Im Rahmen der „Dual Carbon“-Initiative hat sich die Kombination von Photovoltaik und alkalischer Wasserelektrolyse zur Wasserstofferzeugung zu einem zentralen Weg für die Integration erneuerbarer Energien und die tiefgreifende Dekarbonisierung der Industrie entwickelt. Die intermittierende Natur der Wind- und Solarenergieerzeugung, Oberschwingungen bei der Gleichrichtung, die Brennbarkeit und Explosionsgefahr von Wasserstoff sowie das Risiko von Gleichstromleckagen stellen die vier größten Herausforderungen bei der elektrischen Auslegung von Wasserstoffproduktionsanlagen dar.
Acrel hat, basierend auf dem etablierten ALK-Verfahren der alkalischen Wasserelektrolyse, eine umfassende Sekundärlösung entwickelt, die 10 kV Hochspannung, 24-Puls-Gleichrichtung, 0,4 kV Hilfseinrichtungen, Gleichstrom-Sicherheitsüberwachung und Energiemanagement umfasst. Diese Lösung adressiert die Herausforderungen der gesamten elektrischen Kette von Photovoltaik-Anlagen zur Eigenerzeugung und zum Eigenverbrauch von grünem Wasserstoff aus vier zentralen Perspektiven: Schutz, Messung, Explosionsschutz und Lastverteilung.
1. Architektur eines photovoltaischen
Wasserstoffproduktionssystems: Vier Hauptkomponenten arbeiten synergistisch zusammen, um grünen Wasserstoff zu produzieren
Das vollständige photovoltaische System zur Eigenstromerzeugung und zum Eigenverbrauch von Wasserstoff mit Netz-Backup besteht aus vier Kernkomponenten:
10-kV-Hochspannungsverteilungssystem: PV-Aufwärtstransformator + zwei Stromquellen aus dem öffentlichen Netz gewährleisten die kontinuierliche Wasserstoffproduktion auch bei unzureichender Sonneneinstrahlung.
24-Puls-Phasenschieber-Gleichstromsystem: Nutzt zwei Phasenschiebertransformatoren zur Gleichrichtung des Wechselstroms in den für den Elektrolyseur benötigten Niederspannungs-Hochstrom-Gleichstrom. Die Blindleistungskompensation im Hoch- und Niederspannungsbereich unterdrückt Oberschwingungen und reduziert die Gleichstromwelligkeit.
Elektrolytisches Wasserstoffproduktionssystem: Die Hauptproduktionslinie umfasst Elektrolyseur, Gas-Flüssigkeits-Trennung, Wasserstoffreinigung, Kompression und Speicherung.
0,4-kV-Niederspannungs-Stromverteilung für Hilfsgeräte: Einheitliche Stromversorgung fürHilfsverbraucher wie Nachspeisepumpen, Kühlaggregate, Luftkompressoren und Blindleistungskompensation.
Betriebslogik: Priorisiert die Wasserstoffproduktion mit grünem Solarstrom. Das öffentliche Stromnetz dient bei Bedarf als Backup. Dadurch wird überschüssige Wind- und Solarenergie effektiv in Wasserstoff umgewandelt, die Herausforderung der Integration und des Verbrauchs erneuerbarer Energien in das Stromnetz wird bewältigt und eine CO2-freie Wasserstoffproduktion während des gesamten Prozesses ermöglicht.
2. 10 kV Hochspannungs-Sekundärschutz: Spezieller Schutz für Gleichrichtertransformatoren
Gemäß der Norm NB/T10447-2020 wurde ein fünfstufiges Schutzsystem für 24-Puls-Doppelphasen-Gleichrichtertransformatoren und den Betrieb von Photovoltaik-Doppelstromquellen eingerichtet. Jeder der beiden Gleichrichtertransformatoren ist unabhängig mit einem vollständigen Schutzsystem ausgestattet, um Kurzschlüsse, Windungsschlüsse und Oberwellenüberlastungen auszuschließen.
Übersicht der Kerngerätekonfiguration
3. Sekundärausrüstung für netzgekoppelte Photovoltaikanlagen: Einhaltung der Anforderungen gegen Rückfluss und Inselbildung
Für dezentrale PV-Anlagen mit 10 kV-Betriebsspannung und Eigenstromerzeugung (Überschussstrom wird nicht ins Netz eingespeist) ist die Netzanschlusssicherheit eine zwingende Voraussetzung für die Inbetriebnahme. Die vollständige Systemkonfiguration minimiert die beiden Hauptrisiken der Netzkonformität: Inselbetrieb und Rückspeisung.
Übersicht der Kerngerätekonfiguration
4. 0,4 kV Niederspannungs-Hilfsgerätemessung und -steuerung: Spezieller Schutz für Wasserstoffproduktionspumpen und -kompressoren
Die Motoren für die Alkalizufuhr, Kühlung und Luftkompression in Wasserstoffproduktionsanlagen laufen rund um die Uhr. Die feuchte Umgebung und der alkalische Nebel können leicht zu Motorblockaden, Stromverlusten und Phasenunsymmetrien führen. Daher ist die Niederspannungs-Sekundärausrüstung speziell für explosionsgefährdete Industriebedingungen ausgelegt.
Übersicht der Kerngerätekonfiguration
5. Drei essentielle Sicherheitsvorrichtungen für eine solide Grundlage zur explosionsgeschützten Wasserstoffproduktion
1) DC Isolationsmonitor AIM-D100-TH
Elektrolyseure arbeiten mit Gleichstrom bei niedriger Spannung und hoher Stromstärke. Der Elektrolyt ist leitfähig; Alkalilecks und Feuchtigkeit können leicht zu Erdschlüssen führen, und selbst ein winziger elektrischer Funke kann eine Wasserstoffexplosion auslösen. Das System überwacht kontinuierlich die Isolation der 100–1000-V-Gleichstromschiene und löst bei einem Isolationsfehler sofort einen Alarm aus und schaltet das System ab. Es ist eine obligatorische Sicherheitsvorrichtung in Wasserstoffproduktionsanlagen.
2) Vollständiges Sortiment an Wechsel- und Gleichstrommessgeräten
3) BM200/BM100 Eigensichere Isolationsbarriere
Der Bereich der Wasserstoffproduktion ist als explosionsgefährdete Zone eingestuft; die 4–20 mA-Signale für Temperatur, Druck und Füllstand vor Ort müssen isoliert werden, um die Energie zu begrenzen. Isolierte Sicherheitsbarrieren verhindern das Eindringen gefährlicher Energie in den explosionsgeschützten Bereich und blockieren gleichzeitig starke elektromagnetische Störungen des Gleichrichtersystems, wodurch stabile und zuverlässige SPS-Steuersignale gewährleistet werden.
6. Energiemanagementsystem der Acrel-2000MG Wasserstoffproduktionsanlage: Die intelligente Steuerzentrale für die gesamte Anlage
Hardwaregeräte bieten Schutz und Überwachung, während das Energiemanagementsystem die integrierte Optimierung und Steuerung von Erzeugung, Übertragung, Verbrauch und Speicherung übernimmt – zusammen bilden sie die digitale Kernplattform für Photovoltaik-Kraftwerke zur Erzeugung von grünem Wasserstoff.
Kernsystemvorteile
Koordinierte Mehrquellen-Einspeisung: Integriert Solarenergie, Netzstrom, Elektrolyseure und Energiespeicher; arbeitet bei hoher Solarstromerzeugung mit voller Kapazität für die Wasserstoffproduktion; nutzt Netzstrom als Backup bei Nacht oder Bewölkung; und maximiert die Nutzung von Ökostrom;
Umfassende Datenüberwachung: Aggregiert Daten von 10-kV-Hochspannungssystemen, 0,4-kV-Hilfsanlagen, Gleichstrom-Elektrolysekreisen, Umgebungstemperatur und -feuchtigkeit sowie dem Betrieb der Wasserstoffanlagen, um Berichte über Stromerzeugung, Energieverbrauch bei der Wasserstoffproduktion und Betrieb und Wartung zu erstellen;
Gestufte Störungsmeldungen: Pop-up-Warnungen mit akustischen und visuellen Hinweisen auf Anomalien wie Überstrom, Isolationsbeschädigung, Lichtbogenbildung, Inselbetrieb und Motorüberlastung; löst automatische Leistungsschalterauslösung aus, um das Risiko einer Eskalation des Vorfalls zu minimieren;
Kostenreduzierung durch Lastspitzenkappung und Lastlückenausgleich: Durch die Nutzung von Strompreisstrategien zur Lastspitzenreduzierung – Steigerung der Wasserstoffproduktion in Schwachlastzeiten und Reduzierung des Strombezugs aus dem Netz in Spitzenlastzeiten – senkt das System die Betriebskosten der Anlage erheblich.
Integration von Fernwartung und -betrieb: Unterstützt sowohl lokale Großbildschirme als auch cloudbasierten Fernzugriff und erfüllt so die Anforderungen an die visuelle Verwaltung von Betreibern, Stromnetzbetreibern und Wartungsdienstleistern.
7. Lösungsübersicht: Geeignet für PV-basierte Projekte zur alkalischen Wasserstoffproduktion jeder Größenordnung
Aktuell hält die alkalische Elektrolyse von ALK einen Marktanteil von über 80 %. Diese Sekundäranlagenlösung deckt alles ab – von kleinen, dezentralen Photovoltaik-Wasserstoffproduktionsanlagen bis hin zu großen Anlagen zur Erzeugung von grünem Wasserstoff mit einer Kapazität von 10.000 Tonnen, die Wind- und Solarenergie integrieren. Dabei werden mehrere zentrale Herausforderungen der Branche adressiert:
- 24-Puls-Gleichrichtung mit Oberwellenunterdrückung und gestaffelter Blindleistungskompensation für hohe und niedrige Spannungen, um die Einhaltung der Netzqualitätsstandards zu gewährleisten;
- Dreifacher Sicherheitsschutz – dreiphasiger Differenzialschutz an allen Seiten des Gleichrichtertransformators, DC-Isolation und explosionsgeschützte Sicherheitsbarrieren – für den Einsatz unter gefährlichen Betriebsbedingungen von Wasserstoff;
- Umfassende Lösungen zum Schutz vor Inselbetrieb und Rückfluss in PV-Anlagen gewährleisten die Einhaltung der Netzanschlussbedingungen ohne Strafgebühren;
- Vollständige AC/DC-Energiemessung zur präzisen Berechnung der Kosten pro Kilowattstunde grünen Wasserstoffs;
- Integrierte Energiemanagementplattform zur Optimierung des Verbrauchs erneuerbarer Energien und zur Senkung der Kosten bei gleichzeitiger Steigerung der Effizienz.
Im Zuge der Entwicklung neuer Energiesysteme ist die photovoltaische Wasserelektrolyse zur Wasserstofferzeugung ein Schlüsselfaktor für die Langzeitspeicherung von Energie und die Dekarbonisierung der Industrie. Ein robustes und zuverlässiges sekundäres Stromnetz bildet die Grundlage für den sicheren, stabilen und wirtschaftlichen Betrieb von Projekten zur Erzeugung von grünem Wasserstoff. Acrel bietet eine umfassende Komplettlösung – von mikroprozessorgesteuerten Schutzgeräten, Messgeräten und Isolationsbarrieren bis hin zu Energiemanagementplattformen – und unterstützt damit die großflächige Implementierung der grünen Wasserstoffindustrie.