Comment garantir un courant continu efficace et stable pour l'hydrogène vert

La transition vers l'hydrogène vert devrait permettre de réduire le niveau des gaz à effet de serre. L'énergie provenant de sources renouvelables comme l'énergie hydroélectrique, éolienne et solaire, qu'elle soit générée localement ou transmise via le réseau électrique, doit être convertie efficacement en courant continu (CC) pour électrolyser l'eau. Pour les concepteurs de systèmes, fournir des niveaux de courant continu élevés et stables avec une faible distorsion harmonique, une haute densité de courant et de bons facteurs de puissance (PF) constitue un défi.

Cet article aborde le principe de l'hydrogène vert. Il présente ensuite des composants de puissance d'Infineon Technologies et montre comment ils peuvent être utilisés pour convertir l'entrée de sources d'énergie respectueuses de l'environnement en sorties de puissance électrique stables avec les caractéristiques requises pour générer de l'hydrogène vert.

Génération d'hydrogène par électrolyse de l'eau

L'hydrogène peut être séparé de l'eau par le processus d'électrolyse. Le co-produit de ce processus est l'oxygène. Le processus d'électrolyse requiert l'application de niveaux constants et élevés de courant continu. Ce processus se produit dans une cellule d'électrolyse ou un électrolyseur contenant typiquement une anode (électrode positive) et une cathode (électrode négative) où se produisent les réactions électrochimiques. Un électrolyte liquide ou solide entoure les électrodes et conduit les ions entre elles. Un catalyseur peut être nécessaire pour augmenter la vitesse de réaction en fonction du procédé utilisé. La cellule est alimentée par une alimentation ou une source CC de haut niveau stable (Figure 1).

Figure 1 : Une cellule d'électrolyse de base sépare les éléments hydrogène et oxygène de l'eau. (Source de l'image : Art Pini)

La cellule comprend également un séparateur (non illustré sur ce schéma) pour empêcher l'hydrogène et l'oxygène produits au niveau des électrodes de se mélanger.

Le processus nécessite des niveaux élevés de courant continu. En conditions idéales sans perte d'énergie, un minimum de 32,9 kilowattheures (kWh) d'énergie électrique est nécessaire pour électrolyser suffisamment de molécules d'eau pour produire 1 kilogramme (kg) d'hydrogène. Cela varie en fonction de l'efficacité du procédé d'électrolyse utilisé.

Trois procédés différents sont actuellement utilisés : électrolyse alcaline (AEL), membrane échangeuse de protons (PEM) et électrolyse à oxyde solide.

Les électrolyseurs les plus répandus sont les électrolyseurs AEL, qui utilisent une solution alcaline telle que l'hydroxyde de potassium entre les électrodes métalliques. Ils sont moins efficaces que les autres types d'électrolyseurs.

Les électrolyseurs PEM utilisent un électrolyte polymère solide renforcé de catalyseurs en métaux précieux. Ils se caractérisent par une efficacité supérieure, des temps de réponse plus rapides et une conception compacte.

Les cellules d'électrolyseur à oxyde solide (SOEC) utilisent un matériau céramique solide comme électrolyte. Elles peuvent être très efficaces, mais elles requièrent des températures de fonctionnement élevées. Leurs temps de réponse sont plus lents que ceux des électrolyseurs PEM.

La Figure 2 présente une comparaison des caractéristiques des trois techniques.

Figure 2 : La comparaison des caractéristiques des procédés AEL, PEM et SOEC met en évidence l'amélioration de l'efficacité des électrolyseurs les plus récents. (Source de l'image : Infineon Technologies)

La génération d'hydrogène vert coûte actuellement plus cher que la production d'hydrogène à partir de combustibles fossiles. Cette situation peut être inversée en améliorant l'efficacité des composants discrets, notamment les électrolyseurs et les systèmes d'alimentation, et en développant les installations de conversion.

Configurations des systèmes d'alimentation pour le réseau et les sources d'énergies vertes

Actuellement, la plupart des centrales de production d'hydrogène fonctionnent hors réseau électrique. La source d'alimentation d'un électrolyseur est un redresseur CA/CC alimenté par un transformateur de ligne. Les installations d'électrolyse alimentées par le réseau doivent respecter tous les codes et normes du réseau, tels que l'obtention d'un facteur de puissance unité et le maintien d'une faible distorsion harmonique. Différents systèmes d'alimentation sont requis car des sources d'énergies vertes sont intégrées dans le processus de séparation de l'hydrogène (Figure 3).

Figure 3 : Les installations d'électrolyse doivent convertir l'énergie de la source en courant continu pour les cellules d'électrolyse. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Comme le réseau électrique, les sources d'énergie éolienne sont du courant alternatif, et l'alimentation des cellules d'électrolyse à partir de ces sources nécessite un redresseur pour convertir le courant alternatif en courant continu. L'énergie solaire et les sources hybrides utilisant des batteries s'appuient sur des convertisseurs CC/CC pour contrôler les niveaux CC alimentant les cellules d'électrolyse. La cellule d'électrolyse peut également utiliser un convertisseur CC/CC local quelle que soit la source d'alimentation. La cellule d'électrolyse représente une charge CC constante. En raison du vieillissement de la cellule d'électrolyseur, la tension appliquée doit augmenter au cours de la durée de vie de la cellule. Le système de conversion de puissance (PCS) doit donc être capable de s'adapter à ce processus. Les PCS, qu'ils soient couplés à une source CA ou CC, ont des spécifications communes.

Leur tension de sortie doit être comprise entre 400 V_CC et 1500 V_CC. Les piles alcalines ont une plage de tensions maximum d'environ 800 V. Les cellules PEM ne sont pas aussi limitées et tendent vers l'extrémité supérieure de la plage de tensions pour réduire les pertes et les coûts. La plage de puissance de sortie peut s'étendre de 20 kilowatts (kW) à 30 mégawatts (MW). L'ondulation de courant du PCS doit être inférieure à 5 %, une spécification toujours à l'étude pour son effet sur la durée de vie et l'efficacité de la cellule. La conception des redresseurs PCS pour les sources du réseau électrique, en particulier pour les charges de puissance plus élevées, doit être conforme aux exigences des compagnies d'électricité en matière de charge importante et de facteur de puissance.

Conversion de puissance pour les sources CA

Les usines de production d'hydrogène à alimentation CA requièrent un redresseur capable de commander une cellule d'électrolyse directement ou un réseau CC connecté à plusieurs cellules.

Un redresseur à impulsions multiples est un choix fréquent (Figure 4). Basée sur des thyristors, cette conception de redresseur présente un haut rendement et une haute fiabilité, prend en charge des densités de courant élevées et utilise des semi-conducteurs à faible coût.

Figure 4 : Les redresseurs à impulsions multiples basés sur des thyristors offrent un rendement élevé et une haute fiabilité, prennent en charge des densités de courant élevées et utilisent des semi-conducteurs à faible coût. L'illustration montre une implémentation à 12 impulsions. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Les convertisseurs à impulsions multiples basés sur des thyristors constituent une technologie établie et bien connue. Le redresseur à thyristors à 12 impulsions illustré à la Figure 4 se compose d'un transformateur de fréquence de puissance étoile-triangle-étoile avec deux enroulements secondaires basse tension. Les enroulements secondaires commandent deux redresseurs à thyristors à 6 impulsions dont les sorties sont connectées en parallèle. Si ce redresseur commande directement un électrolyseur, l'angle d'amorçage du thyristor contrôle la tension de sortie et le courant qui y circule. L'angle d'amorçage peut également être utilisé pour maintenir le courant dans le système à mesure que la cellule d'électrolyseur vieillit et que la tension requise pour la pile de cellules augmente. Le transformateur peut également inclure un changeur de prise en charge (OLTC). L'OLTC modifie le rapport de transformation du transformateur en commutant entre plusieurs points d'accès ou prises sur l'un des enroulements pour augmenter ou diminuer la tension fournie au redresseur.

Infineon Technologies propose un vaste choix de composants semi-conducteurs aux concepteurs de PCS. Les redresseurs à thyristors sont fréquemment utilisés pour ces applications à source CA. Par exemple, le T3800N18TOFVTXPSA1 est un thyristor discret en boîtier TO-200AE circulaire à montage sur châssis, répertorié pour supporter de 1800 V à 5970 A_RMS de courant à l'état passant. Le boîtier circulaire offre une densité de puissance accrue grâce à sa conception de refroidissement double face.

La conception de redresseur de base peut être améliorée en ajoutant des convertisseurs abaisseurs comme dispositifs de découpage post-redressement à la sortie du redresseur. L'ajout de l'étage de découpage améliore le contrôle de processus en ajustant le rapport cyclique du dispositif de découpage plutôt que l'angle d'amorçage du thyristor (Figure 5). Cela réduit la plage dynamique requise pour le thyristor, permettant ainsi d'optimiser le processus.

Figure 5 : Un dispositif de découpage post-redressement réduit les distorsions de courant et améliore le facteur de puissance. (Source de l'image : Infineon Technologies)

L'application d'un dispositif de découpage post-redressement utilisant des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) élimine le recours à un transformateur OLTC, réduit les distorsions de courant et améliore le facteur de puissance.

Le FD450R12KE4PHOSA1 d'Infineon Technologies est un module de découpage IGBT destiné à ces applications. Il est répertorié pour une tension maximum de 1200 V et un courant collecteur maximum de 450 A, et il est fourni dans un module série C de 62 millimètres (mm) standard.

Les circuits de redresseurs plus avancés incluent des redresseurs actifs basés sur des IGBT. Les redresseurs actifs remplacent les diodes ou les thyristors par des IGBT qu'un contrôleur active et désactive à des moments appropriés via un circuit d'attaque de grille (Figure 6).

Figure 6 : Un redresseur actif remplace les diodes ou les thyristors dans le circuit de redresseur par des IGBT, qui sont activés par un contrôleur de circuit d'attaque de grille. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Contrairement à un redresseur traditionnel, qui produit des courants de ligne non sinusoïdaux, un redresseur actif a une inductance en série avec les IGBT maintenant le courant de ligne sinusoïdal et réduisant les harmoniques. L'impédance de l'IGBT lors de la conduction est très faible, ce qui réduit les pertes par conduction et améliore le rendement par rapport à un redresseur standard. Un contrôleur de redresseur actif maintient un facteur de puissance unité, de sorte que les dispositifs externes de correction du facteur de puissance (PFC) sont inutiles. Il fonctionne également à des fréquences de commutation plus élevées, ce qui permet de réduire la taille des composants passifs et des filtres.

Le FF1700XTR17IE5DBPSA1 combine deux IGBT dans une configuration en demi-pont dans un boîtier modulaire PrimePACK 3+. Il est répertorié pour supporter 1700 V avec un courant collecteur maximum de 1700 A. Le circuit illustré à la Figure 6 utilise trois modules de ce type.

Un circuit d'attaque de grille IGBT tel que le 1ED3124MU12HXUMA1 active et désactive une seule paire d'IGBT. Le circuit d'attaque de grille est isolé galvaniquement à l'aide d'une technologie de transformateur sans noyau. Il est compatible avec les IGBT ayant des tensions nominales de 600 V à 2300 V, et il présente un courant de sortie typique de 14 A sur des broches de source et de réception séparées. Les broches logiques d'entrée fonctionnent sur une vaste plage de tensions d'entrée de 3 V à 15 V avec des niveaux de seuil CMOS pour prendre en charge les microcontrôleurs de 3,3 V.

Conversion de puissance pour les sources CC

La séparation de l'hydrogène à l'aide de sources d'alimentation CC telles que l'énergie photovoltaïque et les systèmes hybrides basés sur batteries requiert des convertisseurs CC/CC. Comme indiqué précédemment, ces convertisseurs peuvent améliorer les performances des redresseurs à diodes/thyristors. Ils permettent également d'optimiser les réseaux CC locaux pour plus de flexibilité.

Le convertisseur abaisseur entrelacé utilise des modules à découpage en demi-pont en parallèle pour modifier le niveau CC de l'entrée à la sortie (Figure 7).

Figure 7 : Un convertisseur abaisseur entrelacé réduit le niveau CC d'entrée, V_DC1, au niveau de sortie V_DC2. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Avec un contrôle d'entrelacement approprié, cette topologie de convertisseur CC/CC réduit considérablement l'ondulation CC sans augmenter la taille des inductances ou la fréquence de commutation. Chaque phase de la mise en œuvre peut être réalisée avec un module approprié. Le FF800R12KE7HPSA1 est un module IGBT en demi-pont de 62 mm adapté au convertisseur CC/CC abaisseur. Il est répertorié pour une tension maximum de 1200 V et prend en charge un courant collecteur maximum de 800 A.

Le convertisseur à double pont actif (DAB) est une alternative au convertisseur abaisseur (Figure 8).

Figure 8 : Un convertisseur DAB effectue un abaissement de tension et fournit une isolation galvanique entre l'entrée et la sortie. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Le convertisseur DAB utilise un transformateur haute fréquence pour coupler les circuits en pont complet d'entrée et de sortie afin de fournir une isolation galvanique. Une telle isolation est souvent utile pour minimiser la corrosion du réservoir et des électrodes de la cellule d'électrolyseur. Des circuits en pont complet identiques sont commandés par des ondes carrées complémentaires. La mise en phase des signaux de commande entre le côté primaire et le côté secondaire détermine la direction du flux de puissance. De plus, le convertisseur DAB minimise les pertes de commutation en utilisant la commutation zéro volt des IGBT. Le circuit peut être fabriqué avec des modules MOSFET en carbure de silicium (SiC) ou des IGBT en demi-pont.

Conclusion

La demande mondiale en matière de sources d'énergies propres ne cessant d'augmenter, la séparation de l'hydrogène vert basée sur des sources d'énergies renouvelables est appelée à se développer. De telles sources exigent une alimentation CC efficace, fiable et hautement stable. Les concepteurs peuvent se tourner vers la vaste gamme de semi-conducteurs à fort courant et haute tension d'Infineon Technologies pour les composants de conversion de puissance nécessaires.