Como garantir uma corrente CC eficiente e estável para o hidrogênio verde

A mudança para o hidrogênio verde promete reduzir o nível de gases de efeito estufa. A energia de fontes renováveis, como a energia hidrelétrica, eólica e solar, seja ela gerada localmente ou transmitida pela rede elétrica, deve ser convertida de forma eficiente em corrente contínua (CC) para a eletrólise da água. Para os projetistas de sistemas, é um desafio fornecer níveis de CC elevados e estáveis com baixa distorção harmônica, alta densidade de corrente e bons fatores de potência (PFs).

Este artigo discute o princípio do hidrogênio verde. Em seguida, ele apresenta os componentes de potência da Infineon Technologies e mostra como eles podem ser usados para converter a entrada de fontes de energia ecológicas em saídas estáveis de energia elétrica com as características necessárias para gerar hidrogênio verde.

Geração de hidrogênio pela eletrólise da água

O hidrogênio pode ser separado da água pelo processo de eletrólise. O coproduto desse processo é o oxigênio. O processo de eletrólise requer a aplicação de níveis elevados e constantes de corrente contínua. Esse processo ocorre em uma célula de eletrólise ou eletrolisador que normalmente contém um ânodo (eletrodo positivo) e um cátodo (eletrodo negativo) onde ocorrem as reações eletroquímicas. Um eletrólito líquido ou sólido envolve os eletrodos e conduz os íons entre eles. Pode ser necessário um catalisador para aumentar a taxa de reação, dependendo do processo que está sendo usado. A célula é energizada por uma fonte de alimentação CC estável e de nível elevado (Figura 1).

Figura 1: Uma célula de eletrólise básica separa os elementos hidrogênio e oxigênio da água. (Fonte da imagem: Art Pini)

A célula também inclui um separador (não mostrado neste diagrama) para evitar que o hidrogênio e o oxigênio produzidos nos eletrodos se misturem.

O processo exige altos níveis de CC. Em condições ideais, sem perda de energia, é necessário um mínimo de 32,9 quilowatts-hora (kWh) de energia elétrica para eletrolisar moléculas de água suficientes para produzir 1 quilograma (kg) de hidrogênio. Isso varia de acordo com a eficiência do processo de eletrólise que está sendo usado.

Três processos diferentes estão em uso atualmente: eletrólise alcalina (AEL), membrana de troca de prótons (PEM) e eletrólise de óxido sólido.

Os eletrolisadores mais estabelecidos são os eletrolisadores AEL, que usam uma solução alcalina, como hidróxido de potássio, entre os eletrodos de metal. Eles são menos eficientes do que os outros tipos de eletrolisadores.

Os eletrolisadores PEM usam um eletrólito de polímero sólido aprimorado com catalisadores de metais preciosos. Eles são caracterizados por maior eficiência, tempos de resposta mais rápidos e designs compactos.

As células eletrolíticas de óxido sólido (SOECs) usam um material cerâmico sólido como eletrólito. Elas podem ser altamente eficientes, mas exigem altas temperaturas de operação. Seus tempos de resposta são mais lentos do que os dos eletrolisadores PEM.

Uma comparação das características das três técnicas é mostrada na Figura 2.

Figura 2: Uma comparação das características dos processos AEL, PEM e SOEC destaca o aumento da eficiência dos eletrolisadores mais novos. (Fonte da imagem: Infineon Technologies)

Atualmente, a geração de hidrogênio verde custa mais para ser produzida do que o hidrogênio proveniente de combustíveis fósseis. Isso pode ser revertido melhorando a eficiência dos componentes discretos, incluindo os eletrolisadores e os sistemas de energia, e aumentando a escala das plantas de conversão.

Configurações do sistema de energia para a rede e fontes de energia verde

Atualmente, a maioria das usinas de geração de hidrogênio está operando fora da rede elétrica. A fonte de alimentação de um eletrolisador é um retificador de CA para CC alimentado por um transformador de linha. As plantas de eletrólise alimentadas pela rede devem atender a todos os padrões e códigos da rede, como atingir um PF unitário e manter baixa distorção harmônica. Diferentes sistemas de energia são necessários à medida que fontes de energia verde são incorporadas ao processo de separação do hidrogênio (Figura 3).

Figura 3: As plantas de eletrólise devem converter a energia da fonte em corrente contínua para as células de eletrólise. (Fonte da imagem: Infineon Technologies)

Assim como a rede elétrica, as fontes de energia eólica são de corrente alternada e, para alimentar as células de eletrólise a partir delas, é necessário um retificador para converter a corrente alternada em corrente contínua. As fontes de energia solar e híbridas que usam baterias dependem de conversores CC/CC para controlar os níveis de CC que acionam as células de eletrólise. A célula de eletrólise também pode empregar um conversor CC/CC local, independentemente da fonte de energia. A célula de eletrólise representa uma carga CC constante. Devido a considerações de envelhecimento dentro da célula do eletrolisador, a tensão aplicada precisa aumentar durante a vida útil da célula, de modo que o sistema de conversão de energia (PCS) deve ser capaz de acomodar esse processo. Os PCSs, sejam eles acoplados a uma fonte CA ou CC, terão algumas especificações comuns.

Sua tensão de saída deve estar na faixa de 400 V_CC a 1.500 V_CC. As células alcalinas têm uma faixa de tensão máxima de aproximadamente 800 V. As células PEM não são tão limitadas e estão indo na direção da extremidade alta da faixa de tensão para diminuir as perdas e reduzir os custos. A faixa de potência de saída pode ser de 20 quilowatts (kW) a 30 megawatts (MW). A ondulação de corrente do PCS deve ser inferior a 5%, uma especificação que ainda está sendo estudada quanto ao seu efeito sobre a vida útil e a eficiência da célula. Os projetos de retificadores PCS para fontes de rede elétrica, especialmente para cargas de potência mais alta, devem atender aos requisitos de carga elevada e de FP das empresas de energia.

Conversão de energia para fontes CA

As usinas de hidrogênio alimentadas por corrente alternada exigem um retificador que pode acionar uma célula de eletrólise diretamente ou pode acionar uma rede CC conectada a várias células.

Um retificador de vários pulsos é uma escolha comum (Figura 4). Baseado em tiristores, esse projeto de retificador tem alta eficiência, é confiável, suporta altas densidades de corrente e usa semicondutores de baixo custo.

Figura 4: Um retificador multipulsos baseado em tiristores tem alta eficiência, é confiável, suporta altas densidades de corrente e usa semicondutores de baixo custo. É mostrada uma implementação de 12 pulsos. (Fonte da imagem: Infineon Technologies)

Os conversores multipulsos baseados em tiristores são uma tecnologia estabelecida e bem conhecida. O retificador de tiristor de 12 pulsos mostrado na Figura 4 consiste em um transformador de potência do tipo estrela-triângulo com dois enrolamentos secundários de baixa tensão. Os enrolamentos secundários acionam dois retificadores com tiristores de seis pulsos e suas saídas conectadas em paralelo. Se esse retificador acionar um eletrolisador diretamente, o ângulo de disparo do tiristor controlará a tensão de saída e a corrente que flui para ele. O ângulo de disparo também pode ser usado para manter a corrente no sistema à medida que a célula do eletrolisador envelhece e a tensão necessária para a pilha de células aumenta. O transformador também pode incluir um comutador de derivação na carga (OLTC). O OLTC altera a relação de espiras do transformador, alternando entre vários pontos de acesso ou derivações em um dos enrolamentos para aumentar ou diminuir a tensão fornecida ao retificador.

A Infineon Technologies oferece uma ampla gama de opções de componentes semicondutores aos projetistas de PCS. Os retificadores com tiristores são comumente usados para essas aplicações de fonte CA. Por exemplo, o T3800N18TOFVTXPSA1 é um tiristor discreto em um invólucro de disco TO-200AE para montagem em chassi, dimensionado para suportar 1800 V a uma corrente no estado de condução de 5970 amperes eficazes (A_rms). O invólucro de disco oferece maior densidade de potência devido ao seu design de resfriamento de dupla face.

O projeto básico do retificador pode ser aprimorado com a adição de conversores buck como choppers de pós-retificação na saída do retificador. A adição do estágio do chopper aumenta o controle do processo, ajustando o ciclo de trabalho do chopper em vez do ângulo de disparo do tiristor (Figura 5). Isso reduz a faixa dinâmica necessária para o tiristor, permitindo a otimização do processo.

Figura 5: Um chopper de pós-retificação reduz as distorções de corrente e melhora o PF. (Fonte da imagem: Infineon Technologies)

A aplicação do chopper de pós-retificação usando transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) elimina a necessidade do transformador OLTC, reduz as distorções de corrente e melhora o PF.

O FD450R12KE4PHOSA1 da Infineon Technologies é um módulo chopper IGBT destinado a essas aplicações. Ele é dimensionado para uma tensão máxima de 1200 V e uma corrente máxima de coletor de 450 A, e é fornecido em um módulo padrão da série C de 62 milímetros (mm).

Os circuitos retificadores mais avançados incluem retificadores ativos baseados em IGBT. Os retificadores ativos substituem os diodos ou tiristores por IGBTs que um controlador liga e desliga nos momentos apropriados por meio de um acionador de porta (Figura 6).

Figura 6: Um retificador ativo substitui os diodos ou tiristores no circuito retificador por IGBTs, que são comutados por um controlador com acionador de porta. (Fonte da imagem: Infineon Technologies)

Diferentemente de um retificador tradicional, que produz correntes não senoidais na linha, um retificador ativo tem um indutor em série com os IGBTs que mantém a corrente senoidal na linha e reduz os harmônicos. A impedância do IGBT durante a condução é muito baixa, o que reduz as perdas de condução e melhora a eficiência em comparação com um retificador padrão. Um controlador de retificador ativo mantém um PF unitário, portanto, os dispositivos externos de correção do fator de potência (PFC) são desnecessários. Ele também opera em frequências de chaveamento mais altas, resultando em componentes passivos e filtros de menor tamanho.

O FF1700XTR17IE5DBPSA1 combina IGBTs duplos em uma configuração de meia ponte em um invólucro modular PrimePACK 3+. Ele é dimensionado para suportar 1700 V com uma corrente máxima de coletor de 1700 A. O circuito mostrado na Figura 6 usaria três desses módulos.

Um acionador de porta do IGBT, como o 1ED3124MU12HXUMA1, liga e desliga um único par de IGBTs. O acionador de porta é isolado galvanicamente usando a tecnologia de transformador sem núcleo. Ele é compatível com IGBTs de tensões entre 600 a 2300 V e tem uma corrente de saída típica de 14 A nos pinos separados de fonte e dreno. Os pinos lógicos de entrada operam em uma ampla faixa de tensão de entrada de 3 a 15 V, usando níveis de limiar CMOS para dar suporte a microcontroladores de 3,3 V.

Conversão de energia para fontes CC

A separação do hidrogênio usando fontes de energia CC, como energia fotovoltaica e sistemas híbridos baseados em bateria, requer conversores CC/CC. Conforme observado anteriormente, esses conversores podem melhorar o desempenho dos retificadores de diodo/tiristor. Eles também permitem a otimização de redes CC locais para flexibilidade da planta.

O conversor buck intercalado usa módulos chopper de meia ponte em paralelo para alterar o nível de CC da entrada para a saída (Figura 7).

Figura 7: Um conversor buck intercalado reduz o nível CC de entrada, V_DC1, para o nível de saída V_DC2. (Fonte da imagem: Infineon Technologies)

Com o controle adequado de intercalação, essa topologia de conversor CC/CC reduz significativamente a ondulação CC sem aumentar o tamanho dos indutores ou a frequência de chaveamento. Cada fase da implementação pode ser realizada com um módulo apropriado. O FF800R12KE7HPSA1 é um módulo IGBT de meia ponte de 62 mm, adequado para o conversor CC/CC de topologia buck. Ele é dimensionado para uma tensão máxima de 1200 V e suporta uma corrente máxima de coletor de 800 A.

O conversor duplo de ponte ativa (DAB) é uma alternativa ao conversor buck (Figura 8).

Figura 8: Um conversor DAB baixa a tensão e fornece isolação galvânica entre a entrada e a saída. (Fonte da imagem: Infineon Technologies)

O conversor DAB usa um transformador de alta frequência para acoplar os circuitos de ponte completa da entrada e saída a fim de proporcionar isolação galvânica. Essa isolação geralmente é útil para minimizar a corrosão do tanque e dos eletrodos da célula do eletrolisador. Circuitos de ponte completa idênticos são acionados com ondas quadradas complementares. A fase dos sinais de acionamento entre o lado primário e o secundário determina a direção do fluxo de energia. Além disso, o conversor DAB minimiza as perdas de chaveamento, usando o chaveamento em zero volts dos IGBTs. O circuito pode ser fabricado com módulos IGBT de meia ponte ou MOSFET de carbeto de silício (SiC).

Conclusão

Como a demanda mundial por fontes de energia limpa continua a aumentar, a separação do hidrogênio verde com base em fontes de energia renovável crescerá em importância. Essas fontes exigem energia CC eficiente, confiável e altamente estável. Os projetistas podem recorrer ao amplo portfólio de semicondutores de alta tensão e corrente da Infineon Technologies para obter os componentes necessários para conversão de energia.