Sistemas de semiconductores de potencia para el desarrollo de potencia de los sistemas de hidrógeno verde

Nuestro planeta está en peligro respecto a medioambiente y clima. La producción de energía limpia, en particular de energía basada en el hidrógeno verde, está llevando a numerosas empresas y sectores a orientarse hacia investigaciones sobre el hidrógeno, con el objetivo de proteger el clima y los recursos naturales. La reducción de gases de efecto invernadero se hará cada vez más exigente, con la esperanza de eliminarlos de aquí al 2050.

Extraer el hidrógeno del agua

El hidrógeno es el primer elemento de la tabla periódica. No puede crearse a partir de cero, pero puede obtenerse a partir del agua. Existen diferentes métodos de extracción del hidrógeno. Algunos de ellos contaminan más que otros. El hidrógeno se produce y se consume a menudo dentro de un mismo proceso de producción, sin necesidad de estar separado. Con la electrólisis, puede extraerse el hidrógeno del agua por descomposición. Este proceso nos permite obtener lo siguiente:

Uno de los métodos más sencillos consiste en la aplicación de una corriente eléctrica a una solución con base de agua. Durante el proceso, el hidrógeno se acumula en uno de los electrodos. La recolección y el almacenamiento del elemento químico de los residuos representan las fases más complicadas del proceso.

El hidrógeno es el futuro del planeta

El mundo está a punto de enfrentarse a su reto más importante: el objetivo es llegar a un nivel de cero emisiones de gases de efecto invernadero dentro treinta años. Una de las tecnologías más prometedoras para enfrentarse a este reto es el hidrógeno verde. Esto permitiría una movilidad sostenible y podría contribuir a reducir las emisiones de CO₂ de distintas maneras, siempre que la producción, el almacenamiento, el transporte y la utilización estén garantizados de la mejor manera posible. Los semiconductores de potencia de Infineon prometen soluciones eficientes para la producción y el consumo de hidrógeno verde y brindan la justa potencia para el futuro sistema energético. Por supuesto, la utilización de energía limpia depende de los avances científicos realizados, pero aun más de las decisiones políticas de los gobiernos. El porcentaje de reducción de los gases de efecto invernadero previsto año tras año, sugiere que al no ser que se tomen decisiones drásticas, el mundo llegará efectivamente a un punto crítico. Por lo tanto, las aplicaciones emergentes prevén que el hidrógeno se convierta en la principal fuente de energía. Por supuesto, la producción de semiconductores tiene que seguir esta vía de desarrollo para garantizar, por ejemplo, sistemas de IoT sostenibles. Existen diferentes tipos de hidrógeno disponibles:

•  El hidrógeno gris, producido a partir de recursos fósiles, que genera la emisión de CO2 – hay que evitar absolutamente el recurso a esta posibilidad.
•  El hidrógeno azul, producido a partir de recursos fósiles y tecnologías de captación y de secuestro de carbón nuclear.
•  El hidrógeno verde, producido exclusivamente a partir de fuentes energéticas renovables como las energías eléctrica, solar y eólica.

Los campos de aplicación del hidrógeno son múltiples y van del almacenamiento de energía al carburante. Con su aspecto ecológico, éste también puede sustituir los combustibles fósiles en una gran variedad de campos. Por supuesto, no es suficiente la única producción de hidrógeno. El aumento de las energías renovables exige un almacenamiento adapatado de energía a gran escala. Además, se espera que los costes de producción del hidrógeno sean extremadamente bajos, por alrededor de 1 dólar/kg, por lo menos al principio. El hidrógeno será la clave para una reducción de las emisiones en todos los sectores. Su utilidad en la cadena de producción y de distribución incluirá un sistema eficiente que toma en cuenta los aspectos siguientes:

•  La generación y la producción mediante técnicas limpias y no contaminantes, realizadas a partir de un proceso de electrolisis de AC y CC.
•  La transmisión eficiente, con el almacenamiento de energía a medio plazo.
•  El consumo con costes reducidos de forma significativa.

Además, gracias a la producción de nuevos dispositivos de semiconductores de potencia, las potencias comprendidas entre 1 kW y 50 MW y más, pueden gestionarse si problema. El hidrógeno verde puede tener usos más importantes, a gran escala, para los transportes, la producción industrial o la calefacción de temperatura alta. La producción de hidrógeno verde (véase el esquema de la Figura 1) pide estructuras necesarias para el proceso de electrolisis. Las corrientes alternativas deberán convertirse en corriente continuas. Seguirán estructuras de compresión, sistemas auxiliares y de control, gestionados por supuesto por sistemas de comunicación electrónica y de soporte de seguridad.

Figura 1: Hydrogen production block diagram (fuente: Infineon)

Tiristores para la electrólisis del hidrógeno

Hoy día, están en primera línea los sistemas que contribuyen a enderecer las corrientes elevadas. Los tiristores y los IGBT pueden gestionar enormes cantidades de energía, pero todavía es más interesante intentar maximizar la densidad de potencia, al tratar de reducir las pérdidas de conducción. Los sistemas de enfriamiento también son un tema crucial para los tiristores, que pueden ser protegidos por fusibles presentes normalmente en los sistemas. Los tiristores acoplados de corriente alternativa para la protección de hidrógeno verde (véase Figura 2) presentan numerosas ventajas:

•  El circuito es menos complejo.
•  El sistema final es más económico que con los IGBT.
•  Son más robustos que los IGBT.
•  Como mencionado anteriormente, es posible implementar una protección con fusibles.
•  Conmutan automáticamente cuando la tensión llega a cero.
•  Permiten obtener una densidad de potencia máxima con pérdidas de conducción leves.

Figura 2: El circuito es menos complejo con tiristores (fuente: Infineon)

En el diagrama, arriba a la izquierda, puede verse el rectificador de corriente elevada, y arriba a la derecha, se encuentra el electrolizador que produce el hidrógeno. Los circuitos utilizados son los rectificadores con tiristor típicos para aplicaciones de corriente elevada (actualmente de hasta 20 MW y más) y el diodo rectificador con convertidor IGBT CC/CC. Con los tiristores en la línea de CC, pueden darse harmónicas causadas por el electrolizador. Éstas no influyen en la potencia de salida del electrolizador y se ven integradas en discos de 111 mm a 150 mm, o pueden combinarse con un stack único. Éste contiene las conexiones, los tiristores y los discos de enfriamiento, y constituye un sistema listo para montar. Con los IGBT, las harmónicas se reducen, pero éstas tienen mayores pérdidas. Según las exigencias, puede escogerse uno de los los dos sistemas para regular de manera apropiada la cantidad de corriente que pasará a través del electrolizador. Con los tiristores, esta regulación puede realizarse más fácilmente.

Diferentes modelos para mucha potencia

Los módulos Power Block de Infineon con disponibles en distintas variantes (como lo enseña la Figura 3), según el tipo de potencia requerido. Los modelos más pequeños miden 50 mm y 60 mm y pueden utilizarse con diodos rectificadores o tiristores. Los dispositivos con disco de 150 mm son, en cambio, utilizables para potencias superiores con pocos megavatios. Los modelos más comunes son los de 111 mm, 100 mm y 75 mm. En cuanto a los stacks normales, vienen equipados con enfriamiento de líquido, para brindar plena potencia. Algunos modelos también pueden funcionar hasta 3,6 kV.

Figura 3: Diferentes soluciones de rectificadores (fuente: Infineon)

Analicemos ahora un vehículo eléctrico de célula de combustible de hidrógeno. Este se compone del sistema de la batería y de células de combustible. Con el fin de entender mejor cómo funciona el sistema, imagínese que las baterías estén llegando al final o que el usuario esté absorbiendo energía al utilizar el cable con un circuito de AC o CC. Cuando la batería está llena, el cable se desconecta y la batería puede alimentar el convertidor, que a su vez alimenta el motor. Existen diferentes posibilidades de célula de combustible:

•  Se puede utilizar una batería más pequeña (1–2 kWh) y no se necesita ningún sistema de recarga. La batería se utiliza principalmente como búfer y la energía principal proviene de la célula de combustible que alimenta el convertidor.
•  Se puede utilizar baterías más grandes (10–20 kWh) que permiten una autonomía superior a 5 000 km. En este caso, se necesita un sistema de recarga.

La unidad más importante está representada por el sistema de célula de combustible (véase la Figura 4), por el cual pasa el hidrógeno. El aire que pasa en el sistema se comprime y se envía una célula de combustible. Luego, se aplica una tensión eléctrica. Los convertidores deben protegerse para ser altamente eficaces. Después de la reacción, los gases deben descarcarse y enviarse en la atmósfera. A esta altura, es importante la gestión térmica que controla la temperatura de célula de combustible. El sistema completo viene constituido por cinco subsistemas:

•  El subsistema AF
•  El subsistema de hidrógeno
•  El subsistema de la membrana de intercambio protónico
•  El subsistema de descarga
•  El subsistema de gestión térmica

En el primer subsistema, es esencial la presencia de un filtro para eliminar olores que podrían contaminar la membrana de intercambio protónico. A esta altura, la presión, la temperatura y el flujo de aire deben medirse de forma continua. Además, ya que la compresión hace aumentar la temperatura, un sistema de enfriamiento y un humidificador son necesarios para obtener el justo nivel de temperatura y de humedad de la membrana de intercambio protónico.

Figura 4: Diagrama del funcionamiento de una célula de combustible (fuente: Infineon)

El segundo subsistema incluye un distribuidor de hidrógeno a través de una conexión altamente segura. La medición constante del flujo evita las pérdidas. El hidrógeno se enfría con una temperatura de -40˚C para alcanzar una densidad elevada en el tanque. Pasa a continuación en el regulador de presión y hacia el inyector de alta velocidad, lo que permite que el material vuelva a circular. Hay que evitar soltar el hidrógeno durante la descarga. En el tercer subsistema, la tensión eléctrica se controla de forma continua. El cuarto subsistema incluye un flujo que proviene del sistema de aire que contiene muchos vapores de agua. Los sistemas sofisticados funcionan de manera extremadamente silenciosa. El quinto subsistema se dedica a la gestión térmica. Controla y regula la temperatura del agua y previene la formación de hielo cuando la temperatura baja demasiado. Lo gestionan microcontroladores potentes.

Conclusión

El hidrógeno verde puede ser, con seguridad, una de las soluciones para resolver la crisis climática: un gran número de empresas están llevando investigaciones en esta dirección. Los retos más importantes son la producción, el almacenamiento, el transporte y la utilización del hidrógeno verde, y numerosos productores proporcionan una amplia cartera de productos y componentes electrónicos para la construcción de sistemas electrónicos que permiten producir y consumir energía limpia.

Referencias

Soluciones de semiconductores de potencia para el desarrollo de sistemas de hidrógeno verde — Markus Hermwille,
Infineon Technologies AG, Nils Przybilla, Infineon Technologies Bipolar GmbH, Patrick Leteinturier,
Infineon Technologies AG — Seminario web