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Strommessungen bei Elektrolyseanwendungen
Die Wasserstofftechnologie gilt als ein Schlüsselelement für eine erfolgreiche Energiewende. Sie ermöglicht eine erhebliche Reduzierung der Kohlendioxidemissionen, insbesondere im Industrie- und Transportsektor. Wasserstoff kann als Energiequelle gespeichert und transportiert sowie zur Energieumwandlung genutzt werden. Dies wird durch den Prozess der Elektrolyse ermöglicht. Dabei werden Elektrolyseure eingesetzt, die mit Hilfe von Strom Wasser in seine Bestandteile Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O) spalten („Power-to-Gas“ oder „Power-to-X“).
Elektrolyseure werden überall dort eingesetzt, wo die Wasserstofferzeugung aus logistischer und energetischer Sicht sinnvoll ist – zum Beispiel bei großen Photovoltaikanlagen oder Windparks. Dort kann die erneuerbare Energie direkt vor Ort für die Wasserelektrolyse genutzt werden. Der Wasserstoff kann dann mit Hilfe von Brennstoffzellen wieder in Strom umgewandelt werden.
Der Einsatz von Elektrolyseuren eignet sich auch zur Erzeugung von Wasserstoff, der in das Erdgasnetz eingespeist wird. Bis zu 10% Wasserstoff können direkt in das Erdgasnetz eingespeist werden. Alternativ dazu kann er auch durch Methanisierung in Erdgas umgewandelt werden.
Darüber hinaus kann Wasserstoff fossile Brennstoffe in einigen CO2-intensiven industriellen Prozessen, wie z.B. im Stahl- oder Chemiesektor, ersetzen und so dazu beitragen, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren und die globale Wettbewerbsfähigkeit weiter zu stärken.
Der Wirkungsgrad eines Elektrolyseurs kann anhand der elektrischen Energie definiert werden, die erforderlich ist, um einen Kubikmeter Wasserstoff unter Standardbedingungen zu erzeugen: Bei einem modernen Hochdruckelektrolyseur beträgt dieser Bedarf weniger als 4,8 kWh pro m3 (Standardvolumen) bei einem Druck von 12 bar. Dies entspricht einem Wirkungsgrad von 62,5% (basierend auf dem unteren Heizwert von Wasserstoff).
Die Effizienz der Elektrolyseanlagen ist der entscheidende technische und wirtschaftliche Faktor bei der elektrochemischen Herstellung von Wasserstoff aus erneuerbaren Energien.
Die relativ hohen Stromkosten sind heute neben den Betriebsstunden und der Abschreibung der Anlage ein wichtiger Faktor bei den Kosten der Wasserstoffproduktion. Aus technischer Sicht können diese Kosten nur durch eine Steigerung der Gesamteffizienz des Systems gesenkt werden.
Insbesondere bei Wirkungsgradmessungen muss die Gesamtgenauigkeit der Messkette sehr präzise sein. Selbst kleine Verhältnisfehler können zu großen Abweichungen bei der Bestimmung von Wirkungsgraden und Verlusten führen. Das liegt daran, dass Verluste nicht direkt gemessen werden können, sondern nur als Differenz zwischen der Eingangsleistung und der Ausgangsleistung berechnet werden können.
Mit den in der obigen Abbildung verwendeten Leistungswerten kann nun eine Beispielrechnung für Stromwandler mit der Verhältnisgenauigkeit von 0,1% durchgeführt werden. Im ungünstigsten Fall wird der Messwert der Eingangsleistung um 0,1% erhöht und gleichzeitig der Messwert der Ausgangsleistung um 0,1% verringert. Dies führt zu dem größtmöglichen Fehler bei der Berechnung der Verlustleistung.
Wenn Stromwandler mit einer Genauigkeit von 0,1% zur Messung der Eingangs- und Ausgangsleistung verwendet werden, kann die berechnete Verlustleistung des Testgeräts, z.B. eines Frequenzumrichters, im schlimmsten Fall um 3,9% vom wahren Wert abweichen. Bei allen anderen notwendigen Komponenten wie Spannungsteilern und dem Leistungsanalysator selbst wird davon ausgegangen, dass sie ideal und fehlerfrei sind.
Die folgende Abbildung 2 zeigt die Auswirkungen der verschiedenen Verhältnisfehler bei der aktuellen Messung auf die prozentualen Abweichungen bei der Verlustberechnung.
Die Messfehler des Leistungsanalysators oder der Spannungssensoren müssen in der Praxis ebenfalls berücksichtigt werden. Der berechnete Wert von 3,9% ist auf der grünen Linie für die Genauigkeit von 0,1% markiert. Der prozentuale Fehler bei der Verlustberechnung steigt mit zunehmender Effizienz des getesteten Geräts.
Um den Fehler so gering wie möglich zu halten, selbst bei Gleichrichtern mit hohem Wirkungsgrad, werden Stromwandler mit einem Amplitudenfehler im ppm-Bereich benötigt.
Bei der Wasserstoffproduktion können verschiedene Effizienzanalysen durchgeführt werden. Um die elektrischen Komponenten zu bewerten, werden in der Regel die folgenden Effizienzmessungen durchgeführt.
Die DC-Ströme liegen oft im zweistelligen kA-Bereich. Danisense bietet in seinem Standardportfolio Stromsensoren an, die kontinuierlich bis zu 10 kA DC messen können. Wenn die Werte darüber liegen, entscheiden sich viele Kunden dafür, Stromwandler in die jeweiligen Stromeingangskanäle des Netzanalysators einzuschalten. Die folgende Abbildung zeigt eine schematische Darstellung des Messaufbaus im Gleichstromkreis.
Diese Methode verdoppelt nicht nur den Messbereich. Auch die Toleranz der Strommessung wird verdoppelt. Aufgrund der unschlagbaren Genauigkeit der Fluxgate-Stromwandler liegt die Gesamttoleranz jedoch immer deutlich unter der Kundenspezifikation. Das folgende Diagramm zeigt die Genauigkeit des häufig verwendeten DR5000IM.
Wenn das Messgerät den DC-Offset des Stromwandlers kompensieren kann* (z.B. Nullabgleichfunktion bei der ZES ZIMMER LMG600 Serie), können auch bei kleinen Primärströmen sehr hohe Genauigkeiten erreicht werden.
Danisense Stromwandler wurden in vielen Projekten in Kombination mit ZES ZIMMER Leistungsanalysatoren der LMG600 Serie eingesetzt und empfohlen. Der Kunde kann also bewährte Technologie in einem neuen und anspruchsvollen technischen Bereich einsetzen. Das LMG600 von ZES ZIMMER misst nicht nur hochpräzise die TRMS-Werte des Messsignals, sondern zeigt auch die AC- und DC-Komponenten einzeln an. Dank der sehr hohen Auflösung von 18 Bit ist es möglich, sehr kleine AC-Komponenten (z.B. durch den Gleichrichter verursachte Ripple-Komponenten) auf dem DC-Signal zu identifizieren und zu analysieren. In Kombination mit den Präzisionsstromwandlern von Danisense, die eine hervorragende DC- und AC-Genauigkeit bieten, steht Ihnen ein perfektes Analysesystem zur Verfügung.
Die folgende Abbildung zeigt ein kürzlich durchgeführtes europäisches Projekt zur Messung der Effizienz von Windkraftanlagen. Der Abschlussbericht ist über den angegebenen Link frei zugänglich.
Die Autoren:
Roland Buerger – Danisense A/S
Timothy Hertstein – ZES ZIMMER