Cum să asigurați un curent continuu eficient și stabil pentru hidrogenul verde

Trecerea la hidrogenul verde promite reducerea nivelului de gaze cu efect de seră. Energia din surse regenerabile, cum ar fi energia hidroelectrică, eoliană și solară, indiferent dacă este generată la nivel local sau transmisă prin rețeaua electrică, trebuie să fie convertită eficient în curent continuu (c.c.) pentru a electroliza apa. Pentru proiectanții de sisteme, asigurarea unor niveluri ridicate și stabile de curent continuu cu distorsiuni armonice reduse, densitate mare de curent și factori de putere (PF) buni reprezintă o provocare.

Articolul de față prezintă principiul hidrogenului verde. Apoi, prezintă componentele de putere de la Infineon Technologies și arată cum pot fi acestea utilizate pentru a converti intrarea din surse de energie ecologice în ieșiri stabile de energie electrică, cu caracteristicile necesare pentru generarea hidrogenului verde.

Producerea hidrogenului prin electroliza apei

Hidrogenul poate fi separat de apă prin procesul de electroliză. Co-produsul acestui proces este oxigenul. Procesul de electroliză necesită aplicarea unor niveluri ridicate și constante de curent continuu. Acest proces are loc într-o celulă de electroliză sau electrolizor care conține, de obicei, un anod (electrod pozitiv) și un catod (electrod negativ), unde au loc reacțiile electrochimice. Un electrolit lichid sau solid înconjoară electrozii și conduce ionii între aceștia. Un catalizator poate fi necesar pentru a crește viteza de reacție, în funcție de procesul utilizat. Celula este alimentată de o sursă c.c. stabilă, de nivel înalt sau de o sursă de alimentare (Figura 1).

Figura 1: O celulă de bază pentru electroliză separă hidrogenul și oxigenul din apă. (Sursa imaginii: Art Pini)

De asemenea, celula include un separator (neilustrat în această diagramă) pentru a preveni amestecarea hidrogenului și oxigenului care s-au produs la electrozi.

Procesul necesită niveluri ridicate de c.c. În condiții ideale, fără pierderi de energie, este nevoie de minimum 32,9 kilowați-oră (kWh) de energie electrică pentru a electroliza suficiente molecule de apă pentru a produce 1 kilogram (kg) de hidrogen. Aceasta variază în funcție de eficiența procesului de electroliză utilizat.

În prezent sunt utilizate trei procese diferite: electroliza alcalină (AEL), membrana schimbătoare de protoni (PEM) și electroliza cu oxid solid.

Cele mai cunoscute electrolizoare sunt electrolizoarele AEL, care utilizează o soluție alcalină, cum ar fi hidroxidul de potasiu, între electrozii metalici. Acestea sunt mai puțin eficiente decât celelalte tipuri de electrolizoare.

Electrolizoarele PEM utilizează un electrolit din polimer solid îmbunătățit cu catalizatori din metale prețioase. Acestea sunt caracterizate de o eficiență mai mare, timpi de răspuns mai rapizi și modele compacte.

Celulele electrolitice cu oxid solid (SOEC) utilizează un material ceramic solid ca electrolit. Acestea pot fi foarte eficiente, dar necesită temperaturi de funcționare ridicate. Timpii lor de răspuns sunt mai lenți decât ai electrolizoarelor PEM.

În Figura 2 se prezintă o comparație a caracteristicilor celor trei tehnici.

Figura 2: O comparație a caracteristicilor proceselor AEL, PEM și SOEC evidențiază eficiența sporită a electrolizoarelor mai noi. (Sursă imagine: Infineon Technologies)

În prezent, producția de hidrogen verde este mai costisitoare decât producția de hidrogen obținut din combustibili fosili. Această situație poate fi inversată prin îmbunătățirea eficienței componentelor discrete, inclusiv a electrolizoarelor și a sistemelor energetice, și prin extinderea instalațiilor de conversie.

Configurații ale sistemelor de alimentare pentru rețea și surse de energie verde

În prezent, majoritatea instalațiilor de producere a hidrogenului funcționează în afara rețelei electrice. Sursa de alimentare pentru un electrolizor este un redresor c.a. – c.c. alimentat de la un transformator de linie. Instalațiile de electroliză alimentate de la rețea trebuie să respecte toate standardele și codurile de rețea, cum ar fi realizarea unui PF unitar și menținerea unei distorsiuni armonice scăzute. Este nevoie de sisteme de alimentare diferite pe măsură ce sursele de energie verde sunt încorporate în procesul de separare a hidrogenului (Figura 3).

Figura 3: Instalațiile de electroliză trebuie să convertească energia de la sursă în curent continuu pentru celulele de electroliză. (Sursă imagine: Infineon Technologies)

Ca și rețeaua electrică, sursele de energie eoliană funcționează cu c.a., iar alimentarea celulelor de electroliză de la acestea necesită un redresor pentru a converti curentul alternativ în curent continuu. Energia solară și sursele hibride care utilizează baterii se bazează pe convertoare c.c./c.c. pentru a controla nivelurile de curent continuu care alimentează celulele de electroliză. De asemenea, celula de electroliză poate utiliza și un convertor c.c./c.c. local, indiferent de sursa de alimentare. Celula de electroliză reprezintă o sarcină constantă de curent continuu. Din cauza îmbătrânirii celulei electrolizorului, tensiunea aplicată trebuie să crească pe durata de viață a celulei, astfel că sistemul de conversie a puterii (PCS) ar trebui să fie capabil să se adapteze acestui proces. PCS-urile, indiferent dacă sunt conectate la o sursă de curent alternativ sau continuu, vor avea unele specificații comune.

Tensiunea lor de ieșire trebuie să fie cuprinsă între 400 V_c.c. și 1.500 V_c.c. Celulele alcaline au o tensiune maximă de aproximativ 800 V. Celulele PEM nu sunt la fel de limitate și se îndreaptă spre limita superioară a intervalului de tensiune pentru a reduce pierderile și costurile. Intervalul puterii de ieșire poate fi cuprins între 20 kilowați (kW) și 30 megawați (MW). Fluctuația curentului de la PCS ar trebui să fie mai mică de 5%, o specificație care încă este studiată în ceea ce privește efectul său asupra duratei de viață și eficienței celulei. Proiectele redresoarelor PCS pentru sursele de rețea electrică, în special pentru sarcini de putere mai mare, trebuie să respecte cerințele privind sarcinile mari și PF ale companiilor energetice.

Conversia de putere pentru surse de curent alternativ

Instalațiile de hidrogen alimentate cu c.a. necesită un redresor care poate acționa direct o celulă de electroliză sau poate acționa o rețea c.c. conectată la mai multe celule.

Un redresor cu impulsuri multiple este o alegere obișnuită (Figura 4). Fiind bazat pe tiristoare, acest proiect de redresor are o eficiență ridicată, este fiabil, acceptă densități mari de curent și utilizează semiconductori necostisitori.

Figura 4: Un redresor cu impulsuri multiple bazat pe tiristoare are o eficiență ridicată, este fiabil, suportă densități de curent ridicate și utilizează semiconductori necostisitori. Este prezentată o implementare cu 12 impulsuri. (Sursă imagine: Infineon Technologies)

Convertoarele cu impulsuri multiple, bazate pe tiristoare, reprezintă o tehnologie consacrată și bine cunoscută. Redresorul cu tiristor cu 12 impulsuri prezentat în Figura 4 este alcătuit dintr-un transformator de frecvență de putere de tip stea-triunghi-stea cu două înfășurări secundare de joasă tensiune. Înfășurările secundare antrenează două redresoare cu tiristor cu șase impulsuri, cu ieșirile conectate în paralel. Dacă acest redresor acționează direct un electrolizor, unghiul de declanșare al tiristorului controlează tensiunea de ieșire și curentul care circulă în acesta. Unghiul de aprindere poate fi, de asemenea, utilizat pentru a menține curentul în sistem pe măsură ce celula electrolizorului îmbătrânește, iar tensiunea necesară pentru stiva de celule crește. În plus, transformatorul poate include și un comutator de reglaj sub sarcină (OLTC). OLTC modifică raportul de transformare al transformatorului prin comutarea între mai multe puncte de acces sau racorduri pe una dintre înfășurări pentru a crește sau a reduce tensiunea furnizată redresorului.

Infineon Technologies oferă o gamă largă de opțiuni de componente semiconductoare pentru proiectanții PCS. Pentru aceste aplicații cu sursă c.a. se utilizează în mod obișnuit redresoarele cu tiristor. De exemplu, T3800N18TOFVTXPSA1 este un tiristor discret într-o capsulă cu disc TO-200AE montată pe șasiu, a cărui rezistență este evaluată la 1800 V la un curent la pornire de 5970 amperi rădăcină medie pătratică (A_rms). Capsula cu disc oferă o densitate sporită a puterii datorită designului său de răcire cu două fețe.

Proiectarea redresorului de bază poate fi îmbunătățită prin adăugarea convertoarelor coborâtoare ca întrerupătoare periodice post-redresare la ieșirea redresorului. Adăugarea etajului de întrerupător periodic îmbunătățește controlul procesului mai degrabă prin ajustarea ciclului de funcționare a întrerupătorului periodic decât a unghiului de declanșare a tiristorului (Figura 5). Acest lucru reduce gama dinamică necesară pentru tiristor, permițând optimizarea procesului.

Figura 5: Un întrerupător periodic post-redresare reduce distorsiunile de curent și îmbunătățește PF. (Sursă imagine: Infineon Technologies)

Aplicarea întrerupătorului periodic post-redresare folosind tranzistoare bipolare cu poartă izolată (IGBT) elimină necesitatea transformatorului OLTC, reduce distorsiunile de curent și îmbunătățește PF.

FD450R12KE4PHOSA1 de la Infineon Technologies este un modul de întrerupător periodic IGBT destinat acestor aplicații. Este evaluat la o tensiune maximă de 1200 V și un curent de colector maxim de 450 A și vine într-un modul standard de 62 milimetri (mm) din seria C.

Circuitele redresoare mai avansate includ redresoare active bazate pe IGBT. Redresoarele active înlocuiesc diodele sau tiristoarele cu IGBT-uri pe care un controler le pornește și le oprește la momentul potrivit prin intermediul unui driver de poartă (Figura 6).

Figura 6: Un redresor activ înlocuiește diodele sau tiristoarele din circuitul redresorului cu IGBT-uri, care sunt comutate de un controler de comandă a porții. (Sursă imagine: Infineon Technologies)

Spre deosebire de un redresor tradițional, care produce curenți de linie nesinusoidali, un redresor activ are un inductor în serie cu IGBT-urile, ce menține curentul de linie sinusoidal și reduce armonicile. Impedanța IGBT în timpul conducției este foarte scăzută, ceea ce reduce pierderile de conducție și îmbunătățește eficiența în comparație cu un redresor standard. Un controler redresor activ menține un PF unitar, astfel că nu sunt necesare dispozitive externe de corecție a factorului de putere (PFC). De asemenea, funcționează la frecvențe de comutare mai mari, rezultând în componente pasive și filtre de dimensiuni mai mici.

FF1700XTR17IE5DBPSA1 combină două IGBT-uri într-o configurație cu jumătate de punte într-o capsulă modulară PrimePACK 3+. Acesta este evaluat să suporte 1700 V cu un curent de colector maxim de 1700 A. Circuitul prezentat în Figura 6 ar utiliza trei astfel de module.

Un driver de poartă IGBT, precum 1ED3124MU12HXUMA1, pornește și oprește o singură pereche de IGBT-uri. Driverul de poartă este izolat galvanic folosind tehnologia transformatorului fără miez. Este compatibil cu IGBT-urile cu tensiuni nominale cuprinse între 600 și 2300 V și are un curent de ieșire tipic de 14 A pe pini de sursă și de consum separați. Pinii logici de intrare funcționează pe o gamă largă de tensiuni de intrare, de la 3 la 15 V, utilizând niveluri de prag CMOS pentru a suporta microcontrolere de 3,3 V.

Conversia de putere pentru sursele c.c.

Separarea hidrogenului folosind surse de alimentare c.c., cum ar fi energia fotovoltaică și sistemele hibride bazate pe baterii, necesită convertoare c.c./c.c. După cum s-a menționat anterior, aceste convertoare pot îmbunătăți performanța redresoarelor cu diodă/tiristor. De asemenea, acestea permit optimizarea rețelelor locale de curent continuu pentru flexibilitatea instalației.

Convertorul coborâtor intercalat utilizează module de întrerupător periodic cu jumătate de punte în paralel pentru a schimba nivelul de curent continuu de la intrare la ieșire (Figura 7).

Figura 7: Un convertor coborâtor intercalat reduce nivelul de curent continuu de intrare, V_DC1, la nivelul de ieșire V_DC2. (Sursă imagine: Infineon Technologies)

Cu un control adecvat al intercalării, această topologie de convertor c.c./c.c. reduce semnificativ fluctuațiile c.c. fără a crește dimensiunea inductorilor sau frecvența de comutare. Fiecare fază a implementării poate fi realizată cu ajutorul unui modul adecvat. FF800R12KE7HPSA1 este un modul IGBT cu jumătate de punte, de 62 mm, adecvat pentru convertorul c.c./c.c. cu topologie de coborâre. Este evaluat pentru o tensiune maximă de 1200 V și suportă un curent de colector maxim de 800 A.

Convertorul cu punte dublă activă (DAB) este o alternativă la convertorul coborâtor (Figura 8).

Figura 8: Un convertor DAB realizează reducerea tensiunii și asigură izolarea galvanică între intrare și ieșire. (Sursă imagine: Infineon Technologies)

Convertorul DAB utilizează un transformator de înaltă frecvență pentru a cupla circuitele de intrare și ieșire cu punte completă pentru a asigura izolarea galvanică. O astfel de izolare este adesea utilă pentru a minimiza coroziunea rezervorului și a electrozilor celulei electrolizorului. Circuite identice cu punte completă sunt acționate cu unde pătrate complementare. Fazarea semnalelor de acționare între partea primară și cea secundară determină direcția fluxului de energie. În plus, convertorul DAB minimizează pierderile de comutare prin utilizarea comutării la zero volți a IGBT-urilor. Circuitul poate fi fabricat cu module IGBT cu jumătate de punte sau MOSFET din carbură de siliciu (SiC).

Concluzie

Odată cu creșterea cererii mondiale de surse de energie nepoluante, separarea hidrogenului verde bazat pe surse de energie regenerabilă va deveni tot mai importantă. Astfel de surse necesită o alimentare c.c. eficientă, fiabilă și foarte stabilă. Proiectanții pot utiliza portofoliul larg de semiconductori de tensiune și curent ridicat de la Infineon Technologies pentru componentele necesare de conversie a puterii.