Gleichtaktspannungen von -0.1V bis 40V messen. Sie können mit einer einzelnen 2.7V- bis 5.5V-Stromversorgung betrieben werden und sind in platzsparenden Gehäusen erhältlich. Zu den wichtigsten Merkmalen zählen eine niedrige Offsetspannung von ±100 µV, eine geringe Offsetdrift von max. ±1 µV/°C, ein geringer Verstärkungsfehler von max. ±1%, eine niedrige Stromaufnahme von max. 300 µA pro Kanal sowie eine hohe Bandbreite von 350 kHz mit hoher Slew-Rate.
Der NCS21914 ist ein hochpräziser Zero-Drift-Operationsverstärker mit niedriger Eingangs-Offsetspannung und geringer Offsetdrift über Zeit und Temperatur. Diese Bauelemente weisen einen niedrigen Ruhestrom und eine rauscharme Performance auf, mit einem Rail-to-Rail-Ausgangshub innerhalb von 10 mV der Versorgungsschienen. Zu den wichtigsten Spezifikationen zählen eine niedrige Offsetspannung von max. 25 µV, eine geringe Offsetdrift von max. 0.085 µV/°C, ein Versorgungsspannungsbereich von 4 bis 36V, ein Ruhestrom von max. 570 µA, niedriges Rauschen von typischerweise 22 nV/√Hz, ein Gain-Bandwidth-Product von typischerweise 2 MHz, Rail-to-Rail-Ausgang und integrierte EMI-Filter.
Fazit
Wasserstoff-Elektrolyseursysteme entwickeln sich rasant hin zu höherer Effizienz, geringerem Energieverbrauch, längerer Lebensdauer und höherer Zuverlässigkeit und werden schrittweise zu den zentralen kritischen Anlagen innerhalb der grünen Wasserstoff-Wertschöpfungskette. Da Technologien in den Bereichen Materialien, Leistungselektronik, Systemsteuerung und digitale Überwachung weiter ausreifen, haben Elektrolyseure klare Entwicklungspfade für großskalige, modulare und intelligente Anwendungen aufgezeigt. In Zukunft werden onsemi’s Wasserstoff-Elektrolyseursystemlösungen durch die Integration effizienter Elektroden- und Membranmaterialien, fortschrittlicher Leistungs- und Energiemanagementlösungen sowie von Systemlösungen über den gesamten Lebenszyklus hinweg eine strategischere unterstützende Rolle bei der Integration erneuerbarer Energien, der Transformation der Energiestruktur und der Erreichung der Ziele der CO2-Neutralität spielen.
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