Stromrichter für netzdienlichen Betrieb von Elektrolyseuren

10.09.2021 – Mittelfristig sollen in Deutschland und auch weltweit große Elektrolyse-Kapazitäten aufgebaut werden. Dafür bedarf es neuartiger Stromrichter, die nicht nur den Anforderungen leistungsstarker Elektrolyseure, sondern auch denen der Stromnetze gerecht werden. Solche Stromrichter entwickelt das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) jetzt zusammen mit Partnern im H₂Giga-Projekt HyLeiT. Besonderes Gewicht liegt dabei auf der Systemintegration der Konverter. Ziel des Projektes ist es, die Kosten gegenüber dem Stand der Technik zu halbieren, eine hohe Gleichstrom-Qualität zu gewährleisten und den netzdienlichen Einsatz von Elektrolyseuren zu ermöglichen.

Modellierung des Netzes und der Elektrolyseure

Im Rahmen von HyLeiT entwickeln die Experten zunächst Labormuster von Stromrichtern. Infineon steuert dazu neuartige Halbleiter bei, die für den Einsatz in Konvertern tauglich gemacht werden. Sie werden den Anforderungen der Elektrolyseure wie des Stromnetzes besser gerecht als die klassischen Thyristor-Halbleiter.

Um die Stromrichter im Systemkontext testen und optimieren zu können, erstellen die Fraunhofer-Forscher echtzeitfähige Simulationsmodelle des Stromnetzes sowie der Elektrolyse-Stacks. Dabei berücksichtigen sie auch die Alterung der Elektrolyseure, da diese im Laufe ihres Lebenszyklus das elektrische Verhalten verändern. Das müsse bei der Auslegung der Stromrichter berücksichtigt werden.

Diese Modelle fließen anschließend in eine „Hardware in the Loop“-Plattform ein. Damit testen die Wissenschaftler die entwickelten Stromrichterkonzepte an allen gängigen Elektrolysetechnologien. Im Fokus stehen dabei die Wechselwirkungen des Stromrichters sowohl mit den Elektrolyse-Stacks als auch mit dem Stromnetz.

Stromrichter ermöglichen netzdienliche Elektrolyse

Das Forscherteam erwartet, dass es im Vorhaben gelingen wird, die Systemkosten der Elektrotechnik vom Netzanschlusspunkt bis zum Gleichstromanschluss am Elektrolyseur gegenüber dem Stand der Technik zu halbieren. Zur Reduktion der Kosten trägt vor allem eine modulare und standardisierte Fertigung der Stromrichter unter Verwendung optimierter Halbleiterbauelemente bei. Dank neuer schaltungstechnischer Verfahren der Stromrichter können zudem passive Komponenten wie etwa Kühlkörper kleiner ausfallen.

Stromrichter-Elektrolyseur-Fraunhofer IEE
Im H₂Giga-Projekt HyLeiT sollen Stromrichter für netzdienlichen Betrieb von Elektrolyseuren entwickelt werden. Bild: Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE

Ein weiteres Ziel des H₂Giga-Projekts HyLeiT ist, die Stromrichter so zu gestalten, dass sich die Elektrolyseure netzdienlich verhalten können. Eine entsprechende Auslegung vorausgesetzt, sollen sie künftig gar aktiv zur Stabilisierung der Netze beitragen, indem sie kurzfristig auf kritische Netzsituation reagieren.

Darüber hinaus zielt das Projekt auch darauf ab, die Gleichstrom-Qualität für den Elektrolyseur zu verbessern, insbesondere in dynamischen Betriebssituationen. Das erhöht die Zuverlässigkeit und Sicherheit und verlängert zudem die Lebensdauer der Anlage.

Neubau bietet ideale Bedingungen für HyLeiT

Die Fraunhofer-Forscher profitieren in diesem Projekt von der technischen Ausstattung, die der Neubau des Instituts in Kassel bietet. Dort steht unter anderem ein Gase-Labor zu Verfügung, in der die Stacks aufgebaut werden können, sowie ein Labor für die Leistungselektronik und die Netzintegration. Der Neubau soll Ende 2021 bezogen werden.

HyLeiT ist Bestandteil des von der DECHEMA koordinierten Leitprojekts H2Giga. Es zielt darauf, die Serienfertigung von Elektrolyseuren voran zu bringen. (ds)

www.iee.fraunhofer.de

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