Onderzoekers in Spanje hebben een vergelijkende analyse gemaakt van de jaarlijkse waterstofproductie op basis van fotovoltaïsche systemen voor directe en indirecte configuraties. Ze hebben ontdekt dat indirecte systemen niet alleen meer waterstof produceren, maar ook beter bestand zijn tegen vermogensverlies van modules.
Schema's van de directe koppelingsconfiguratie (a) en de indirecte koppelingsconfiguratie (b)
Afbeelding: Universidad Politécnica de Madrid, Energieconversie en -beheer, CC BY 4.0
Wetenschappers van de Technische Universiteit van Madrid in Spanje hebben een vergelijkende studie uitgevoerd naar directe en indirecte koppelingsconfiguraties voor PV en elektrolyzers bij de productie van groene waterstof (H2). De studie was gebaseerd op numerieke simulaties uitgevoerd op de software MATLAB, met weersomstandigheden gebaseerd op een typisch meteorologisch jaar in Madrid.
PV-aangedreven waterstofsystemen waarin de ingang van de elektrolyzer is verbonden met de elektrische uitgang van de PV-generator zonder een tussenliggende vermogenstrap, worden vaak aangeduid als systemen met een directe koppelingsconfiguratie. Systemen met een indirecte configuratie maken daarentegen gebruik van elektronica om de PV-generator op maximaal vermogen te laten werken en maken gebruik van Maximum Power Point Tracking (MPPT). Hiermee wordt gezorgd voor een maximale PV-stroomopwekking als de meteorologische omstandigheden variëren. Een DC-DC-omvormer stemt het door de MPPT geleverde uitgangsvermogen af op het ingangsvermogen van de elektrolyser.
"De indirecte configuratie omvat een vermogensfase (PS) met een maximum power point tracker en een DC-DC-omvormer, die een optimale vermogensoverdracht van PV naar elektrolyzers handhaaft, maar verliezen bij de PS veroorzaakt. De directe configuratie vermijdt deze verliezen, maar vereist een specifiek ontwerp van de PV-generator om een hoge elektrische overdracht te bereiken", aldus de wetenschappers, verwijzend naar de belangrijkste voor- en nadelen van elke configuratie.
“Ter verdediging van directe koppeling stellen diverse auteurs dat deze configuratie goed genoeg zou kunnen zijn om de elektrolyzer dicht bij de MPP te laten werken als de PV-array en de elektrolyzer correct zijn ontworpen; anderen stellen dat de configuratie met directe koppeling economisch voordelig is, omdat de kosten van elektronische koppelingssystemen volledig worden vermeden.”
De onderzoeksgroep voerde een reeks simulaties uit op een experimentele opstelling bestaande uit een 100 W zonnemodule en een protonenuitwisselingsmembraan (PEM) elektrolyser met een maximale stroomdichtheid van 4 A-cm2. In het geval van het indirecte systeem wordt aangenomen dat de efficiëntie van de DC-DC-omvormer 95% is, terwijl in het geval van het directe systeem het aantal in serie geschakelde zonnecellen en het celoppervlak werden geoptimaliseerd, terwijl het vermogen van de PV-module behouden bleef voor een eerlijke vergelijking.
“De aanwezigheid van de MPPT zorgt ervoor dat de PV-module op zijn MPPT werkt voor alle meteorologische omstandigheden, in tegenstelling tot de configuratie met directe koppeling, die alleen in de buurt van MPPT werkt voor een beperkt bereik van wereldwijde bestralingssterkte en temperatuur, “Zelfs als het aantal cellen geoptimaliseerd is”, legde de groep uit.
“Dit hogere PV-vermogen vertaalt zich ook in een grotere hoeveelheid elektrisch vermogen dat naar de elektrolyser wordt overgebracht en dus in een grotere H2-productie.”
Door deze analyse ontdekten de wetenschappers dat, dankzij de PS, de indirecte koppelingsconfiguratie 223 kWh per jaar aan elektrische energie kan injecteren, wat 39.4% meer is dan de directe configuratie, in de elektrolyzer. Dit zou genoeg zijn om 5.79 kg H2 per jaar te produceren, wat 37.5% meer zou zijn dan de hoeveelheid die wordt geproduceerd in het directe koppelingssysteem.
Het directe systeem bleek bovendien een energie-efficiëntie van 5% te behalen, terwijl het indirecte systeem een efficiëntie van 6.9% liet zien.
Daarnaast beoordeelden de wetenschappers ook welk systeem beter bestand is tegen modulevermogensverlies. Als het een van de 20 cellen in de PV-module zou verliezen, zou het directe systeem 18.3% van zijn H2-productie verliezen, terwijl het indirecte systeem slechts 5% zou verliezen. Bij een verlies van zeven cellen zal het directe systeem geen H2 meer produceren, terwijl het indirecte systeem het nog steeds zal produceren, zij het met een 37% lagere capaciteit.
Bovendien ontdekten de academici dat alleen wanneer de efficiëntie van de DC-DC-converter daalt tot onder de 73%, deze minder H2 produceert dan het direct gekoppelde systeem. "Om een DC-DC-converterontwerp als geldig te beschouwen, moet de efficiëntie ervan 90% overschrijden, dus een scenario met efficiënties en H2-productie zo laag als in de directe koppeling is onwaarschijnlijk", benadrukten de onderzoekers.
Hun bevindingen zijn te vinden in de studie “Optimizing hydrogen Production: A comparative study of direct and indirect coupling between photovoltaics and electrolyzer,” gepubliceerd in Energieconversie en -beheer.
Deze content is auteursrechtelijk beschermd en mag niet worden hergebruikt. Als u met ons wilt samenwerken en een deel van onze content wilt hergebruiken, neem dan contact op met: editors@pv-magazine.com.
Bron van pv tijdschrift
Disclaimer: De hierboven vermelde informatie wordt onafhankelijk van Chovm.com door pv-magazine.com verstrekt. Chovm.com geeft geen verklaringen en garanties met betrekking tot de kwaliteit en betrouwbaarheid van de verkoper en producten. Chovm.com wijst uitdrukkelijk elke aansprakelijkheid af voor inbreuken met betrekking tot het auteursrecht op inhoud.
