Impacts of rectifier selection on power quality in a water electrolysis plant : harmonic distortion and reactive power

Abstract

Production of green hydrogen in water electrolysis is an interesting option for supporting the global energy transition towards the carbon neutrality goals, where the growing number of announced projects supports the insight. The water electrolysis can be stated to be an energy intensive process, which encourages to research impacts of electrical power transmission.

Rectifiers affect power quality and control of reactive power. The rectifiers appear as nonlinear load to power grid, which produces harmonic distortion. This research is processing differences between two rectifier technologies in harmonic distortion and reactive power, where total power of a 50 MW electrolysis plant at different load scenarios are simulated and impacts for power grid are evaluated.

Selected rectifier technologies are based on budgetary quotation, which is also utilized for investigate the division of CAPEX costs. Instructions for project implementation is produced, that the on-time design process can be managed and possible surprises for project costs or schedule can be minimized, considering power quality and reactive power.

Based on the simulation results, the IGBT technology doesn’t require external electricity filtering or reactive power compensation, unlike the thyristor technology requires. Because of that, engineering of power distribution can be more straightforward, when utilizing the IGBT technology.

Vihreän vedyn tuotanto vesielektrolyysiprosessissa on mielenkiintoinen vaihtoehto tukemassa globaalia energiasiirtymää kohti hiilineutraalisuustavoitteita, joka voidaan päätellä myös julkaistujen projektien kasvavasta määrästä. Vesielektrolyysiä voidaan pitää energiaintensiivisenä prosessina, mikä kannustaa tutkimaan sähkötehon siirtoon liittyviä vaikutuksia.

Tasasuuntaajat vaikuttavat sähkönlaatuun sekä loistehon hallintaan. Tasasuuntaajat näyttäytyvät verkkoon päin epälineaarisena kuormana, joka aiheuttaa harmonisia yliaaltoja sähköverkossa. Työssä käsitellään kahden eri tasasuuntaajateknologian välisiä eroja harmonisiin yliaaltoihin- sekä loistehoon liittyen ja simulointien avulla paneudutaan 50 MW sähkötehoisen elektrolyysilaitoksen vaikutuksiin sähköverkossa, jossa simuloidaan erilaisia kuormitustilanteita.

Valitut tasasuuntaajateknologiat perustuvat budjettitarjoukseen, minkä perusteella arvioidaan myös teknologioiden välisiä eroja investointikustannusten jakaantumisessa. Työssä luodaan projektiohjeistus, jonka perusteella suunnittelua voidaan ohjata oikea-aikaisesti projektin edetessä ja pyritään minimoimaan projektissa tulevia yllätyksiä sähkönlaatu ja loisteho huomioiden, mitkä voivat aiheuttaa haasteita projektin aikatauluun tai kustannuksiin.

IGBT-teknologia ei vaadi ulkoista sähkön suodatusta eikä loistehon kompensointia simulointituloksiin perustuen, toisin kuin tyristoriteknologian todetaan vaativan. Tämän takia IGBT-teknologian käyttö voi suoraviivaistaa sähkönjakelun suunnittelua.