全球綠色氫能需求激增，制造商競相擴產(chǎn)，目標2030年前達155GW/年產(chǎn)能。展望至2050年，預計全球?qū)⒂?0%至80%的氫氣供應實現(xiàn)脫碳。電解水作為綠色氫能基礎(chǔ)設施的基石，其重要性日益凸顯。鑒于電解水過程對高水平且穩(wěn)定直流電流的嚴格要求，電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）在電解制氫設備中扮演著至關(guān)重要的角色。

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直播主題

驅(qū)動綠色未來：功率半導體在制氫電能轉(zhuǎn)換的革新解決方案

直播日期

2024年7月30日14：00

白皮書概覽

功率轉(zhuǎn)換技術(shù)在綠氫生產(chǎn)中的重要性（2024年）

摘要

全球?qū)G色氫氣的需求量很大，而且還在快速增長。一些研究預測，到2050年，生產(chǎn)綠色氫氣所需的電力需求將達到4500千兆瓦，而現(xiàn)在（2023年）的電力需求約為25千兆瓦。綠色氫氣將減少以氫氣為原料的現(xiàn)有工業(yè)的碳足跡，而新型能源儲存和運輸方法的開發(fā)也將推動這一指數(shù)級增長。

目前，大多數(shù)氫氣生產(chǎn)嚴重依賴化石燃料，因此是二氧化碳（CO2）排放的重要來源。使氫氣生產(chǎn)實現(xiàn)碳中和的環(huán)境、政治和經(jīng)濟壓力越來越大。因此，電解水在未來的制氫中將發(fā)揮重要作用。它還將影響能源系統(tǒng)的構(gòu)建方式。目前，電解水法的氫氣產(chǎn)量僅占全球氫氣產(chǎn)量的2%左右。電解水法利用風能和太陽能等可再生能源作為工藝輸入，從而產(chǎn)生綠色氫氣。

電解水需要高水平且穩(wěn)定的直流電流，因此，在任何電解制氫設備中，電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)都至關(guān)重要。綠色電解廠必須能夠直接或通過電網(wǎng)使用來自風力發(fā)電場或太陽能陣列的電力。它還必須能夠?qū)⑦@些不同能量來源的輸入轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電氣特性輸出，以經(jīng)濟的方式產(chǎn)生氫氣。

本文先簡要探討了推動氫氣市場增長的系數(shù)，然后重點介紹了電解所需的電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(PCS)。介紹了一些典型的電解設備布局，以及交流-直流和直流-交流電源轉(zhuǎn)換的拓撲結(jié)構(gòu)。作為功率半導體領(lǐng)域的全球領(lǐng)導者，英飛凌全面的產(chǎn)品組合為PCS設計人員提供了廣泛的選擇。本文最后將概述英飛凌的產(chǎn)品和能力。

全球氫能市場

為工業(yè)用途供應氫氣是全球一項主要的全球業(yè)務，自1975年以來，需求量增長了三倍，而且還在繼續(xù)增長。然而，今天的氫氣生產(chǎn)幾乎完全依賴化石燃料。它消耗了全球約6%的天然氣和2%的煤。目前，全球制氫產(chǎn)生的二氧化碳排放量估計為每年8.3億噸，相當于英國和印度尼西亞二氧化碳排放量的總和。再加上對氫的需求不斷增加，這種電平排放與全球為限制氣候變化所做的努力格格不入。

因此，重點在于氫氣生產(chǎn)的去碳化。國際能源機構(gòu)（IEA）最近的一份報告描述了綠色氫能如何獲得前所未有的政治和商業(yè)支持。報告的結(jié)論是，現(xiàn)在正是擴大綠色氫技術(shù)和基礎(chǔ)設施的合適時機。世界各地的制造商最近都宣布了擴大綠色氫氣生產(chǎn)設施的計劃，目標是到2030年達到155千兆瓦/年的總生產(chǎn)能力。預計到2050年，全球60%至80%的氫氣供應將實現(xiàn)脫碳。

電解水是綠色氫能基礎(chǔ)設施的關(guān)鍵組成部分。隨著基礎(chǔ)設施規(guī)模的擴大，將可再生能源整合進氫氣生產(chǎn)設施的電力需求也將大幅增長，到2050年將達到4500千兆瓦（見圖1）。

圖1.滿足《巴黎氣候協(xié)定》規(guī)定的碳中和綠色制氫需求所需的裝機電力。

電解水

電解法利用電能將水電解成氫和氧，從而產(chǎn)生氫氣。該過程需要高質(zhì)量的直流電（DC）。理論上，假設沒有能量損失，至少需要32.9千瓦時的電能才能分裂出足夠的水分子來產(chǎn)生1千克氫氣。電解槽通常包含以下組件：

陽極和陰極-發(fā)生電化學反應的正極和負極

在電極間導通離子的電解質(zhì)，可以是液體或固體

加快反應速度的催化劑

防止電極上產(chǎn)生的氫氣和氧氣混合的分離器

電源或氫能轉(zhuǎn)換器，提供電解所需的電能

根據(jù)所使用的電解質(zhì)類型，電解槽主要有三種類型：

堿性：這種電解器使用堿性溶液，是最常見的電解器。它們以經(jīng)久耐用、成本低而著稱。然而，與其他類型的電解槽相比，它們的效率較低

質(zhì)子交換膜（PEM）：這些設備使用固體聚合物電解質(zhì)，效率高、響應時序快、設計緊湊。不過，這些電解槽比堿性電解槽昂貴，因為它們使用鉑等貴金屬作為催化劑

固體氧化物：這些電解槽使用固體陶瓷材料作為電解質(zhì)。與PEM電解槽相比，它們的效率高，但需要較高的工作溫度，響應時間也較慢

雖然綠色氫氣在未來能源系統(tǒng)中的潛力已被充分認識，但與化石燃料生產(chǎn)的氫氣相比，其成本很高。這一點，以及缺乏適當?shù)幕A(chǔ)設施，都是刺激綠色氫能廣泛應用需要應對的一些挑戰(zhàn)。降低成本的工作重點是提高電解槽、電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和壓縮機等單個部件的效率，以及通過建設更大規(guī)模的工廠來提高規(guī)模經(jīng)濟效益。由于電解槽是綠色產(chǎn)品制氫基礎(chǔ)設施的關(guān)鍵要素（見圖2），其性能和效率在未來的能源系統(tǒng)中將非常重要。

圖2.電解氫--未來能源系統(tǒng)的一部分

電解槽廠可以吸收現(xiàn)有和新的可再生能源系統(tǒng)產(chǎn)生的多余能量，從而提高這些系統(tǒng)的利用率。這將為運營商提供另一個網(wǎng)絡平衡杠桿，從而緩解電網(wǎng)壓力。如圖2所示，綠色氫氣可用于各行各業(yè)：

作為冶金、水泥、供熱、化工和農(nóng)業(yè)等高能耗重工業(yè)的燃料或能源載體（以氨或甲醇合成為基礎(chǔ)）

作為燃料電池的原料，為牽引車、商用車和農(nóng)用車(CAV)、全電動汽車以及商用和民用建筑等廣泛應用產(chǎn)生電能

作為燃氣發(fā)電廠的發(fā)電燃料，替代天然氣的使用，并減少他們的碳足跡

作為一種季節(jié)性能源儲存媒介，未來可更好地利用可再生能源發(fā)電廠

開發(fā)高效、綠色、可規(guī)模化運行的制氫基礎(chǔ)設施，在很大程度上取決于能夠為電解過程高效提供優(yōu)質(zhì)電能的PCS。近年來，人們對功率轉(zhuǎn)換進行了大量研究。下一節(jié)，我們將研究考慮在PCS中部署的主要轉(zhuǎn)換拓撲。

由于篇幅原因，“電解槽設備系統(tǒng)要求”和“電源拓撲”部分詳見白皮書。

英飛凌解決方案

迄今為止的討論涵蓋了PCS中使用的常見拓撲結(jié)構(gòu)，并強調(diào)了對各種功率半導體的要求，從晶閘管和二極管到IGBT和MOSFET，工作電壓和電流范圍很廣。英飛凌全面的功率半導體產(chǎn)品組合（見圖12）可一站式滿足所有功率半導體需求。它涵蓋了從幾千瓦到幾兆瓦所有功率的交流和直流耦合拓撲(射頻，無線電信號)頻譜的全部性能。

圖3.英飛凌的功率半導體產(chǎn)品組合涵蓋了各種交流和直流耦合拓撲的全部性能范圍[10]

英飛凌的產(chǎn)品組合包括以下器件：

■ 晶閘管

晶閘管整流器通常用于大電流（>1兆瓦）、交流耦合應用。英飛凌提供各種適用于大功率、大電流整流器的晶閘管。此外，還包括一系列平板型相控晶閘管和模塊。功率圓盤可雙面冷卻，具有出色的電流密度和可靠性。英飛凌提供帶111毫米圓盤的預制風冷堆棧和帶120毫米圓盤的5兆瓦水冷堆棧。預制堆棧和模塊化機柜設計可簡化整流器設計，縮短上市時間。T3841N18就是用于高能量設計的大電流晶閘管的一個例子。

圖4.T3841N18，平板型晶閘管

■ IGBT

IGBT可用于AFE、MMC、交錯降壓和DAB拓撲。英飛凌廣泛的IGBT產(chǎn)品包括一系列封裝，從小功率（分立和Easy）到中等功率（EconoDUAL和62mm）和高功率（PrimePACK、IHV）。電解應用通常需要大直流電流，英飛凌在每個封裝中都提供大電流模塊。例如，IKY140N120CH7采用基于IGBT7技術(shù)的TO-247PLUS封裝，電流為140A；FF800R12KE7采用類似技術(shù)，電流為800A，采用標準62mm封裝。對于AFE拓撲結(jié)構(gòu)，較大的二極管是有益的，因為轉(zhuǎn)換器是作為整流器運行的。在此，英飛凌提供增強二極管模塊，如針對整流進行優(yōu)化的FF1700XTRIE5D。

對于接近低電壓指令規(guī)定的1500VDC極限的解決方案，英飛凌憑借FF1800R23IE7在市場上處于領(lǐng)先地位。

圖5.IKY140N120CH7, 140A in a tiny TO-247PLUS

圖6.FF800R12KE7，標準大電流62mm封裝

圖7.PrimePACK3+封裝。FF1700XTR17IE5D，用于整流的增強型二極管。FF1800R23IE7、2.3kV模塊，用于1500V直流母線電壓

■ SiC MOSFET

SiC MOSFET對于DAB和高開關(guān)頻率應用尤其具有吸引力。英飛凌的產(chǎn)品組合包括各種SiC MOSFET。它已經(jīng)涵蓋了1500VDC的細分市場，并提供各種封裝的2kV SiC模塊例如，IMYH200R012M1H只有12mΩ，采用專為1500 VDC應用設計的TO-247-4-PLUS-HCC封裝。在更標準的封裝（如62毫米）中，英飛凌的產(chǎn)品系列包括1.2KV電壓的2mΩ FF2MR12KM1H和2kV電壓的3mΩ FF3MR20KM1H。

英飛凌還提供FF2000XTR33T2M1，這是一款3.3kV 2mΩ SiC，，采用低電感XHP2封裝。該模塊具有獨特的3μs短路耐受能力。

圖8.IMYH200R012M1H，12mΩ in專用于1500 VDC應用的TO-247-4-PLUS-HCC封裝

專為1500 VDC應用而設計

圖9.采用標準62毫米封裝的CoolSiC
FF2MR12KM1H和FF3MR20KM1H

毫無疑問，隨著全世界都在尋求可靠和安全的能源，同時也有助于減少重工業(yè)的碳足跡，對氫的需求將繼續(xù)增長。為了防止排放量不可持續(xù)地增加，氫氣的生產(chǎn)必須越來越多地以可再生能源為基礎(chǔ)。為此，需要對電解水能力進行大量投資。有效的功率轉(zhuǎn)換對于電解的效率和成本效益至關(guān)重要。英飛凌憑借其專業(yè)技術(shù)和廣泛的功率半導體產(chǎn)品組合，成為P2H基礎(chǔ)設施開發(fā)的重要合作伙伴。