Solution de semi-conducteurs d'alimentation pour le développement de systèmes à hydrogène vert

Notre planète est en danger, d'un point de vue à la fois environnemental et climatique. La production d'énergie propre, en particulier à partir d'hydrogène vert, pousse un grand nombre d'entreprises et de secteurs industriels à investir dans les recherches sur l'hydrogène afin de protéger le climat et les ressources naturelles. La réduction des gaz à effet de serre va devenir beaucoup plus stricte qu'auparavant et l'on espère que d'ici 2050, il n'y aura plus aucun rejet.

Extraire de l'hydrogène de l'eau

L'hydrogène est le premier élément du tableau périodique. Il ne peut pas être créé à partir de rien, mais on peut l'obtenir à partir de l'eau. Il existe plusieurs méthodes pour extraire de l'hydrogène. Certaines sont plus polluantes que d'autres. Souvent, l'hydrogène est produit et consommé au cours d'un même process industriel sans avoir besoin d'être séparé. Grâce à l'électrolyse, on peut extraire l'hydrogène de l'eau par décomposition. Ce procédé permet d'obtenir :

L'une des méthodes les plus simples consiste à appliquer un courant électrique à une solution aqueuse. Au cours du processus, l'hydrogène s'accumule sur l'une des électrodes. La collecte et le stockage de cet élément chimique, ainsi que l'élimination des déchets, sont les phases les plus compliquées.

L'hydrogène est l'avenir de la planète

Le monde fait face à l'un de ses défis les plus importants : parvenir à supprimer totalement les rejets de gaz à effet de serre en 30 ans. L'une des technologies les plus prometteuses pour résoudre ce problème est l'hydrogène vert. Elle rendrait possible des solutions de mobilité propre et pourrait contribuer à réduire les rejets de CO₂ de nombreuses manières, à condition que sa production, son stockage, son transport et son utilisation soient garantis au mieux. Les semi-conducteurs d'alimentation d'Infineon promettent d'être des solutions efficaces pour la production et la consommation d'hydrogène vert, tout en offrant le potentiel requis pour les futurs systèmes énergétiques. L'utilisation d'énergie propre dépend évidemment des progrès scientifiques réalisés, mais plus encore des décisions politiques prises par les gouvernements. Les pourcentages de réduction projetés des gaz à effet de serre augmentent d'année en année, suggérant que si des décisions radicales ne sont pas prises, un point de non-retour pourrait facilement être atteint. C'est pourquoi des applications émergentes voient dans l'hydrogène la principale source d'énergie de l'avenir. La fabrication de semi-conducteurs doit évidemment suivre cette évolution, par exemple pour créer des systèmes IoT propres. Plusieurs types d'hydrogène pourraient être disponibles :

•  L'hydrogène gris, produit à partir de ressources fossiles, entraîne le rejet de CO2, une possibilité qui doit de toute évidence être absolument évitée.
•  L'hydrogène bleu est produit à partir de ressources fossiles avec des technologies de capture et de séquestration du carbone nucléaire.
•  L'hydrogène vert est exclusivement produit à partir de sources d'énergie renouvelables telles que l'hydroélectrique, le solaire et l'éolien.

Les domaines d'application de l'hydrogène sont nombreux et vont du stockage de l'énergie à celui du carburant. Puisqu'il est propre par nature, il peut également remplacer les carburants fossiles dans de nombreux domaines. Mais il ne suffit évidemment pas de se contenter de produire cet hydrogène. La hausse des énergies renouvelables nécessite un stockage de cette énergie adapté et à grande échelle. Les coûts de production de l'hydrogène devraient également être extrêmement faibles, de l'ordre de 1 $/kg, au moins au début. L'hydrogène sera la solution clé pour réduire les émissions, tous secteurs confondus. Son utilité dans la chaîne de production et de distribution passera par un système efficace à plusieurs volets :

•  Génération et production à l'aide de techniques propres et non polluantes, exécutées avec des procédés d'électrolyse CA et CC.
•  Transmission efficace grâce à un stockage de l'énergie à moyen et long terme.
•  Consommation, pour des coûts nettement inférieurs.

En outre, grâce à la production de nouveaux dispositifs d'alimentation à semi-conducteurs, des puissances de 1 kW à 50 MW, voire plus, peuvent être gérées sans problème. L'hydrogène vert peut avoir des utilisations très importantes, à grande échelle, dans les transports, la production industrielle ou le chauffage à haute température. Sa production (voir le schéma de la figure 1) nécessite des structures indispensables au procédé d'électrolyse. Des courants alternatifs devront être convertis en courants continus. Des structures de compression, des systèmes auxiliaires et des contrôles suivront, naturellement gérés par des systèmes de communication électronique et d'assistance à la sécurité.

Figure 1 : schéma de production de l'hydrogène (source : Infineon)

Thyristors pour l'électrolyse de l'hydrogène

De nos jours, les systèmes visant à redresser des courants élevés se trouvent au premier plan. Les thyristors et les IGBT peuvent gérer d'énormes quantités d'énergie, mais ce qu'on leur demande le plus est d'optimiser la densité de puissance en tentant d'abaisser les pertes de conduction. Les systèmes de refroidissement sont également un point crucial pour les thyristors, lesquels peuvent aussi être protégés par les fusibles habituellement présents dans les systèmes. Des thyristors à couplage CA pour la production d'hydrogène (voir la figure 2) présentent de nombreux avantages :

•  Le circuit est moins complexe.
•  Le système final est moins coûteux que celui comportant un IGBT.
•  Ils sont plus résistants que les IGBT.
•  Comme cela a été indiqué précédemment, ils peuvent être protégés avec des fusibles.
•  Ils se déconnectent automatiquement lorsque la tension atteint zéro.
•  Ils offrent une densité de puissance maximale avec peu de pertes de conduction.

Figure 2 : le circuit est moins complexe avec des thyristors (source : Infineon)

Sur le schéma principal, en haut à gauche, vous pouvez voir le redresseur de courant élevé et, en haut à droite, l'électrolyseur qui produit l'hydrogène. Les circuits utilisés sont le redresseur à thyristor type pour les applications à courant élevé (à l'heure actuelle jusqu'à 20 MW et plus) et la diode de redressement avec le convertisseur IGBT CC/CC. Avec les thyristors, il peut arriver que l'électrolyseur provoque des harmoniques sur la ligne CC. Celles-ci n'affectent pas la puissance de sortie de l'électrolyseur et sont représentées par des disques de 111 à 150 mm ou peuvent être combinées en une seule pile. Cette dernière contient les connexions, les thyristors et les disques de refroidissement et constitue un système prêt à assembler. Avec des IGBT, les harmoniques sont réduites mais les pertes sont supérieures. L'un des deux systèmes devra être choisi en fonction des besoins finaux afin de réguler correctement la quantité de courant qui passera à travers l'électrolyseur. Ces ajustements s'effectuent plus facilement avec des thyristors.

Différents modèles pour beaucoup de puissance

Les modules Power Block d'Infineon existent sous différents modèles (comme le montre la figure 3) en fonction de la classe d'alimentation requise. Les plus petits font 50 et 60 mm et peuvent être utilisés avec des diodes ou des thyristors de redressement. Le disque de 150 mm, lui, peut être utilisé pour une puissance supérieure, de quelques mégawatts. Les modèles les plus courants font 111, 100 et 75 mm. Comme pour les piles normales, ils sont équipés d'un refroidissement hydraulique afin de pouvoir délivrer un maximum de puissance. Certains modèles peuvent également fonctionner jusqu'à 3,6 kV.

Figure 3 : différentes solutions de redresseurs (source : Infineon)

Prenons maintenant l'exemple d'un véhicule électrique alimenté par une pile à combustible à hydrogène. Il est composé d'un système de batterie et des piles à combustible. Pour mieux comprendre le fonctionnement du système, imaginez que les batteries soient vides ou que l'utilisateur reçoive l'énergie du réseau par le câble sur un circuit de charge CA ou CC. Lorsque la batterie est pleine, le câble est débranché et la batterie peut alimenter l'inverseur qui, à son tour, alimente le moteur. Une pile à combustible offre plusieurs possibilités :

•  Une très petite batterie (1 à 2 kWh) peut être utilisée et aucun système de charge n'est nécessaire. La batterie est surtout utilisée comme tampon et l'essentiel de l'énergie provient de la pile à combustible, qui alimentera l'inverseur.
•  De plus grosses batteries (10 à 20 kWh) peuvent être utilisées pour permettre une autonomie de plus de 5 000 km. Un système de charge sera alors nécessaire.

L'unité la plus importante est représentée par le système de pile à combustible (voir la figure 4) à travers laquelle passe l'hydrogène. L'air qui provient du système est comprimé et envoyé à une pile à combustible. La tension électrique est alors appliquée. Les convertisseurs doivent être conçus de façon à être extrêmement efficaces. Après la réaction, les gaz doivent être libérés dans l'atmosphère. À ce stade, la gestion thermique qui contrôle la température de la pile à combustible est importante. Le système global est composé de cinq sous-systèmes :

•  Le sous-système AF
•  Le sous-système à hydrogène
•  Le sous-système de la membrane d'échange de protons
•  Le sous-système d'échappement
•  Le sous-système de gestion thermique

Dans le premier sous-système, la présence d'un filtre est essentielle pour éliminer les odeurs de l'air susceptibles d'empoisonner la membrane d'échange de protons. Dans cette phase, il convient de mesurer en permanence la pression, la température et le flux d'air. De même, la compression élevant la température, un refroidisseur et un humidificateur sont nécessaires pour obtenir le niveau de température et d'humidité correct pour la membrane d'échange de protons.

Figure 4 : schéma de fonctionnement d'une pile à combustible (source : Infineon)

Le deuxième sous-système comprend un distributeur d'hydrogène à travers une connexion extrêmement sûre. La mesure constante du flux évite les pertes. L'hydrogène est refroidi à une température d'environ – 40 ˚C pour atteindre une forte densité dans le réservoir. Il passe alors à travers le régulateur de pression jusqu'à l'injecteur haut débit, ce qui permettra la recirculation du matériau. Il faut éviter de libérer de l'hydrogène dans l'échappement. Dans le troisième sous-système, la tension électrique est contrôlée en continu. Le quatrième sous-système, celui de l'échappement, implique un flux provenant du système d'air et lourdement chargé en vapeur d'eau. Des systèmes sophistiqués fonctionnent de façon extrêmement silencieuse. Le cinquième sous-système est dédié à la gestion thermique. Il contrôle et régule la température de l'eau, évitant la formation de glace si la température est extrêmement basse. Il est géré par de puissants microcontrôleurs.

Conclusion

L'hydrogène vert peut certainement constituer l'une des solutions à la crise climatique et de nombreuses entreprises poursuivent des recherches dans cette direction. Les principales difficultés concernent la production, le stockage et le transport et l'utilisation de cet hydrogène vert, et de nombreux fabricants offrent une large gamme de produits et de composants électroniques permettant de construire des systèmes électroniques pour produire et consommer une énergie propre.

Référence

Solutions de semi-conducteurs d'alimentation pour le développement de systèmes à hydrogène vert — Markus Hermwille,
Infineon Technologies AG, Nils Przybilla, Infineon Technologies Bipolar GmbH, Patrick Leteinturier,
Infineon Technologies AG — Webinaire