記事
電解アプリケーションにおける電流測定
水素技術は、エネルギー転換を成功させるための重要な要素であると考えられている。特に産業部門や運輸部門において、二酸化炭素排出量を大幅に削減することが可能になる。水素はエネルギー源として貯蔵・輸送が可能で、エネルギー変換にも利用できる。これを可能にするのが電気分解である。電解槽は電気を利用して水を水素（H2）と酸素（O）に分解する（「Power-to-Gas」または「Power-to-X」）。
電解槽は、大規模な太陽光発電所や風力発電所など、物流やエネルギーの観点から水素製造が適切な場所で使用される。そこでは、再生可能エネルギーを現場で直接、水の電気分解に利用することができる。水素はその後、燃料電池を使って再び電気に変換することができる。
電解槽の使用は、天然ガス送電網に供給する水素の製造にも適している。最大10％の水素を天然ガス系統に直接供給することができる。また、メタン化によって天然ガスに変換することもできる。
さらに、鉄鋼や化学部門など、CO2を大量に排出する一部の工業プロセスにおいて、化石燃料を水素に置き換えることができるため、温室効果ガスの排出量を削減し、国際競争力をさらに強化することができる。
電解槽の効率は、標準的な条件下で 1 立方メートルの水素を生成するのに必要な電気エネル ギーに基づいて定義することができます。最新の高圧電解槽では、圧力 12 bar で、1 m3 (標準体積) あたり 4.8 kWh 未満です。これは62.5%の効率に相当する（水素の低位発熱量に基づく）。
電解システムの効率は、再生可能エネルギーを利用した電気化学的水素製造において、技術的にも経済的にも決定的な要因である。
今日の比較的高い電気料金は、運転時間やプラントの減価償却費とともに、水素製造コストの大きな要因となっている。技術的な観点からは、これらのコストはシステム全体の効率を高めることによってのみ削減できる。
特に効率測定では、測定チェーンの全体的な精度が非常に正確でなければなりません。小さな比率の誤差であっても、効率と損失を決定する際には大きな偏差につながります。損失は直接測定できず、入力電力と出力電力の差として計算するしかないからです。
上図で使用した電力値で、比精度0.1%の電流変換器の計算例を実行することができる。最悪のシナリオでは、入力電力の測定値が0.1%増加し、同時に出力電力の測定値が0.1%減少する。その結果、電力損失の計算において最大の誤差が生じる。
精度が0.1%の電流変換器を入出力電力の測定に使用した場合、周波数変換器などの試験装置の電力損失の計算値は、最悪の場合、真の値から3.9%乖離する可能性があります。分圧器や電力分析器自体など、その他の必要な部品はすべて、誤差のない理想的なものであると仮定します。
次の図2は、電流測定におけるさまざまな比率の誤差が、損失計算の偏差率に及ぼす影響を示している。
パワーアナライザーや電圧センサーの測定誤差も実際には考慮しなければならない。計算値3.9%は、精度0.1%に対して緑色の線で示されている。損失計算における誤差の割合は、被試験デバイスの効率が高くなるにつれて大きくなります。
高効率の整流器であっても誤差をできるだけ小さくするためには、ppmの範囲の振幅誤差を持つ電流変換器が必要である。
水素製造では、さまざまな効率分析を実施することができる。電気コンポーネントを評価するために、通常、以下の効率測定が実施される。
直流電流はしばしば2桁kAの範囲になります。ダニセンスは、最大10kAのDC電流を連続測定できる電流センサを標準品として提供しています。これより高い値の場合、多くのお客様はパワーアナライザーの各電流入力チャンネルに電流変換器を相互接続することにしています。次の図は、DC回路における測定セットアップの概略図です。
この方法は測定範囲を2倍にするだけではない。電流測定の公差も2倍になります。しかし、フラックスゲート電流トランスデューサの精度は他の追随を許さないため、全体的な許容誤差は常に顧客仕様を大きく下回ります。次の図は、頻繁に使用されるDR5000IMの精度を示しています。
測定器が電流トランスデューサのDCオフセットを補正*（例えばZES ZIMMER LMG600シリーズのゼロ調整機能）できれば、小さな一次電流でも非常に高い精度を達成できます。
ダニセンスの電流トランスデューサは、LMG600シリーズのZES ZIMMERパワーアナライザと組み合わせて多くのプロジェクトで使用され、推奨されています。そのため、お客様は新しい困難な技術分野でも実績のある技術を使用することができます。ZES ZIMMER社のLMG600は、測定信号のTRMS値を高精度に測定するだけでなく、AC成分とDC成分を個別に表示します。18ビットという非常に高い分解能により、DC信号上の非常に小さなAC成分（整流器によるリップル成分など）を識別し、解析することが可能です。卓越した直流・交流精度を提供するDanisenseの高精度電流変換器と組み合わせれば、完璧な分析システムを自由に利用することができます。
次の図は、風力タービンの効率測定に関する最近の欧州プロジェクトを示しています。最終報告書はリンクから自由にアクセスできます。
著者たち
Roland Buerger – Danisense A/S
Timothy Hertstein – ZES ZIMMER