Soluzioni di semiconduttori di potenza per lo sviluppo di sistemi a idrogeno verde

Il nostro pianeta è in pericolo sia dal punto di vista ambientale che climatico. La produzione di energia pulita, in particolare quella basata sull'idrogeno verde, sta spingendo molte aziende e industrie verso investimenti nella ricerca sull'idrogeno finalizzata alla protezione del clima e delle risorse naturali. La riduzione dei gas serra sarà molto più rigorosa di prima e si spera che entro il 2050 le emissioni vengano eliminate.

Estrarre idrogeno dall'acqua

L'idrogeno è il primo elemento della tavola periodica. Non può essere creato da zero, ma può essere ottenuto dall'acqua. Esistono diversi metodi per estrarre l'idrogeno e alcuni creano più inquinamento di altri. Spesso l'idrogeno viene prodotto e consumato nello stesso processo produttivo, senza che sia necessario separarlo. Con l'elettrolisi, l'idrogeno può essere estratto dall'acqua per decomposizione e tale processo ci permette di ottenere:

Uno dei metodi più semplici consiste nell'applicare una corrente elettrica a una soluzione acquosa. Durante il processo, l'idrogeno si accumula su uno degli elettrodi. La raccolta e lo stoccaggio dell'elemento chimico, nonché lo smaltimento dei rifiuti, sono le fasi più complicate di questo processo.

L'idrogeno è il futuro del pianeta

Il mondo sta affrontando una delle sue sfide più importanti: raggiungere zero emissioni di gas serra in tre decenni. Una delle tecnologie più promettenti per affrontare questa sfida è l'idrogeno verde. Renderebbe possibile la mobilità pulita e potrebbe contribuire a ridurre le emissioni di CO₂ in molti modi, a condizione che la produzione, lo stoccaggio, il trasporto e l'uso siano garantiti al meglio. I semiconduttori di potenza di Infineon promettono soluzioni efficienti per la produzione e il consumo di idrogeno verde e forniscono il giusto potenziale per il futuro sistema energetico. L'uso dell'energia pulita dipende ovviamente dai progressi scientifici raggiunti, ma ancor più dalle decisioni politiche dei governi. La percentuale prevista per la riduzione dei gas serra aumenta di anno in anno, suggerendo che se non vengono prese decisioni drastiche, si potrebbe facilmente raggiungere un punto critico. Di conseguenza, le applicazioni emergenti prevedono l'idrogeno come principale fonte di energia. La produzione di semiconduttori deve ovviamente seguire questo canale di sviluppo, ad esempio per sistemi IoT puliti. Sarebbero disponibili diversi tipi di idrogeno:

•  L'idrogeno grigio, prodotto da risorse fossili, comporta l'emissione di CO2 e, ovviamente, questa evenienza va assolutamente evitata.
•  L'idrogeno blu è prodotto da risorse fossili con tecnologie di cattura e sequestro del carbonio nucleare.
•  L'idrogeno verde viene prodotto esclusivamente da fonti di energia rinnovabile come l'energia idroelettrica, solare ed eolica.

Le aree di applicazione dell'idrogeno sono molteplici e vanno dall'accumulo di energia allo stoccaggio di combustibili. Grazie alla sua natura pulita, questo elemento può anche sostituire i combustibili fossili in molti settori. Tuttavia, la sola produzione di idrogeno ovviamente non è sufficiente. L'aumento delle energie rinnovabili richiede un adeguato accumulo di energia su larga scala. Si prevede che anche i costi di produzione dell'idrogeno saranno estremamente bassi, nell'ordine di 1 USD per chilogrammo, almeno inizialmente. L'idrogeno sarà la chiave per ridurre le emissioni in qualsiasi settore. La sua utilità nella catena di produzione e distribuzione includerà un sistema efficiente che riguarda:

•  Generazione e produzione con tecniche pulite e non inquinanti, realizzate con processi di elettrolisi AC e DC.
•  Trasmissione efficiente, grazie all'accumulo di energia a medio e lungo termine.
•  Consumi, a costi notevolmente inferiori.

Inoltre, grazie alla produzione di nuovi dispositivi di potenza a semiconduttore, è possibile gestire senza problemi potenze che vanno da 1 kW a 50 MW e oltre. L'idrogeno verde può avere usi molto importanti, su larga scala, nei trasporti, nella produzione industriale o nel riscaldamento ad alta temperatura. La produzione di idrogeno verde (si veda il diagramma a blocchi in figura 1) richiede strutture necessarie per il processo di elettrolisi. Le correnti alternate dovranno essere convertite in correnti continue. Seguiranno strutture di compressione, sistemi ausiliari e controlli, ovviamente gestiti da sistemi di comunicazione elettronica e di supporto alla sicurezza.

Figura 1: diagramma a blocchi della produzione di idrogeno (fonte: Infineon)

Tiristori per l'elettrolisi dell'idrogeno

Al giorno d'oggi, i sistemi volti a raddrizzare le correnti elevate sono all'avanguardia. I tiristori e gli IGBT sono in grado di gestire enormi quantità di corrente, ma ciò a cui si ambisce con maggior interesse è massimizzare la densità di potenza cercando di ridurre le perdite di conduzione. Anche i sistemi di raffreddamento sono un punto cruciale per i tiristori, che possono essere protetti anche dai fusibili normalmente presenti nel sistema. I tiristori accoppiati in corrente alternata per la produzione di idrogeno verde (si veda la figura 2) presentano molti vantaggi:

•  Il circuito è meno complesso.
•  Il sistema finale è più economico di quello basato su un IGBT.
•  I tiristori sono più robusti degli IGBT.
•  Come accennato in precedenza, è possibile proteggerli con dei fusibili.
•  Si disattivano automaticamente quando la tensione supera lo zero.
•  La massima densità di potenza si ottiene con perdite di conduzione minime.

Figura 2: il circuito è meno complesso con i tiristori (fonte: Infineon)

Nel diagramma principale, in alto a sinistra, è possibile vedere il raddrizzatore a corrente elevata, mentre in alto a destra è presente l'elettrolizzatore, che produce idrogeno. I circuiti utilizzati sono il tipico raddrizzatore a tiristori per applicazioni a corrente elevata (attualmente fino a 20 MW e oltre) e il raddrizzatore a diodi con il convertitore CC/CC basato su IGBT. Con i tiristori, potrebbero esserci delle armoniche sulla linea CC causate dall'elettrolizzatore. Non influiscono sulla potenza in uscita dell'elettrolizzatore e sono rappresentate da dischi di diametro compreso tra 111 mm e 150 mm oppure possono essere combinate in un unico gruppo. Quest'ultima soluzione contiene i collegamenti, i tiristori e i dischi di raffreddamento e costituisce un sistema pronto da assemblare. Usando gli IGBT, le armoniche sono ridotte, ma presentano perdite maggiori. A seconda delle esigenze finali, si può scegliere uno dei due sistemi per regolare opportunamente la quantità di corrente che attraversa l'elettrolizzatore. Con i tiristori, questa regolazione può essere eseguita più facilmente.

Diversi modelli per una potenza elevata

I moduli Power Block di Infineon sono disponibili in diversi modelli (come mostrato nella figura 3), a seconda della classe di potenza richiesta. I modelli più piccoli sono da 50 mm e 60 mm e possono essere utilizzati con raddrizzatori a diodi o a tiristori. Il dispositivo con disco da 150 mm è invece utilizzabile per una potenza di pochi megawatt superiore. I modelli più comuni sono quelli da 111 mm, 100 mm e 75 mm. Per quanto riguarda i gruppi normali, sono dotati di raffreddamento a liquido in modo da poter erogare piena potenza. Alcuni modelli possono funzionare anche fino a 3,6 kV.

Figura 3: diverse soluzioni di raddrizzatori (fonte: Infineon)

Esaminiamo ora un veicolo elettrico con celle a combustibile a idrogeno. È costituito dal sistema di batterie e dalle celle a combustibile. Per capire meglio come funziona il sistema, si immagini che le batterie siano scariche o che l'utente stia prelevando energia dalla rete utilizzando il cavo con un circuito di carica CA o CC. Quando la batteria è carica, il cavo viene scollegato e la batteria può alimentare l'inverter che, a sua volta, alimenta il motore. Esistono diverse possibilità con una cella a combustibile:

•  È possibile utilizzare una batteria molto piccola (1-2 kWh) e non è necessario alcun sistema di carica. La batteria viene utilizzata principalmente come tampone e l'energia principale proviene dalla cella a combustibile, che alimenta l'inverter.
•  È possibile utilizzare batterie più grandi (10-20 kWh), che consentono un'autonomia di oltre 5.000 km. In questo caso è necessario un sistema di carica.

L'unità più importante è rappresentata dal sistema della cella a combustibile (si veda la figura 4), all'interno del quale passa l'idrogeno. L'aria che passa attraverso il sistema viene compressa e inviata a una cella a combustibile. Quindi viene applicata la tensione elettrica. I convertitori devono essere progettati per essere altamente efficienti. Dopo la reazione, i gas devono essere scaricati e rilasciati nell'atmosfera. In questa fase è importante la gestione termica che controlla la temperatura della cella a combustibile. L'intero sistema è composto da cinque sottosistemi:

•  Il sottosistema AF
•  Il sottosistema dell'idrogeno
•  Il sottosistema della membrana a scambio protonico
•  Il sottosistema di scarico
•  Il sottosistema di gestione termica

Nel primo sottosistema la presenza di un filtro è fondamentale per eliminare dall'aria gli odori che potrebbero avvelenare la membrana di scambio protonico. In questa fase è necessario misurare continuamente pressione, temperatura e flusso d'aria. Inoltre, poiché la compressione aumenta la temperatura, sono necessari un dispositivo di raffreddamento e un umidificatore per mantenere la temperatura e il livello di umidità corretti per la membrana a scambio protonico.

Figura 4: diagramma a blocchi del funzionamento di una cella a combustibile (fonte: Infineon)

Il secondo sottosistema comprende un distributore di idrogeno, attraverso un collegamento estremamente sicuro. La misurazione costante del flusso evita perdite. L'idrogeno viene raffreddato a una temperatura di circa -40 ˚C per raggiungere una densità elevata all'interno del serbatoio. Passa quindi attraverso il regolatore di pressione e all'iniettore ad alta velocità, che consentirà un ricircolo del materiale. È necessario evitare il rilascio di idrogeno nello scarico. Nel terzo sottosistema, viene costantemente controllata la tensione elettrica. Il quarto sottosistema, il sottosistema di scarico, coinvolge un flusso che proviene dal sistema dell'aria e che è fortemente carico di vapore acqueo. Dei sistemi sofisticati funzionano in modo estremamente silenzioso. Il quinto sottosistema è dedicato alla gestione termica: controlla e regola la temperatura dell'acqua ed evita la formazione di ghiaccio se la temperatura è molto bassa. Tale sottosistema è gestito da potenti microcontroller.

Conclusione

L'idrogeno verde può sicuramente essere una delle soluzioni per risolvere la crisi climatica e sono molte le aziende che stanno portando avanti ricerche in questa direzione. Le sfide maggiori riguardano la produzione, lo stoccaggio, il trasporto e l'uso dell'idrogeno verde e molti produttori offrono un ampia gamma di prodotti e componenti elettronici per la costruzione di sistemi elettronici atti a produrre e consumare energia pulita.

Riferimento

Power semiconductor solutions for the development of green hydrogen systems – Markus Hermwille,
Infineon Technologies AG, Nils Przybilla, Infineon Technologies Bipolar GmbH, Patrick Leteinturier,
Infineon Technologies AG – Webinar