NTC-Thermistoren
Unterstützung der Abkehr von fossilen Brennstoffen mit der Leistungsfähigkeit elektronischer Komponenten
Beschleunigung des Aufbaus von Infrastruktur wie Brennstoffzellen und Elektrolyseanlagen zur Unterstützung der Nutzung von Wasserstoffenergie
Neben der Nutzung von erneuerbaren Energien spielt die Nutzung von Wasserstoffenergie eine wichtige Rolle (Abb. 1).
Die Möglichkeiten für Verbraucher, die Nutzung von Wasserstoff kennenzulernen, beschränken sich im Wesentlichen auf den gelegentlichen Anblick eines Brennstoffzellenfahrzeugs (FCV) oder eines Brennstoffzellenbusses. Nichtsdestotrotz ist Wasserstoff ein unverzichtbarer Bestandteil der Dekarbonisierungsbemühungen der Industrie als leistungsstarke Strom- oder Wärmequelle für Turbinen, Motoren, Kessel und ähnliches geworden. Im Bereich der Mobilität konzentrierten sich die Dekarbonisierungsbemühungen auf die Einführung von Elektrofahrzeugen (EVs) als Personenkraftwagen, aber die Verwendung von Wasserstoff hat eine Schlüsselrolle in Studien über die Zukunft von großen Nutzfahrzeugen wie Bussen oder Lastwagen, die über lange Strecken fahren müssen, Landmaschinen, Baumaschinen und Flugzeugen (einschließlich Drohnen) und Schiffen eingenommen.
Aus diesem Grund gibt es in vielen Ländern und Regionen der Welt eine Reihe von Maßnahmen und Projekten, die darauf abzielen, die Einsatzmöglichkeiten von Wasserstoff zu erweitern.
Die Modernisierung der elektrischen und elektronischen Systeme, die für den Ausbau, die Verwaltung und die Kontrolle der Wasserstoffnutzung zuständig sind, ist von entscheidender Bedeutung
Im Großen und Ganzen wird erwartet, dass die Energie des Wasserstoffs auf zwei Arten genutzt werden kann.
Der erste ist die direkte Nutzung der durch die Verbrennung von Wasserstoff gewonnenen Wärmeenergie. Die Entwicklung von Technologien, die den Einsatz von Wasserstoff als Brennstoff für den sicheren und effizienten Betrieb von Turbinen, Motoren, Kesseln usw. ermöglichen, ist bereits im Gange. Dieser erste Ansatz eignet sich für Anwendungen, bei denen eine vergleichsweise große Leistung erforderlich ist.
Die zweite ist die Verwendung von Brennstoffzellen zur Umwandlung der chemischen Energie des Wasserstoffs in elektrische Energie. Die chemische Reaktion, die dabei abläuft, ist das Gegenteil der Elektrolyse von Wasser, wie wir sie aus dem naturwissenschaftlichen Unterricht in der Schule kennen. Wasserstoff und Sauerstoff aus der Atmosphäre werden in Wasser und Strom umgewandelt.
Dieser Ansatz eignet sich eher für Anwendungen, die eine vergleichsweise geringe Leistung benötigen. Die praktischen Grenzen sind so gesetzt, dass die Leistung einer einzigen Brennstoffzelle als Stromquelle für ein Fahrzeug, z. B. einen Bus, verwendet werden kann. Außerdem lässt sich bei der Umwandlung von Wasserstoff in elektrische Energie die Leistung leichter steuern als bei der Verbrennung von Wasserstoff, so dass der zweite Ansatz auch für Anwendungen verwendet wird, bei denen eine präzise Antriebssteuerung erforderlich ist.
Um Wasserstoff effektiv, effizient und stabil zu nutzen und seine Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungsszenarien zu ermöglichen, müssen die elektrischen und elektronischen Systeme, die die angemessene Nutzung von Wasserstoff steuern und kontrollieren, miteinander zusammenarbeiten. Zu den Geräten, die an der Herstellung, Speicherung, Verteilung und Nutzung von Wasserstoff beteiligt sind, gehören beispielsweise Komponenten wie stabilisierte Stromversorgungen, Stromrichter, Sensoren und Rauschunterdrückungsschaltungen. Außerdem müssen diese Technologien mit der zunehmenden Nutzung von Wasserstoff immer ausgefeilter werden.
Erneuerbare Energien und Wasserstoffenergie sind komplementär
Wasserstoff als Energieträger wird je nach Herstellungsart in drei Typen unterteilt (Abb. 2), wobei die chemische Zusammensetzung der verschiedenen Typen identisch ist. Es handelt sich um "grauen Wasserstoff", "blauen Wasserstoff" und "grünen Wasserstoff", die jeweils in unterschiedlichem Maße zur Dekarbonisierung beitragen.
*Diese verlinkte Seite ist auf Japanisch.
Die Rohstoffe für die Herstellung von grauem Wasserstoff sind fossile Brennstoffe wie Kohle und Erdgas. Wasserstoff kann auch als Nebenprodukt bei der Erdölraffination oder bei der Herstellung von Koks in einem Stahlwerk gewonnen werden. Er kann auch durch Reformierung mittels chemischer oder thermischer Verfahren hergestellt werden. Ein bekanntes Beispiel sind Brennstoffzellen für den Hausgebrauch (ENE-FARM-Systeme), die mit grauem Wasserstoff aus Stadtgas betrieben werden. Da bei der Herstellung von grauem Wasserstoff jedoch CO2 entsteht, kann man nicht sagen, dass er direkt zur Dekarbonisierung beiträgt. Im Gegensatz dazu wird blauer Wasserstoff so hergestellt, dass das bei seiner Produktion entstehende CO2 nicht in die Atmosphäre abgegeben wird. Die Systeme zur Herstellung von blauem Wasserstoff umfassen Mechanismen zur Rückgewinnung, Speicherung und Nutzung des erzeugten CO2. Dadurch werden die CO2-Emissionen reduziert, aber die Rückgewinnung, Speicherung und Nutzung des CO2 sind mit entsprechenden Kosten verbunden.
Grüner Wasserstoff hingegen wird durch Elektrolyse aus Wasser hergestellt, wobei erneuerbare Energien wie Sonnenlicht oder Windkraft als Stromquelle genutzt werden. Mit grünem Wasserstoff können die CO2-Emissionen auf Null reduziert werden. Da Stromerzeugungsmethoden wie die Solarenergie instabil sind, eignen sie sich außerdem für Anwendungen, bei denen überschüssige Energie gespeichert werden muss, um sie später bei Bedarf zu nutzen. Energiespeichersysteme (ESS) mit großer Kapazität, bei denen Batterien zum Einsatz kommen, werden ebenfalls für solche Anwendungen genutzt, aber grüner Wasserstoff eignet sich als Notstromversorgung für Fälle, in denen eine große Speicherkapazität erforderlich ist, wie z. B. in Fabriken, Rechenzentren usw.
Man kann sagen, dass erneuerbare Energien und Wasserstoff komplementär sind. Vor diesem Hintergrund treiben die Regierungen vieler Länder und Regionen Maßnahmen und Projekte zur Förderung der Nutzung von grünem Wasserstoff voran. So kündigten die Europäische Kommission und die European Clean Hydrogen Alliance, eine Gruppe von Wasserstoffunternehmen in der EU, am 5. Mai 2022 einen Plan zur Steigerung der Produktionskapazität von grünem Wasserstoff in Elektrolyseunternehmen auf das Zehnfache des derzeitigen Niveaus bis 2025 an.
Wie die Elektronikindustrie zur Nutzung von Wasserstoff beitragen kann
Es gibt viele Möglichkeiten, wie die elektrische und elektronische Technologie dazu beitragen kann, die Nutzung von Wasserstoff zu fördern.
Erstens werden zur Steigerung der Effizienz bei der Erzeugung von grünem Wasserstoff Gleichstromversorgungen benötigt, da sie einen hohen Wirkungsgrad haben. Für die Elektrolyse von Wasser ist nur eine geringe Spannung von 1,23 V oder mehr erforderlich. Für die Herstellung von grünem Wasserstoff in großen Mengen durch die Nutzung von Strom aus erneuerbaren Energieanlagen mit hoher Leistung, wie z. B. Mega-Solar-Projekten, sind jedoch Gleichstromversorgungen erforderlich, die in der Lage sind, eine große Anzahl von in Reihe und parallel geschalteten Elektrolyseelektroden gleichmäßig und pulsationsfrei mit Hochspannung und hoher Stromstärke zu versorgen.
Diese Technologie wurde auf der Grundlage bestehender Gleichstromtechnologien aus dem verarbeitenden Gewerbe und der Industrie entwickelt, einschließlich der Oberflächenbearbeitung wie der Metallbeschichtung und der Herstellung von Chemikalien wie Natronlauge. Die meisten Wasserstoffproduktionsanlagen verwenden derzeit Gleichstromversorgungen mit Spannungen von einigen Volt bis zu mehreren hundert Volt und Stromstärken von 10 Ampere bis zu mehreren tausend Ampere.
Der Umfang dieser Anlagen ist unterschiedlich, reicht aber von geringer Kapazität für kompakte Wasserstofftankstellen vor Ort bis hin zu großen Kapazitäten für Wasserstoffproduktionsanlagen im Megawattbereich. Die Nachfrage nach Gleichstromversorgungen mit unterschiedlichen Kapazitäten steigt. Viele dieser Anlagen mit großer Kapazität sind an das Wechselstromnetz angeschlossen, was Maßnahmen zur Minimierung der Auswirkungen von Oberschwingungen auf die Stromleitungen erforderlich macht. Um stabilisierten Gleichstrom effizienter zu erzeugen, werden außerdem Stromkreiskonfigurationen mit Hochleistungs-Leistungshalbleitern wie IGBTs oder SiC-basierten MOSFETs in Betracht gezogen.
Nachdem die Wasserstoff-Energie von einer Brennstoffzelle in elektrische Energie umgewandelt wurde, ist ein Leistungswandler erforderlich, um die Energie in Gleich- oder Wechselstrom umzuwandeln, um sie dem Verwendungszweck anzupassen und sie stabil zu liefern. Darüber hinaus werden Management- und Kontrollsysteme benötigt, um die Abfolge der Prozesse von der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle bis hin zum Verbrauch durch Motoren usw. zu überwachen, und für die Sicherheitskontrolle, um Probleme wie Wasserstoffgaslecks, Kurzschlüsse oder thermisches Durchgehen zu verhindern. Dies erfordert eine große Anzahl von Sensoren zur Erfassung von Gas, Druck, Durchfluss usw.
Verkleinerung von Anlagen, die Wasserstoff nutzen, um ihn zu einer vertrauten Energiequelle zu machen
Die Nutzung von Wasserstoff begann mit Anwendungen, die eine relativ hohe Leistung erforderten, und findet nun immer breitere Anwendung. Sobald die Technologie zur Erzeugung von grünem Wasserstoff, zur Verbesserung der Effizienz von Brennstoffzellen und zur Kostensenkung ausgereift ist, ist jedoch mit einer Verkleinerung der Nutzungssysteme zu rechnen, so dass Wasserstoff als Energiequelle für Geräte mit geringerer Leistung eingesetzt werden kann.
Wenn Wasserstoff in großen Mengen in Kraftwerken außerhalb von Großstädten erzeugt und dann zum Verbrauch transportiert wird, geht während des Transports im Allgemeinen eine große Menge Energie verloren. Das liegt daran, dass das erzeugte Wasserstoffgas komprimiert und anschließend in flüssige Form gekühlt werden muss. Es gibt andere Transportmethoden, bei denen Wasserstoff in Chemikalien umgewandelt wird, die leichter zu transportieren sind, aber auch diese Anwendungen verbrauchen eine entsprechende Menge an Energie. Aus diesen Gründen ist es besser, die lokale Produktion von Wasserstoff für den lokalen Verbrauch zu ermöglichen, wo immer dies möglich ist, um die Nutzungseffizienz zu erhöhen.
Schon jetzt gibt es hier und da Wasserstofftankstellen, die herkömmlichen Tankstellen ähneln, und es werden Anstrengungen unternommen, um das Konzept der lokalen Produktion von Wasserstoff und seiner Bereitstellung als Kraftstoff für verschiedene Arten von Mobilitätsanwendungen zu verwirklichen. Ein Beispiel für einen solchen Versuch ist die Kommerzialisierung einer tragbaren Brennstoffzelle, die als mobile Batterie zum Aufladen von Geräten wie Smartphones verwendet werden kann. Auch die Entwicklung und dezentrale Platzierung von kompakten Wasserstofferzeugungsanlagen auf der Grundlage der Photokatalysatortechnologie, die das Sonnenlicht zur Photolyse von Wasser nutzt, wird in Betracht gezogen.
Wasserstoff ergänzt die erneuerbaren Energien als Energiequelle, die für die Erreichung der Kohlenstoffneutralität unerlässlich ist. Es müssen jedoch geeignete Maßnahmen ergriffen werden, um den Verbrauchern eine sichere Nutzung von Wasserstoffgas im gewohnten Umfeld zu ermöglichen. Um eine sichere und hocheffiziente Nutzung zu ermöglichen, müssen zum einen Sicherheitsstandards und -gesetze geschaffen werden, zum anderen muss der Einsatz von elektrischer und elektronischer Technik, einschließlich Management- und Kontrollsystemen mit Sensoren verschiedener Art, hocheffizienten Gleichstromversorgungen und Stromrichterschaltungen, weiter entwickelt werden. Dementsprechend hoch sind die Erwartungen an die Entwicklung und das Angebot neuer Technologien durch Unternehmen, die sich mit Elektronik beschäftigen.
Ähnliche Produkte
Ähnliche Artikel
- Mikronetze: Förderung der lokalen Produktion für den lokalen Verbrauch erneuerbarer Energien
- Batteriemanagementsysteme (BMS) überwachen den Lade-/Entladestatus und das Wärmemanagement, um Sicherheit und Effizienz zu verbessern und die Batterienutzung zu unterstützen
- Welche Voraussetzungen müssen geschaffen werden, um die Effizienz von Leistungsumwandlung und Motorantrieben zu steigern und den Einsatz von SiC- und GaN-Leistungshalbleitern auszuweiten?