Come garantire una corrente c.c. efficiente e stabile per l'idrogeno verde

Il passaggio all'idrogeno verde promette di ridurre i livelli di gas serra. L'energia proveniente da fonti rinnovabili come quella idroelettrica, eolica e solare, generata localmente o trasmessa attraverso la rete elettrica, deve essere convertita in modo efficiente in corrente continua (c.c.) per elettrolizzare l'acqua. Per i progettisti di sistemi, fornire livelli di corrente continua elevati e stabili con bassa distorsione armonica, alta densità di corrente e buoni fattori di potenza (PF) è una grossa sfida.

Questo articolo illustra il principio dell'idrogeno verde. Presenta quindi i componenti di potenza di Infineon Technologies e mostra come utilizzarli per convertire gli ingressi provenienti da fonti energetiche ecocompatibili in uscite di potenza elettrica stabili con le caratteristiche richieste per generare idrogeno verde.

Generazione di idrogeno per elettrolisi dell'acqua

L'idrogeno può essere separato dall'acqua mediante il processo di elettrolisi. Il coprodotto di questo processo è l'ossigeno. Il processo di elettrolisi richiede l'applicazione di livelli elevati e costanti di corrente continua. Questo processo avviene in una cella elettrolitica, o elettrolizzatore, che contiene tipicamente un anodo (elettrodo positivo) e un catodo (elettrodo negativo) per le reazioni elettrochimiche. Un elettrolita liquido o solido racchiude gli elettrodi e conduce gli ioni tra di essi. A seconda del processo utilizzato, può essere necessario un catalizzatore per aumentare la velocità di reazione. La cella è alimentata da una fonte o da un alimentatore c.c. costante di alto livello (Figura 1).

Figura 1: Una cella elettrolitica di base separa gli elementi idrogeno e ossigeno dell'acqua. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

La cella comprende anche un separatore (non mostrato) per evitare che l'idrogeno e l'ossigeno prodotti agli elettrodi si mescolino.

Il processo richiede elevati livelli di corrente continua. In condizioni ideali, senza perdite di energia, sono necessari almeno 32,9 kWh di energia elettrica per elettrolizzare un numero di molecole d'acqua sufficiente a produrre 1 kg di idrogeno. Questo dipende dall'efficienza del processo di elettrolisi utilizzato.

Attualmente sono in uso tre diversi processi: elettrolisi alcalina (AEL), membrana a scambio protonico (PEM) ed elettrolisi a ossido solido.

Gli elettrolizzatori più affermati sono quelli AEL, che utilizzano una soluzione alcalina come l'idrossido di potassio tra gli elettrodi metallici. Sono però meno efficienti degli altri tipi di elettrolizzatori.

Gli elettrolizzatori PEM utilizzano un elettrolita polimerico solido potenziato con catalizzatori di metalli preziosi. Sono caratterizzati da una maggiore efficienza, tempi di risposta più brevi e un design compatto.

Le celle con elettrolizzatore a ossido solido (SOEC) utilizzano come elettrolita un materiale ceramico solido. Possono essere molto efficienti, ma richiedono alte temperature di funzionamento. I loro tempi di risposta sono più lenti rispetto agli elettrolizzatori PEM.

La Figura 2 confronta le caratteristiche delle tre tecniche.

Figura 2: Confronto delle caratteristiche dei processi AEL, PEM e SOEC, che evidenzia l'efficienza migliorata dei nuovi elettrolizzatori. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

La produzione di idrogeno verde costa attualmente più dell'idrogeno ottenuto da combustibili fossili. La situazione può essere invertita migliorando l'efficienza dei componenti discreti, compresi gli elettrolizzatori e i sistemi di alimentazione, e scalando gli impianti di conversione.

Configurazioni di sistemi di alimentazione per la rete e fonti di energia ecocompatibile

Attualmente, la maggior parte degli impianti di generazione dell'idrogeno funziona separatamente dalla rete elettrica. La fonte di alimentazione di un elettrolizzatore è un raddrizzatore c.a./c.c. alimentato da un trasformatore di linea. Gli impianti di elettrolisi alimentati dalla rete devono soddisfare tutti gli standard e i codici di rete, come il raggiungimento di un PF unitario e il mantenimento di una bassa distorsione armonica. Sono necessari diversi sistemi di alimentazione, poiché le fonti di energia ecocompatibile sono incorporate nel processo di separazione dell'idrogeno (Figura 3).

Figura 3: Gli impianti di elettrolisi devono convertire l'energia proveniente dalla fonte in corrente continua per le celle elettrolitiche. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

Come la rete elettrica, le fonti di energia eolica sono a corrente alternata e l'alimentazione delle celle elettrolitiche richiede un raddrizzatore per convertire la corrente alternata in corrente continua. Le fonti di energia solare e ibride che utilizzano le batterie si affidano a convertitori c.c./c.c. per controllare i livelli di corrente continua che alimentano le celle elettrolitiche. La cella elettrolitica può anche utilizzare un convertitore c.c./c.c. locale, indipendentemente dalla fonte di alimentazione, e rappresenta un carico costante in corrente continua. A causa di considerazioni sull'invecchiamento della cella dell'elettrolizzatore, la tensione applicata deve aumentare nel corso della vita utile della cella, quindi il sistema di conversione di potenza (PCS) deve adattarsi a questo processo. I PCS, siano essi collegati a una sorgente c.a. o c.c., presentano alcune specifiche comuni.

La loro tensione di uscita deve essere compresa tra 400 V_c.c. e 1.500 V_c.c.). Le celle alcaline hanno un intervallo di tensione massima di circa 800 V. Le celle PEM non hanno limiti in questo senso e si stanno spostando verso i valori più alti dell'intervallo di tensione per ridurre le perdite e i costi. La potenza di uscita può variare da 20 kW a 30 MW. Il ripple di corrente del PCS deve essere inferiore al 5%, una specifica ancora in fase di studio per i suoi effetti sulla vita utile e sull'efficienza della cella. I progetti di raddrizzatori PCS per le fonti della rete elettrica, in particolare per i carichi di maggiore potenza, devono essere conformi ai requisiti di grande carico e di PF delle aziende elettriche.

Conversione di potenza per sorgenti c.a.

Gli impianti a idrogeno alimentati a corrente alternata richiedono un raddrizzatore che può pilotare direttamente una cella elettrolitica o una rete c.c. collegata a più celle.

La tipica scelta ricade su un raddrizzatore multi-impulso (Figura 4). Basato su tiristori, questo progetto di raddrizzatore ha un'elevata efficienza, è affidabile, supporta alte densità di corrente e utilizza semiconduttori a basso costo.

Figura 4: Un raddrizzatore multi-impulso basato su tiristori ha un'elevata efficienza, è affidabile, supporta alte densità di corrente e utilizza semiconduttori a basso costo. La figura mostra un'implementazione a 12 impulsi. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

I convertitori multi-impulso basati su tiristori sono una tecnologia consolidata e ben nota. Il raddrizzatore a tiristori a 12 impulsi illustrato nella Figura 4 è costituito da un trasformatore di frequenza di potenza stella-triangolo-stella con due avvolgimenti secondari a bassa tensione. Gli avvolgimenti secondari pilotano due raddrizzatori a tiristori a sei impulsi con le uscite collegate in parallelo. Se questo raddrizzatore aziona direttamente un elettrolizzatore, l'angolo di accensione del tiristore controlla la tensione di uscita e la corrente che vi scorre. L'angolo di accensione può essere utilizzato anche per mantenere la corrente nel sistema quando la cella dell'elettrolizzatore invecchia e la tensione richiesta per il gruppo di celle aumenta. Il trasformatore può anche includere un commutatore sotto carico (OLTC). L'OLTC modifica il rapporto spire del trasformatore commutando tra più punti di accesso su uno degli avvolgimenti per aumentare o abbassare la tensione fornita al raddrizzatore.

Infineon Technologies offre un'ampia gamma di componenti a semiconduttori ai progettisti di PCS. I raddrizzatori a tiristori sono comunemente utilizzati per queste applicazioni con sorgente c.a. Ad esempio, il modello T3800N18TOFVTXPSA1 è un tiristore discreto in un contenitore a disco TO-200AE per montaggio su telaio, con una tensione nominale di 1800 V e una corrente in stato di conduzione di 5970 A_rms. Il contenitore a disco offre una maggiore densità di potenza grazie al raffreddamento bilaterale.

Il progetto del raddrizzatore di base può essere migliorato con l'aggiunta di convertitori buck come chopper di post-raddrizzamento all'uscita del raddrizzatore. L'aggiunta dello stadio chopper migliora il controllo del processo regolando il ciclo di lavoro del chopper anziché l'angolo di accensione del tiristore (Figura 5). Questo riduce la gamma dinamica richiesta per il tiristore, ottimizzando l'intero processo.

Figura 5: Un chopper post-raddrizzamento riduce le distorsioni di corrente e migliora il PF. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

L'applicazione del chopper di post-raddrizzamento con transistor bipolari a gate isolato (IGBT) elimina la necessità di un trasformatore OLTC, riduce le distorsioni di corrente e migliora il PF.

FD450R12KE4PHOSA1 di Infineon Technologies è un modulo chopper IGBT apposito per queste applicazioni. È classificato per una tensione massima di 1200 V e una corrente massima del collettore di 450 A ed è disponibile in un modulo standard serie C da 62 mm.

I circuiti raddrizzatori più avanzati includono raddrizzatori attivi basati su IGBT. I raddrizzatori attivi sostituiscono i diodi o i tiristori con IGBT che un controller accende e spegne in momenti appropriati tramite un gate driver (Figura 6).

Figura 6: Un raddrizzatore attivo sostituisce i diodi o i tiristori del circuito raddrizzatore con gli IGBT, commutati da un controller a gate driver. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

A differenza di un raddrizzatore tradizionale, che produce correnti di linea non sinusoidali, un raddrizzatore attivo ha un induttore in serie con gli IGBT che mantiene la corrente di linea sinusoidale e riduce le armoniche. L'impedenza dell'IGBT in conduzione è molto bassa, il che riduce le perdite di conduzione e migliora l'efficienza rispetto a un raddrizzatore standard. Un controller raddrizzatore attivo mantiene un PF unitario, per cui non sono necessari dispositivi esterni di correzione del fattore di potenza (PFC). Funziona inoltre a frequenze di commutazione più elevate, con conseguente riduzione delle dimensioni dei componenti passivi e dei filtri.

FF1700XTR17IE5DBPSA1 combina due IGBT in configurazione a semiponte in un contenitore modulare PrimePACK 3+. È in grado di gestire 1700 V con una corrente massima del collettore di 1700 A. Il circuito mostrato nella Figura 6 utilizzerebbe tre moduli di questo tipo.

Un gate driver IGBT come il modello 1ED3124MU12HXUMA1 accende e spegne una singola coppia di IGBT. Il gate driver ha isolamento galvanico grazie alla tecnologia dei trasformatori senza nucleo. È compatibile con IGBT con tensioni nominali da 600 a 2300 V e ha una corrente di uscita tipica di 14 A su pin separati di source e drain. I pin della logica di ingresso funzionano con un ampio intervallo della tensione di ingresso da 3 a 15 V, utilizzando livelli di soglia CMOS per supportare microcontroller a 3,3 V.

Conversione di potenza per sorgenti c.c.

La separazione dell'idrogeno utilizzando fonti di energia c.c., come l'energia fotovoltaica e i sistemi ibridi a batteria, richiede convertitori c.c./c.c. Come già detto, questi convertitori possono migliorare le prestazioni dei raddrizzatori a diodi/tiristori e consentono di ottimizzare le reti locali in c.c. per la flessibilità dell'impianto.

Il convertitore buck interallacciato utilizza moduli chopper a semiponte in parallelo per modificare il livello di corrente continua dall'ingresso all'uscita (Figura 7).

Figura 7: Un convertitore buck interallacciato riduce il livello c.c. di ingresso, V_DC1 al livello di uscita V_DC2. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

Con un adeguato controllo dell'interlacciamento, questa topologia di convertitore c.c./c.c. riduce significativamente il ripple in corrente continua senza aumentare le dimensioni degli induttori o la frequenza di commutazione. Ogni fase dell'implementazione può essere realizzata con un modulo appropriato. FF800R12KE7HPSA1 è un modulo IGBT a semiponte da 62 mm adatto al convertitore c.c./c.c. con topologia buck. La tensione massima è di 1200 V e la corrente massima del collettore è di 800 A.

Il convertitore a doppio ponte attivo (DAB) è un'alternativa al convertitore buck (Figura 8).

Figura 8: Un convertitore DAB riduce la tensione e fornisce l'isolamento galvanico tra ingresso e uscita. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

Il convertitore DAB utilizza un trasformatore ad alta frequenza per accoppiare i circuiti a ponte intero di ingresso e di uscita in modo da garantire l'isolamento galvanico. Tale isolamento è spesso utile per ridurre al minimo la corrosione del serbatoio e degli elettrodi della cella dell'elettrolizzatore. I circuiti identici a ponte intero sono pilotati con onde quadre complementari. La messa in fase dei segnali di azionamento tra il lato primario e quello secondario determina la direzione del flusso di potenza. Inoltre, il convertitore DAB riduce al minimo le perdite di commutazione utilizzando la commutazione a zero volt degli IGBT. Il circuito può essere realizzato con moduli IGBT a semiponte o MOSFET al carburo di silicio (SiC).

Conclusione

Con l'aumento della domanda mondiale di fonti energetiche pulite, la separazione dell'idrogeno verde basata su fonti di energia rinnovabili assumerà un'importanza sempre maggiore. Tali fonti richiedono un'alimentazione c.c. efficiente, affidabile e altamente stabile. I progettisti possono rivolgersi all'ampio portafoglio di semiconduttori ad alta tensione e corrente di Infineon Technologies per i necessari componenti di conversione di potenza.