Leistungshalbleiter-Lösungen für die Entwicklung grüner Wasserstoffsysteme

Unser Planet ist sowohl aus ökologischer als auch aus klimatischer Sicht in Gefahr. Die Produktion von sauberer Energie, insbesondere Energie auf Basis von grünem Wasserstoff, veranlasst viele Unternehmen und Branchen, in die Wasserstoffforschung zu investieren, um das Klima und die natürlichen Ressourcen zu schützen. Die Reduzierung der Treibhausgase wird immer strikter und bis 2050 soll es gar keine Emissionen mehr geben.

Gewinnung von Wasserstoff aus Wasser

Wasserstoff ist das erste Element im Periodensystem. Es kann zwar nicht neu produziert werden, aber aus Wasser gewonnen werden. Zur Gewinnung von Wasserstoff gibt es verschiedene Verfahren. Einige belasten die Umwelt mehr als andere. Wasserstoff wird oft im selben Herstellungsprozess produziert und verbraucht, ohne dass eine Trennung erforderlich ist. Mithilfe von Elektrolyse kann Wasserstoff durch Aufspaltung aus Wasser gewonnen werden. Aus diesem Prozess entsteht:

Eine der einfachsten Methoden ist das Anlegen eines elektrischen Stroms an eine wässrige Lösung. Dabei sammelt sich der Wasserstoff an einer der Elektroden. Das Bündeln und Speichern des chemischen Elements sowie die Abfallentsorgung sind die kompliziertesten Phasen des Prozesses.

Wasserstoff ist die Zukunft des Planeten

Die Welt steht vor einer ihrer wichtigsten Herausforderungen: kein Ausstoß von Treibhausgasemissionen mehr innerhalb von drei Jahrzehnten. Eine der vielversprechendsten Technologien zur Bewältigung dieser Herausforderung ist grüner Wasserstoff. Er würde saubere Mobilität ermöglichen und könnte dazu beitragen, die CO₂-Emissionen auf vielerlei Art zu reduzieren, sofern Herstellung, Lagerung, Transport und Verwendung auf die bestmögliche Weise gewährleistet sind. Die Leistungshalbleiter von Infineon versprechen effiziente Lösungen für die Produktion und den Verbrauch von grünem Wasserstoff und bieten das richtige Potenzial für das Energiesystem der Zukunft. Die Nutzung sauberer Energie hängt natürlich von den Fortschritten in der Wissenschaft ab, aber mehr noch von den politischen Entscheidungen der Regierungen. Der geplante Prozentsatz für die Treibhausgasreduktion steigt Jahr für Jahr. Ohne tiefgreifende Entscheidungen könnten die ambitionierten Ziele jedoch leicht fehlschlagen. Daher sehen neue Anwendungen Wasserstoff als Hauptenergiequelle vor. Diesen Entwicklungsweg muss natürlich auch die Halbleiterfertigung gehen, zum Beispiel für saubere IoT-Systeme. Es wären verschiedene Arten von Wasserstoff verfügbar:

•  Grauer Wasserstoff, der aus fossilen Ressourcen hergestellt wird, ist mit der Emission von CO2 verbunden. Diese Alternative muss natürlich unbedingt vermieden werden.
•  Blauer Wasserstoff wird mit Technologien zur nuklearen Kohlenstoffabscheidung und -sequestrierung aus fossilen Ressourcen produziert.
•  Grüner Wasserstoff wird ausschließlich aus erneuerbaren Energiequellen wie Wasserkraft, Solarenergie und Windkraft gewonnen.

Die Anwendungsgebiete für Wasserstoff sind vielfältig und reichen von Energiespeicherung bis zu Brennstoffspeicherung. Da es sich um saubere Energie handelt, kann Wasserstoff in vielen Bereichen auch fossile Brennstoffe ersetzen. Die Produktion von Wasserstoff allein reicht aber offensichtlich nicht aus. Der Aufstieg erneuerbarer Energien erfordert außerdem ausreichend große Energiespeicher. Man geht auch davon aus, dass die Kosten der Wasserstoffproduktion extrem niedrig sind und sich in der Größenordnung von 1 $/kg bewegen – zumindest am Anfang. Wasserstoff wird der Schlüssel zur Emissionsverringerung in jedem Sektor sein. Seine Nützlichkeit in der Produktions- und Vertriebskette umfasst ein effizientes System aus:

•  Erzeugung und Produktion mit sauberen und umweltfreundlichen Verfahren, durchgeführt mit AC- und DC-Elektrolyseverfahren
•  Effiziente Übertragung dank mittel- und langfristiger Energiespeicherung
•  Verbrauch zu deutlich niedrigeren Kosten

Durch die Produktion neuer Halbleiter-Leistungsbauelemente können zudem Leistungen von 1 kW bis 50 MW und mehr problemlos bewältigt werden. Für grünen Wasserstoff gibt es im Transportwesen, in der industriellen Produktion oder in Hochtemperaturheizungen wichtige Anwendungsmöglichkeiten im großen Maßstab. Die Herstellung von grünem Wasserstoff (siehe Blockdiagramm in Abbildung 1) erfordert Strukturen für den Elektrolyseprozess. Wechselströme müssen in Gleichströme umgewandelt werden. Kompressionsstrukturen, Hilfssysteme und Steuerungen werden folgen, die offensichtlich von elektronischen Kommunikations- und Sicherheitsunterstützungssystemen verwaltet werden.

Abbildung 1: Blockdiagramm der Wasserstoffproduktion (Quelle: Infineon)

Thyristoren für die Wasserstoffelektrolyse

Heutzutage stehen Systeme im Fokus, die hohe Ströme bewältigen können. Thyristoren und IGBTs können enorme Energiemengen handhaben. Am interessantesten ist jedoch, die Leistungsdichte durch Verringerung von Leitungsverlusten zu maximieren. Kühlsysteme sind ebenfalls ein wichtiger Punkt für Thyristoren, die auch durch die normalerweise im System vorhandenen Sicherungen geschützt werden können. AC-gekoppelte Thyristoren zur Erzeugung von grünem Wasserstoff (siehe Abbildung 2) bieten zahlreiche Vorteile:

•  Die Schaltung ist weniger komplex.
•  Das endgültige System ist billiger als mit IGBT.
•  Sie sind robuster als IGBTs.
•  Es ist möglich, einen Schutz in Form von Sicherungen zu implementieren.
•  Sie schalten automatisch bei Nulldurchgang der Spannung ab.
•  Bei geringen Leitungsverlusten wird maximale Leistungsdichte erreicht.

Abbildung 2: Bei Thyristoren ist die Schaltung weniger aufwendig. (Quelle: Infineon)

In der Prinzipskizze sieht man oben links den Hochstromgleichrichter und oben rechts den Elektrolyseur, der Wasserstoff produziert. Als Schaltungen kommen der typische Thyristorgleichrichter für Hochstromanwendungen (derzeit bis 20 MW und darüber) und der Diodengleichrichter mit dem IGBT-DC/DC-Wandler zum Einsatz. Bei Thyristoren können einige Oberwellen auf der Gleichstromleitung auftreten, die vom Elektrolyseur verursacht werden. Sie haben keinen Einfluss auf die Ausgangsleistung des Elektrolyseurs und werden durch Scheiben von 111 mm bis 150 mm repräsentiert oder können zu einem einzigen Stapel kombiniert werden. Letztgenannte Alternative enthält die Anschlüsse, die Thyristoren und die Kühlscheiben und bildet ein montagefertiges System. Mit IGBTs werden Oberwellen reduziert, die Verluste sind jedoch höher. Abhängig von den endgültigen Anforderungen kann eines der beiden Systeme gewählt werden, um die Strommenge, die durch den Elektrolyseur fließt, entsprechend zu regulieren. Mit Thyristoren lässt sich diese Anpassung einfacher vornehmen.

Verschiedene Modelle für viel Leistung

Je nach gewünschter Leistungsklasse sind die Power Block-Module von Infineon in verschiedenen Ausführungen erhältlich (siehe Abbildung 3). Die kleinsten Modelle sind 50 mm und 60 mm groß und können mit Dioden- oder Thyristorgleichrichtern verwendet werden. Die 150-mm-Scheibe ist hingegen für mehrere Megawatt geeignet. Am gängigsten sind die Größen 111 mm, 100 mm und 75 mm. Wie die normalen Stapel sind sie mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet, damit die volle Leistung abgegeben werden kann. Einige Modelle können auch mit bis zu 3,6 kV arbeiten.

Abbildung 3: Verschiedene Gleichrichterlösungen (Quelle: Infineon)

Sehen wir uns nun ein Elektrofahrzeug mit Wasserstoff-Brennstoffzellen an. Es enthält das Batteriesystem und die Brennstoffzellen. Um die Funktionsweise des Systems besser zu verstehen, kann man sich vorstellen, dass die Batterien erschöpft sind oder dass der Benutzer über das Kabel mit einem AC- oder DC-Ladeschaltkreis Energie aus dem Netz bezieht. Wenn die Batterie vollständig geladen ist, wird das Kabel abgezogen und die Batterie kann den Wechselrichter mit Strom versorgen, der wiederum den Motor mit Strom versorgt. Mit einer Brennstoffzelle gibt es mehrere Möglichkeiten:

•  Es kann eine sehr kleine Batterie (1–2 kWh) verwendet werden; ein Ladesystem ist nicht erforderlich. Die Batterie wird meistens als Puffer verwendet und die Hauptenergie kommt von der Brennstoffzelle, die den Wechselrichter mit Strom versorgt.
•  Es können größere Batterien (10–20 kWh) verwendet werden, die eine Reichweite von mehr als 5.000 km ermöglichen. In diesem Fall ist ein Ladesystem erforderlich.

Die wichtigste Einheit ist das Brennstoffzellensystem (siehe Abbildung 4), dem kontinuierlich Wasserstoff zugeführt wird. Die Luft aus dem System wird komprimiert und zu einer Brennstoffzelle geleitet. Dann wird die elektrische Spannung angelegt. Die Wandler müssen auf hohen Wirkungsgrad ausgelegt sein. Nach der Reaktion müssen die Gase abgeführt und in die Atmosphäre geleitet werden. Wichtig ist in diesem Stadium das Wärmemanagement, das die Temperatur der Brennstoffzelle regelt. Das gesamte System besteht aus fünf Subsystemen:

•  AF-Subsystem
•  Wasserstoff-Subsystem
•  Subsystem der Protonenaustauschmembran
•  Abgas-Subsystem
•  Wärmemanagement-Subsystem

Im ersten Subsystem ist ein Filter unerlässlich, um Gerüche aus der Luft zu beseitigen, die die Protonenaustauschmembran vergiften könnten. In dieser Phase müssen Druck, Temperatur und Luftstrom kontinuierlich gemessen werden. Da durch die Kompression die Temperatur erhöht wird, sind außerdem für die richtige Temperatur und Feuchtigkeit der Protonenaustauschmembran eine Kühlvorrichtung und ein Befeuchter erforderlich.

Abbildung 4: Blockdiagramm des Betriebs einer Brennstoffzelle (Quelle: Infineon)

Das zweite Subsystem umfasst einen Wasserstoffverteiler mit hochsicherer Verbindung. Durch die ständige Messung des Durchflusses werden Verluste vermieden. Der Wasserstoff wird auf eine Temperatur von etwa –40 °C gekühlt, um im Tank eine hohe Dichte zu erreichen. Er gelangt dann durch den Druckregler und zum Hochgeschwindigkeitsinjektor, der eine Rezirkulation des Materials ermöglicht. Das Freisetzen von Wasserstoff im Abgas muss verhindert werden. Im dritten Subsystem wird die elektrische Spannung kontinuierlich geregelt. Das vierte Teilsystem, das Abgas-Subsystem, enthält einen Strom aus dem Luftsystem, der stark mit Wasserdampf gesättigt ist. Ausgeklügelte Systeme arbeiten extrem leise. Das fünfte Subsystem sorgt für das Wärmemanagement. Es steuert und reguliert die Wassertemperatur und verhindert die Bildung von Eis bei sehr kalten Temperaturen. Es wird von leistungsstarken Mikrocontrollern verwaltet.

Fazit

Grüner Wasserstoff kann sicherlich eine der Lösungen sein, um der Klimakrise zu begegnen. Daher forschen viele Unternehmen in diese Richtung. Die größten Herausforderungen bilden Produktion, Speicherung, Transport und Nutzung von grünem Wasserstoff. Viele Hersteller verfügen über ein breites Angebot an elektronischen Produkten und Komponenten für den Bau elektronischer Systeme, um saubere Energie zu erzeugen und zu verbrauchen.

Literaturhinweis

Power semiconductor solutions for the development of green hydrogen systems(Leistungshalbleiter-Lösungen für die Entwicklung grüner Wasserstoffsysteme) – Markus Hermwille,
Infineon Technologies AG, Nils Przybilla, Infineon Technologies Bipolar GmbH, Patrick Leteinturier,
Infineon Technologies AG – Webinar